某复合材料星载天线反射面抗力学环境设计与验证

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(1. 亳州职业技术学院, 安徽 亳州 236800；2.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

天线反射面作为卫星通信系统的关键组成部件，与信号的接受、发射质量和整个系统的稳定性直接相关[1]。平面度和尺寸稳定性作为天线反射面的两个重要指标，将会直接影响天线的增益，因此反射面研制过程中，一个重要任务是如何来保证反射面的型面精度和尺寸稳定性[2]。同时卫星天线反射面又作为航天结构件，对重量控制有着较高的要求，因此反射面的研制过程中，另外一个重要的工作就是轻量化设计。针对型面精度、尺寸稳定性和轻量化设计等多重要求，在拓扑构型和结构布局优化的基础上，采用高模量、高强度的新型材料是最佳的选择，特别是使用先进复合材料。

复合材料由多种类型的材料通过复合工艺组合而成，既能够保留原有组成材料的主要特色，又能通过材料设计使各组分性能相互弥补、补充、关联和协同，从而获得原组分材料无法比拟的优势[3]。先进碳纤维复合材料，其在综合性能上与铝合金相当，但是比刚度、比强度要远高于铝合金材料[4]，并且具有良好的耐高温、耐腐蚀、耐疲劳性能。特别是碳纤维复合材料还具有良好的导电性能，能够满足天线反射面必须是导电材料的要求；并且碳纤维复合材料在纤维方向和垂直纤维方向上分别具有负的和正的热膨胀系数，能够通过铺层设计保证天线反射面在轨道热循环载荷下的尺寸稳定性[5]。正是由于碳纤维复合材料具有优良力学性能、热学性能，并且性能可设计的优点，使其在航天航空领域得到了广泛的应用[6-10]，与铝、钢、钛一起成为四大结构材料。先进复合材料的用量比已经成为航空航天结构的先进性标志之一[10]。相比于其它的技术，采用先进复合材料进行航天航空结构设计可以减重20%～30%，在所有新技术应用中减重最为明显[3]。

针对某星载天线反射面的设计要求，设计全复合材料天线反射面。对该复合材料反射面开展结构设计、复合材料铺层设计，并对设计后的天线阵面开展力学仿真与试验验证工作。

1 天线反射面结构设计

天线反射面为天线阵面的重要组成部分，具有三个方面的主要作用：第一，天线反射面为天线单元阵子的安装面，其上一共安装有30个细长型的天线单元阵子；第二，天线反射面为整个卫星天线与卫星平台的连接件，是主要的承力构件；第三，天线反射面还是星载天线的信号反射面。基于以上三个方面的作用，将天线反射面设计为天线反射板、对接环和加强筋三个主要部分。

天线反射板的设计除了常规的机械连接设计外，主要考虑增加其垂向抗弯刚度。一方面，30个细长型天线单元阵子安装在天线反射板上，而该细长型的天线单元阵子其基频较低，在卫星的发射过程会产生明显的振动，提高天线反射板的垂向抗弯刚度有利于降低天线单元阵子的振动响应；另一方面天线反射板作为卫星天线的电反射面，对平面度有着较高的精度要求，提高天线反射板的刚度可以保证卫星天线在空间热环境下保持较高的平面度。提高天线反射面刚度可以通过提高反射板的厚度，以及优化加强筋的位置来实现。

对接环为天线反射面中与卫星平台进行连接的部件，因此其需要保证足够的刚强度，以保证卫星天线在发射过程不发生结构破坏和变形，为此对接环采用了槽型截面构成的环形对称结构。对接环尺寸主要影响反射板悬出部分的垂向抗弯刚度，以及系统整体的垂向刚度。如前所述，其尺寸过小，反射板悬出部分的垂向抗弯刚度不足将造成天线阵子振动响应明显放大；而其尺寸过大，将导致系统整体垂向刚度降低，这会造成在垂向载荷下整体力学响应过大。因此在对接环结构设计当中需要对两者进行均衡考虑。

