1、2016年第1期 玻璃钢复合材料 71 某雷达天线反射器的轻量化研制 张晨晖，张晟，杨尚杰 (中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068) 摘要：本项目采用化学蚀刻法制作副反射器栅面图形替代原来的绷丝工艺；用高强度聚氨酯泡沫、J164填充胶、低密度 纤维粉等材料制作天线反射器法兰和加强筋部分；采用一体化成型法兰的方法既节约了两套法兰模具、缩短了天线制作周期， 又减轻了天线的重量，采用合理的后处理工艺使天线反射器的型面精度达到图纸要求。 关键词：化学蚀刻；重量；副反射器；型面精度 中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1003-0999(2016)01007104 1概述
2、11需求分析 人们常把雷达称之为“千里眼”，而天线作为雷 达产品的一个重要组成部分，才是雷达名副其实的 “眼睛”，具有特别重要的地位和作用J。 天线制造技术，是雷达整机研制中的一项关键 技术。天线研制和生产中，必须确保天线战术技术 的实现，既要求天线有高的增益，越来越低的副瓣电 平，高的反射面表面精度，又要求其质量轻、机动性 高、可靠性高、可维性高和成本低。与其他结构件 相比，复合材料天线的一体化设计特点更为突出。 某雷达天线为玻璃钢复合材料天线，由抛物面 主反射器和副反射器组成，副反射面与天线罩共形 为副反射器，副反射面位于抛物面的焦点和顶点之 间，是典型的改型卡塞格仑天线 J。主、副反射器
3、均 为C夹层结构，口径为1650mm，重量控制在55kg左 右，由于天线所处位置的关系，天线每增加lkg，高 频箱的配重就要增加lkg，天线的重量增加，驱动系 统的重量也要增加，需要减重；并且在舰船上武器装 备的重量增加了，则舰船在行驶过程中能耗也会增 加，有效载荷就会减小，需要减重，所以在满足性能 要求的前提下，天线的减重问题显得非常重要。鉴于 此原因，某雷达天线反射器在口径仅仅减小50mm 的情况下，雷达总体期望天线反射器的重量控制在 37kg之内，所以必须采用新型材料和新工艺方法来 减轻天线的重量。 12研究内容和研究目标 随着现代科学技术的发展，研究开发和应用多 功能和高性能的新型复合
4、材料，是当今世界材料科 学的发展趋势，其中，纤维增强树脂基复合材料占据 着重要的地位。它以轻质高强、优良的电性能、特殊 的热性能和优异的耐腐蚀性能在航空航天及军民品 工业中发挥着重要的作用，各种新材料、新工艺也不 断推出 J。本改进项目成型大口径复杂夹层结构某 雷达天线反射器，在实现天线反射器减重的基础上， 既要求天线反射器的型面精度达到图纸要求，又要 求满足天线反射器的电性能要求。 天线反射器检验标准为： (1)主反射器反射面均方根误差03，法兰端 面平面度1，与A基准的垂直度O25； (2)副反射面均方根误差03，反射面与法兰 端面的平行度1； (3)天线重量37kg。 2研究方案及研究过
5、程 21研究方案 由于雷达总体限定天线的功能结构部分不允许 改变，所以只能在新型轻质材料的选用、栅面工艺方 法的创新、法兰及加强筋成型的创新三方面来实现 天线的减重，具体方案如下： (1)天线反射器加强筋的修形材料和法兰打孔 位置的填充材料采用新型填充材料，在满足强度的 基础上，取代原有的金属嵌件，有效减轻天线重量； (2)某雷达天线副反射器栅面直径为1200mm， 由02mm厚蒙皮中均匀分布400根直径为09mm 收稿日期：20150821 作者简介：张晨晖(1971一)，女，高级工程师，主要从事玻璃钢复合材料的工艺研究及各种雷达天线反射器及天线罩的研制工作 243973083qqcorn。
6、 黪鼬 峨 72 某雷达天线反射器的轻量化研制 的聚酯漆包铜线组成，每两根铜线中心距为301 mm，整体栅面平面度要求05mm。用挠性覆铜板 进行化学腐蚀的方法制作天线副反射器栅面图形取 代传统的铜丝，用0O18mm厚度的铜箔代替400根 长度为1200mm、直径为09mm的漆包铜线。采用 化学腐蚀的方法制作副反射器栅条，拼接后和玻璃 布复合固化后得到副反射器栅面，来减轻天线的 重量； (3)减薄主副反射器法兰蒙皮的厚度，减薄法 兰宽度，天线主、副反射器法兰采用一体化成型的 方法。 22研究过程与分析 221轻质填充材料的确定 在确定填充法兰和加强筋的新材料时，筛选了 气相二氧化硅、低密度纤维
7、粉、J164填充胶等一些 密度较小的新型填充料和原有产品使用的短切玻璃 丝进行对比，在配制好的环氧树脂中加入上述材料， 搅拌均匀后对同等高度和面积的玻璃布蜂窝进行填 充，固化修整后对试样进行称重，并计算密度，进行 对比实验，实验结果见表1。 表1 新型材料和原有材料密度测试对比 Table 1 Comparison of new materials and the density of the original materials 由于在考虑减轻重量的同时，需要综合考核强 度和机械加工情况，所以分别对四种材料、20个试 验件的打孑L状况、强度情况、密度、工艺性、打磨状况 进行了实验判定，结果如
