碳纤维复合材料在星载天线结构中的应用*

张登材，张义萍，黄福清，张 杰

(中国电子科技集团公司第二十九研究所, 四川 成都 610036)

引 言

随着航天技术的发展，宽频段、高增益、大口径的天线在航天领域的应用越来越广泛。众所周知，航天器对质量非常敏感，而太空环境十分恶劣，温度变化剧烈，因此研究如何降低这些天线的质量和提高这些天线的环境适应能力具有重要意义[1-4]。

碳纤维复合材料是以树脂为基体、碳纤维为增强体的复合材料，具有质量轻、模量高、热膨胀系数低等特点。碳纤维本身具有导电性，在一定的频率范围内能够完成天线电磁波的发射或接收，并能承受一定的功率。因此用碳纤维复合材料制作的天线不仅能保证天线的电性能而且质量轻，比强度高，抗冲击振动能力强，能承受高低温循环、热真空等严酷的环境试验的考核，是星载天线的首选材料[5-8]。

文献[1]研究了不同模量的碳纤维对天线电磁性能的影响，为星载天线减重设计提供了有效途径；文献[2]综述了碳纤维复合材料在航天领域的应用现状和发展前景；文献[4]研究了碳纤维复合材料在某雷达天线骨架和某单层板加背筋反射面天线中的应用；文献[5-9]重点研究了基于碳纤维复合材料天线的制作工艺和仿真分析。目前，关于碳纤维复合材料天线的研究大多侧重于加工制造工艺、仿真分析等方面，针对这种天线的结构设计要点的研究鲜见报道。为此，本文全面系统地研究了碳纤维复合材料与星载天线性能相关的特点，阐述了应用于星载天线结构设计时的铺层设计和结构设计要点，可为星载天线结构设计提供工程参考。

1 碳纤维复合材料的特性

1.1 碳纤维复合材料的机械性能

应用于航天领域的主要的几种碳纤维及其主要性能见表1。

表1 碳纤维性能参数表

从表1可以看出，相比于传统金属材料，碳纤维的密度小(只有铝合金的0.64倍)，比强度和比模量高，比强度是铝合金的17.8倍，比模量是铝合金的7倍(碳纤维以T700为例，铝合金以LY12CZ为例)。

碳纤维复合材料机械性能的高低与选取的碳纤维种类密切相关，M系列的碳纤维模量较高，但强度较低，T700的强度高，但模量较低。

1.2 碳纤维复合材料的热性能

碳纤维轴向和径向的热膨胀系数相差比较大，并且随着模量的增加，纤维轴向的热膨胀系数会下降，甚至出现负值。基于这个特点，在天线成型过程中设计不同的纤维铺层结构，可以使天线在成型过程和实际工作环境中做到“零膨胀”。对于工作在热交变剧烈的太空环境中的星载天线，采用这种“零膨胀”系数材料来使其结构和型面精度保持稳定是非常有效的。

1.3 碳纤维复合材料的电性能

通常情况下，天线有“驻波”和“增益”2个重要的电性能指标。天线的驻波指的是反射功率与输入功率之比，驻波越小越好；天线的增益指的是在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号功率密度之比，它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度，一般情况下增益越高越好。已有的研究表明：碳纤维复合材料天线的驻波和增益与天线内表层的碳纤维模量密切相关，内表层碳纤维的模量越高，天线的驻波就越低，增益就越高，天线的电性能也越好[1]。

1.4 碳纤维复合材料设计上的先进性

碳纤维复合材料是一种各向异性材料，沿纤维轴方向和垂直于纤维轴方向的电、磁、热、力学性能都有明显的差别。这样的各向异性给设计带来了较多的可选择性，可以通过合适的铺层方向和层数来满足强度、刚度和其他特殊要求，为结构的优化设计提供了巨大的设计空间，是传统的各向同性金属材料所无法比拟的。