基于力学仿真优化技术对反射板的厚度、对接环的尺寸，以及加强筋的位置进行了优化配置。最终设计完成的天线反射面的结构形式如图1所示，其中反射面高30 mm，直径为1 880 mm，对接环高115 mm，外接直径1 450 mm。

图1 天线反射面结构

2 反射面复合材料铺层设计

该天线反射面为航天结构件，在发射主动段其承受的力学环境极为恶劣，因此其对结构轻量化和可靠性的要求极为苛刻。采用复合材料进行设计，不但能够收到很好的经济效益，还可以增加结构抗破坏能力。特别是复合材料的整体成型技术，可以有效地减小连接，提高结构可靠性；并且复合材料的耐腐蚀性和抗疲劳特性都优于铝、钛等其他航天材料，能够极大提高结构可靠性。

该天线反射面采用复合材料设计。主反射板采用复合材料蜂窝夹芯结构，由两个强度和刚度较大的蒙皮和中间轻质、较厚的芯材粘接组成。中间的蜂窝芯材，分隔上下蒙皮，使两者保持了一定的间距，增加了夹芯结构的惯性矩，有效地提高结构的抗弯和抗扭刚度，但是整体质量增加较小，从而提高了结构比刚度和比强度。反射板的蒙皮采用M55J碳纤维/环氧复合材料，铺设4层，厚度为0.5 mm，铺层顺序为[0/45/90/-45]；夹芯结构的芯材为铝蜂窝材料，厚度39 mm。对接环为M55J碳纤维/环氧复合材料，铺设8层，铺层顺序为[45/90/-45/0]s，厚度为3 mm。加强筋条为M55J碳纤维/环氧复合材料，铺设8层，铺层顺序为[45/90/-45/0]s，厚度为2 mm。整个天线反射面的质量为46 kg。

各铺层均采用M55J碳纤维单向预浸料铺设，M55J碳纤维/环氧复合材料单向板的力学性能如表1所示。

表1 材料力学性能表

3 有限元分析验证

为了校核该复合材料天线反射面的结构刚强度，采用有限元分析手段对其基频和各种力学环境下的结构刚强度进行校核，这里主要考察M55J碳纤维/环氧复合材料的结构刚强度。

3.1 力学环境条件及要求

天线子系统安装在卫星平台的对地板上，其鉴定级的力学环境试验条件如为加速度9g，沿3个轴向；振动试验条件分为正弦扫频振动和随机振动两种，具体条件分别见表2和表3所示。

表2 SMA天线阵面鉴定级正弦振动试验条件

注：g为加速度单位，1g=9.8 m/s2

3.2 抗力学环境要求

抗力学环境设计要求该卫星天线在平行于安装方向上的基频大于30 Hz，垂直于安装方向(Z向)基频大于100 Hz；并且结构振动响应在可控范围，不发生结构强度破坏，结构强度安全裕度大于0.25。

表3 SMA天线阵面鉴定级随机振动试验条件

3.3 有限元建模

天线阵面的有限元模型见图2所示。建模中主反射板蒙皮、对接环、加强筋等复合材料与天线单元阵子采用壳单元进行模拟，并按照设计铺层对复合材料铺层属性的定义，蜂窝芯采用实体单元进行模拟，对于其中的天线螺旋线、射频电缆组件、射频转换器等作为负载以质量单元进行模拟。边界条件设置为对接环与卫星平台的连接法兰孔上约束6个方向的自由度。

图2 天线阵面有限元模型

3.4 分析结果

基于动力学有限元分析手段，分别对该天线阵面进行了模态分析、加速度过载分析、正弦振动分析和随机振动分析。

天线反射面的模态频率与振型描述如表4所示，图3为反射板的垂向一阶和二阶弯曲振型图。由分析结果可见，整个卫星天线在水平方向上的基频为67.4 Hz，为天线单元阵子在水平方向上的一阶弯曲；卫星天线在垂直方向一阶基频为209.5 Hz，为反射板的弯曲变形模式。由此可见结构的基频均能满足水平方向大于30 Hz，垂直方向大于100 Hz的要求。