8、表2所示。 表2几种填充料性能对比 Table 2 Performance comparison of several filling materials 称 ，珐陛打磨状况 注：表中“工艺性”和“打磨状况”根据实际操作情况来进行定性 说明。 1 ，C 甏 6C NO：1 以上试样在打过blOmm的孔后，孔壁光滑整 齐，无虚填现象，都满足打孔要求，但低密度纤维粉 填充的部分强度稍差一些，综合强度、使用部位、工 艺性及其重量要求，确定用J164填充胶填充主、副 反射器法兰部分(有强度要求)，用低密度纤维粉填 充主反射器加强筋部分(起填充作用)，因为低密度 纤维粉填充的环氧树脂密度为04gcm ，
9、仅为玻璃 钢密度的14，J一164填充胶的密度为08gcm ，仅 为玻璃钢密度的25，新材料的采用可以减轻天线 法兰和加强筋部分重量。 综合以上试验结果，天线反射器加强筋的修形 和法兰打孔位置的填充采用新型填充材料，在满足 强度的基础上，可有效减轻天线重量。 222栅面的轻量化制作 2221栅面制作试验 用挠性覆铜板进行化学腐蚀的方法制作天线副 反射器栅面图形取代传统的绷铜丝工艺，具体方法 如下： (1)在01mm厚环氧玻璃布基预浸料基材上热 压覆合0018mm厚电解铜箔； (2)按照栅面图形设计要求AUTOCAD绘制栅 条图形，再光绘掩膜图形胶片； (3)采用化学蚀刻法制作挠性环氧玻璃布基覆
10、 铜板线条图形，然后经过裁剪、拼接、复合后得到天 线副反射器栅面整体图形； (4)最后将栅面整体图形在副反射器模胎上方 向定位后，再和天线内蒙皮粘接复合成一体，即可形 成副反射器栅面。 2222采用挠性覆铜箔蚀刻线路的方法制作副 反射器栅面分析 (1)副反射器栅面的重量得到极大降低。 由于栅面玻璃钢部分重量基本相等，计算时仅 考虑栅条部分重量。 铜丝栅面重量： M1=V1P= r =7r045 =020257rLp 挠性覆铜箔基栅面的重量： M2= P=05 X 001849=000949 M lM2 02025Lp0000=02025,rr0009=7065 因此，挠性覆铜箔基副反射器栅面的
11、重量仅为 直径09ram铜丝副反射器栅面重量的170。 2016年第1期 玻璃钢复合材料 73 (2)副反射器栅面的平面性得到较大的提高， 线条精度高。 由于挠性覆铜箔基材为厚度仅为01mm的平 面片状材料，且拼接后的栅面图形又在平面模胎上 复合成型为副反射器栅面，所以平面度良好，线条精 度也优于绷丝工艺成型的栅面。栅面线路部分无皱 褶，铜箔面无变色、发黑、腐蚀等现象；铜箔线条表面 光洁、无擦花；栅面基材上无残留铜，表面干净光洁。 副反射器栅面图形精测结果见表3。 表3天线副反射器栅面图形精测结果 Table 3 The results of the survey of the sub sur
12、face of the antenna reflector 223减薄主副反射器法兰蒙皮的厚度、减薄法兰 宽度 为了减轻天线反射器的重量，经过和结构设计 讨论，确定天线主、副反射器法兰宽度和法兰蒙皮进 行减薄设计，法兰宽度由原来的50mm减为25mm， 蒙皮也从原来的3ram减薄为1mm。在填充泡沫密 度没有变化的情况下，经测算，新法兰重量为原有法 兰重量的13。 但是主、副反射器法兰是保证天线反射器强度 的重要组成部分，是保证天线型面不变形的重要部 位。法兰蒙皮减薄、法兰宽度变窄，在减轻天线反射 器的重量的同时，也意味着法兰强度降低，可能引起 天线反射器的型面变形，均方根误差达不到设计要 求
13、，那么天线反射器作为雷达的“眼睛”也就失去了 作用，变成了“睁眼瞎”。经过对减薄法兰蒙皮和宽 度变窄后的法兰强度进行了仿真计算，证明满足天 线整体强度要求。 成型的过程中采用一体化成型的方法，做到反 射面蒙皮和法兰蒙皮连接为一体，通过合适的补强 方式铺贴法兰蒙皮，可以有效地减小由于法兰蒙皮 减薄而导致法兰强度下降致使天线变形的可能。同 时放慢天线后处理的升降温速率，使复合材料天线 和模具的升降温速率尽可能保持一致，消除天线成 型过程中的应力，使天线型面精度达到设计要求。 3达到的技术指标 某改主反射器、副反射器型面精度及形位公差 测量数据如表4所示。 表4天线主、副反射器型面检测数据 Tabl
14、e 4 Antenna main and sub reflector surface inspection data 天线经电性能测试，指标满足设计要求。 天线口径由原来的1650mm减小到1600mm，在 口径仅减小50ram的情况下，天线重量由原来的 55kg减bN现在的35kg。 4结论 (1)选用高强度聚氨酯泡沫、J164低密度填充 胶、低密度纤维粉等新型材料制作天线反射器法兰 和加强筋部分，可有效降低天线法兰和加强筋部位 的重量； (2)采用化学蚀刻法制作副反射器栅面图形替 代原来的铜丝极大地降低了副反射器栅面的重量； (3)改进结构设计、采用新型的工艺方法减轻 了天线重量，缩短了天