2 碳纤维复合材料天线铺层设计

碳纤维复合材料中的碳纤维和树脂的性能差别很大，碳纤维各向异性，轴向和径向性能相差很大，而树脂在固化过程中收缩较大。因此，合理的铺层设计是碳纤维复合材料天线取得较佳的机械性能和电性能的关键因素。

由于碳纤维轴向和径向的热膨胀系数相差较大，因此只有采用准各向同性对称铺层，并利用高模量纤维轴向热膨胀系数为负值，来抵消径向较大的热膨胀系数，才能使各向热膨胀系数接近“零”，以保证星载天线在高低温变化剧烈的太空环境中保持稳定的型面精度。

在碳纤维铺层设计中，尽量减少纤维断口和搭接，同时保证纤维铺放有序，重点保证铺层的对称性以减少翘曲变形来提高天线部件的精度。由于碳纤维材料严重的各向异性，在平面内会产生特殊的拉剪耦合效应，因此除了采用0°、90°的正交铺层外，应尽量采用±θ°方式的铺层设计，使纤维方向在分层的平面内均匀分布[9]。

碳纤维复合材料面天线的电性能指标主要取决于面天线内表层材料的导电性，为此面天线内表层材料优选M系列高模量的碳纤维，以保证天线较低的驻波和较高的增益指标，其余增强层选强度较高、价格相对便宜的T系列碳纤维。将高模量的M系列和高强度的T系列碳纤维组合使用，在天线的电性能、刚强度、价格等方面进行折衷，以满足工程应用要求。

3 碳纤维复合材料天线结构设计

3.1 喇叭天线结构设计

将喇叭天线的喇叭体、上脊、下脊、安装法兰盘等要素设计成一个零件，如图1和图2所示。采用改型的环氧树脂AG-80为基体材料，M60J高模量碳纤维为天线内表面导电层，T700高强度碳纤维为天线的增强层，铺层方式按〔0°/ 90°〕正交铺设，成型方式采用在模具上铺层、热压罐固化成型。为进一步提高天线的电性能和机械性能，采取喇叭体、上脊、下脊、安装法兰盘整体铺层连接。图1所示的矩形喇叭的外形尺寸为230 mm × 200 mm × 211 mm，重0.43 kg；图2所示的圆形喇叭的外形尺寸为φ62 mm × 110 mm，重0.05 kg。经实物测试，所有指标均满足设计要求。

图1 碳纤维复合材料矩形喇叭示意图

图2 碳纤维复合材料圆形喇叭示意图

通常情况下，星载天线结构设计完成后还需要按照项目环境试验条件进行有限元仿真分析，以校核其刚强度是否满足要求。针对碳纤维复合材料天线的仿真分析研究比较成熟，相关文献也比较多。限于篇幅，这里不再详述，仅给出图1和图2所示天线的基频分析结果。图1所示矩形喇叭的基频为567 Hz，振型如图3所示；图2所示圆形喇叭的基频为1 329 Hz，振型如图4所示。分析表明这2个喇叭天线的基频都很高，刚强度好，满足设计要求。

图3 矩形喇叭1阶振型示意图

图4 圆形喇叭1阶振型示意图

3.2 反射面天线结构设计

通常情况下，基于碳纤维复合材料设计的天线反射面主要有3种结构形式：单层板加背筋、蜂窝夹层结构和蜂窝夹层结构加背筋，如图5所示。单层板加背筋的这种形式型面刚度低，精度不易保证，仅适用于型面精度不高的小尺寸反射面；蜂窝夹层结构由于轻质的蜂窝芯材将高强度碳纤维复合材料面板隔开，增大其结构惯性矩从而提高刚度，有利于保证反射面的型面精度和减少重量；蜂窝夹层结构加背筋这种形式进一步提高了反射面的刚强度，适用于大尺寸反射面。