表5为各种工况下天线反射板的最大应力值和位移值；不失一般性，图4给出了垂向(Z)随机振动下，天线阵面的1σ应力分布云图和1σ变形云图。由分析结果可见，纵向最大应力为280.86 MPa，横向最大应力为10.62 MPa，最大剪切应力为18.50 MPa，均要小于材料强度。取安全系数为1.5，计算结构安全裕度。计算结果表明最小安全裕度为0.42，满足一般复合材料安全裕度需要大于0.25的要求。由反射面法向位移结果，可见最大法向位移为0.53 mm，位移较小，在可控范围之内。力学仿真分析结果表明该天线反射面结构设计合理，各向指标均满足设计要求。

表4 模态频率与振型描述

图3 反射板一阶和二阶弯曲的振型

表5 各种工况下天线反射面的最大应力和法向最大位移

图4 垂向随机振动下天线阵面的1 σ应力分布和变形云图

4 力学试验验证

为了进一步验证该天线阵面力学环境适应性，对其进行力学环境试验考核，试验包括正弦振动试验和随机振动试验，整个试验流程如图5所示。

图5 试验流程

通过每次试验前后结构力学特征的对比来判断结构状态是否发生变化，变化是否在可接受的范围之内，并以此进一步判断结构是否发生损伤。具体的做法是：每次试验前后均增加一次低量级的正弦特征扫频试验，通过对比天线反射面上关键测点处，前后特征扫频曲线的变化(峰值频率、峰值大小、前后曲线吻合度等)来判断结构状态是否发生变化，发生的变化是否在预期范围之内，并进一步判断结构是否发生了损伤和破坏。特征扫频的条件为：频率20～600 Hz，量级为0.5g(1g=9.8 m/s2)，扫频速率2 oct/min。试验中设置2个测点，分别为M01和M02，其中M01为最中部天线单元阵子的顶部，主要监测天线单元阵子的动力学响应与特征；M02为天线反射板的中部位置处，主要用来监测天线反射板的动力学响应与特征。

根据试验结果，试验过程中未听见异常声响，且试验完毕后天线阵面的结构外观目视检查良好，没有出现任何外观上的损伤。通过每次试验前后关键测点M01和M02的特征扫频曲线对比可见，特征曲线吻合较好，振动峰值的频率和大小均没有发生明显变化，不失一般性。图6给出了横向(X向)正弦振动和随机振动试验，测点M01的3次特征曲线对比图；图7给出了垂向(Z向)正弦振动和随机振动试验，测点M02的3次特征扫频曲线对比图。

图6 横向(X向)振动时M01测点3次特征扫频曲线对比

图7 垂向(Z向)振动时M02测点3次特征扫频曲线对比

另外由图6中测点M01特征曲线还可以得出，该天线在水平方向上振动时，其一阶峰值频率为68.9 Hz，也就是天线水平方向上的基频试验结果为68.9 Hz，大于30 Hz的设计要求；同样由图7中测点M02特征曲线可见，该天线在垂直方向上的基频为208.7 Hz，大于100 Hz的设计要求。由此可见，该天线阵面经受住了振动环境试验的考核，且各向指标满足设计要求，并且由天线阵面基频的仿真与试验结果对比可见，仿真与试验吻合良好。

5 结束语

针对某星载天线重量要求轻、平面精度和尺寸稳定性要求高等特点，对其进行复合材料夹芯结构设计和抗力学环境验证工作。

分别从天线阵面的整体结构形式、复合材料铺层、加强筋的布置位置等进行了详细设计，并且通过仿真分析和力学试验对该天线阵面进行了指标验证。验证结果表明，该天线反射面的横向和垂向基频分别为67.4 Hz和209.5 Hz，结构的最小安全裕度为0.42，均满足了设计指标要求，且该天线阵面顺利通过了鉴定级力学环境试验的考核，该天线阵面结构设计合理、可行。另外，由试验测试基频和仿真分析基频对比可见，仿真分析较好地预测了试验结果，可见仿真分析能为该类型天线阵面的结构设计提供了很好的支撑。