15、线制作周期，使天线反射器的 型面精度达到图纸要求。 参考文献 1张润逵，戚仁欣，张树雄雷达结构与工艺M北京：电子工业 出版社，2007 2杨思耀，杜加葱天线M北京：电子工业出版社，1987 3詹英荣玻璃钢复合材料原材料性能与应用M北京：中国国 际广播出版社，1995 (下转第39页) I l -lt o-| 2016年第1期 玻璃钢复合材料 39 STRUCTURE oPTIMIZAT10N oF H EATED MANDREL BASED oN RESPoNSE SURFACE METHoDoLoGY XU Jiazhong ，YUAN Yanan ，GAO Liangchao ，YANG
16、Hai (1Department of Automation，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China； 2Institute of China Shipbuilding Heavy Industry Group No703，Harbin 150078，China) Abstract：Heated mandrel winding is a new method which can achieve composite shell efficient windingThe temperature uniformi
17、ty of heated mandrel surface is a very significant factor which influences the quality of the com posite sheHIn this paper，we select heated mandrel as the research object and take the location of mandrel little hole as the optimization variableWe design three factors three levels of test scheme base
18、d on BoxBehnken design methodsThen，based on this scheme，Fluent numerical simulation was carried outSetting temperature trace points on mandrel and writing down the temperature value of these trace points，we calculate the temperature mean square error(MSE)and take MSE values as the response valueBy f
19、itting second order response surface equation，using statistical software Minitab to analyze the best position combination，and eventually，following the best scheme to do Fluent simulation，the results showed that model predicted values were in good agreements with simulation values rnle temperature MS
20、E of mandrel surface is only 196K and the temperature uniformity is good Key words：composite；heated mandrel winding；response surface methodology；mandrel structure； numerical simulation (上接第73页) WEIGHT REDUCTION 0F A RADAR ANTENNA REFLECTOR ZHANG Chenhui，ZHANG Sheng，YANG Shangie (No20 Research Instit
21、ute of CETC，Xian 7 10068，China) Abstract：Chemical etching method is used to replace the original stretch of copper wire grid surface process in the project，high strength polyurethane foam，J一164 filled rubber and low density fiber powder are used to make aN。 tenna reflector flange and strengthening ribsThe method shoened the antenna production period，reduced the weightThe contour accuracy satisfies the drawing demands by using reasonable posttreatment process Key words：chemical-etching；weight；sub reflector；surface precision