图5 碳纤维复合材料反射面结构形式示意图

图6所示的偏馈反射面口径为2.2 m，图7所示的正馈反射面口径为1.5 m，尺寸都比较大，反射面型面精度要求高，因此采用蜂窝夹层结构加背筋的结构形式。

图6 碳纤维复合材料偏馈反射面示意图

图7 碳纤维复合材料正馈反射面示意图

综合考虑反射面的强度和电性能，决定反射面的内外蒙皮都采用1层M55J碳布和2层T700无纬布按〔±45°/ 0°/ 90°〕准各向同性铺层(表面导电层为M55J碳布)，保证内外蒙皮的对称性，以确保天线在温度场的作用下产生尽量小的翘曲变形。考虑到重量和强度，夹层结构中的蜂窝选用5 × 0.04铝蜂窝。对天线的背筋没有电性能要求，因此增强材料选用T700按各向同性等效铺层。蒙皮和背筋的基体材料都采用改型的环氧树脂AG-80。

背筋对提高和稳定反射面精度非常重要，考虑到重量的限制，图6所示的偏馈反射面决定采用“井”字型式布置背筋，将反射面4个压紧点与天线展开机构连接点连接起来，形成传力路径。图7所示的正馈反射面决定采用“米”字型式布置背筋，将反射面上6个支撑杆固定点与天线安装法兰固定点连接起来，形成传力路径。最后完成的偏馈反射面仅重12.9 kg(含4个钛合金压紧套)，正馈反射面仅重7.8 kg。经实物测试，反射面的电性能指标满足设计要求，空间环境适应性通过鉴定级试验考核。

3.3 天线支架结构设计

一般情况下，对天线支架没有电性能要求，在航天领域重点考虑重量、强度、成本等问题。图8所示的小型星载天线支架(95 mm × 85 mm × 90 mm)采用改型的环氧树脂AG-80为基体材料，价格相对便宜的T300碳纤维为支架的增强层，铺层方式按〔0°/ 90°〕正交铺设，成型方式采用在模具上铺层、热压罐固化整体成型。最终完成的支架仅重0.11 kg，各项指标满足要求。

图8 碳纤维复合材料天线支架示意图

4 需要注意的问题

与传统金属材料相比，碳纤维复合材料具有很多优点，但将它应用于星载天线结构时，需要注意以下几个问题：

1)高模量系列碳纤维在导电性能上接近一般金属，但相关研究表明，即使用M60J这种高模量碳纤维制作的天线，与同样的金属材料天线相比，其增益也会有所下降，特别是在高频段，增益下降会更明显。因此高频段天线选用碳纤维复合材料时，应留有一定的增益余量。

2)碳纤维复合材料天线或支架上如果设计有螺纹孔，则需要设计金属材料预埋件，在成型过程中埋入螺纹孔处，固化成型后在金属预埋件上打孔攻丝，以保证螺纹连接强度。

3)碳纤维复合材料天线或支架采用在模具上铺层的方式制作，因此在零件转角处需要设计工艺圆角。

5 结束语

基于碳纤维复合材料的独特性能，对其进行了深入研究和大量试验，最终成功地将其应用于多个星载天线结构中，解决了实际工程应用难题。在此基础上，重点介绍了将其应用于天线结构时的铺层设计，详细阐述了碳纤维复合材料星载喇叭天线、反射面天线、天线支架的结构设计要点，并给出了一些注意事项。碳纤维复合材料这种低密度轻型材料以其优异的力学、热学、电磁性能在星载天线结构中必将得到越来越广泛的应用，本文的研究可以为以后其他类型的星载天线结构设计提供参考。

碳纤维复合材料天线采用模具糊制成型，其尺寸精度、表面粗糙度都低于传统的采用金属材料通过机械加工成型的天线，从而影响其电磁性能。在同等情况下，碳纤维复合材料天线的增益也低于传统金属材料天线，高频段的天线尤其明显。因此，如何提高碳纤维复合材料天线的精度和增益值得深入研究。