雙曲高性能雷達天線罩的研制
摘要：主要介紹了蜂窩夾層結構的雙曲高性能雷達天線罩選用的材料體系、成型工藝和制造技術，著重論述了模具結構的選擇、蒙皮的裝配和下料問題；研制的天線罩較好地通過了力學、電學性能測試和無損檢測。
1 前 言
雷達天線罩是集電氣性能、結構強度、剛度、氣動外形和特殊功能要求于一體的功能結構件，其主要作用是保護天線系統免受外部環境的影響，延長整個系統的各部分壽命，保護天線表面和位置的精度。雷達夭線罩是提高綜合火控系統作戰能力的重要部件，而且提高雷達天線罩性能所付出的投資與提高雷達的性能相比，是事半功倍的工作。
本文研制的天線罩具有雙曲面和高性能的特點，特別是核心區電學性能要求高，有耐環境要求，外形和表面質量有嚴格要求，對天線罩的制造提出了一系列挑戰（主要是如何通過合理的鋪層設計達到高電性能的要求和實際制造過程中的可行性問題）。本文對該天線罩所用的材料體系、模具設計、下料設計、裝配工藝、成型工藝方案和制造技術進行系統研究，研制了滿足要求的蜂窩夾層結構雷達天線罩。該天線罩的罩體剖面為蜂窩夾層結構，如圖1所示。
2 天線罩材料體系和制造工藝
合適的天線罩材料體系為天線罩的研制提供了物質基礎和可能，而合理的制造工藝使這種可能成為現實。
2.1 天線罩所用的材料體系及工藝要求
天線罩所選用的材料體系如表1所示：
本天線罩要求嚴格保證天線罩核心區域的電性能（玻璃布不得有搭接）、外表面光滑、厚度均勻、NOMEX蜂窩與內外蒙皮膠接無脫粘。[-page-]
2.2 成型工藝流程
本雷達天線罩具體的工藝流程如圖2所示，其中模具的設計制造、內外蒙皮的下料和外蒙皮的裝配是關鍵工藝。
2.3 模具技術
模具技術是復合材料制造技術的重要內容，是保證復合材料質量的重要前提。復合材料成型模具主要有凹模和凸模等結構形式，其特點如表2所示。實際操作中具體選用哪種形式，主要決定于制品的外形、尺寸公差、表面質量和其他特殊的要求等。
本天線罩結構為蜂窩夾層結構，且在核心區有金屬網，金屬網位置要求非常嚴格。為了保證金屬網的定位，內蒙皮成型模具選用凸模。另外由于天線罩要求外蒙皮表面光滑，外蒙皮也需單獨成形，所以另外制造一外蒙皮模具?？紤]到零件的脫模比較困難，為此專門設計了脫模裝置。
需要指出的是，由于內外蒙皮分別成形，就涉及到外蒙皮的裝配問題，這個問題在后面專門討論。
2.4 內外蒙皮下料形狀的優化設計
天線罩核心區對電性能有嚴格要求，其它區域對電性能也有較嚴格要求。核心區和其它區域對電性能的要求轉化到實際的制造過程中就是對下料形式和鋪疊的嚴格要求。根據上述要求我們對下料形式提出如下要求：
(1)核心區的玻璃布必須為一整塊，不得有搭接行為。
(2)其它區域的搭接縫寬度盡量小。
(3)為了保證強度，蒙皮鋪層的搭接縫盡量避開。[-page-]
天線罩的一般下料形式和鋪疊后的效果如圖3所示?？梢钥闯?，常用的下料形式是保證不了核心區和其它區域嚴格的電性能要求。
分析可知，此雷達天線罩的核心區是雙曲面外形，從理論上來講是不能展開為平面的，但我們巧妙利用玻璃布的部分可延展性，再利用復合材料模擬軟件FiberSim的優化設計和仿真，設計出如下優化的下料形式，其鋪疊后的效果如圖4所示。可以優化設計的下料形式能夠完全滿足核心區和其它區域的設計要求。
比較上面兩種下料形式的鋪疊效果可以看出，優化的下料形式在核心區無搭接，而且核心區拼縫明顯少于一般的下料形式。另外，優化的下料形式比一般下料還具有以下優點：玻璃布的利用率從50%提高到80%、下料效率和鋪疊效率也有相應提高。
2.5 蜂窩夾芯與蒙皮的膠接成型工藝[-page-]
NOMEX蜂窩夾芯與蒙皮的膠接工藝，常采用兩種方法：二次成型和三次成型。二次成型是先將外蒙皮（或內蒙皮）在模具上裱糊成型后進行次固化，然后與蜂窩芯膠接，并在蜂窩芯子上裱糊內蒙皮（或外蒙皮），再進行第二次固化；三次成型是將外蒙皮在模具上裱糊后固化，然后將蜂窩芯子膠接在外蒙皮上進行第二次固化，后在蜂窩芯子上裱糊內蒙皮，并進行第三次固化。實踐證明，三次成型的質量要比二次成型質量要好，但生產周期長，成本高。不論是二次成型還是三次成型，都不熊同時保證內外蒙皮表面的光滑。
本研究中，由于有內、外蒙皮兩個模具，內、外蒙皮可以分別鋪疊固化，有效地保證了內、外蒙皮表面質量和厚度，而且不增加制造成本，然后在內蒙皮上鋪放膠膜和NOMEX蜂窩進行預粘，再鋪放膠膜，裝配外蒙皮，終固化。采用這樣的膠接工藝，有利于固化時低分子揮發份的排除，夾層內的成型質量也容易檢查，缺陷也能及時排除，保證了內、外蒙皮和蜂窩的膠接質量。
2.6 外蒙皮裝配工藝
上面所說的二次成型和三次成型法中不存在外蒙皮（或內蒙皮）的裝配問題，因為外蒙皮（或內蒙皮）在蜂窩上直接裱糊。而采用凸模成形，又要求外表面光滑，外蒙皮的裝配就成了非常困難的關鍵工序。因為蜂窩夾層結構的蒙皮一般都很薄，外蒙皮的剛度很小，膠膜又很粘，在裝配過程中，蒙皮極易和膠膜粘在一起，無法保證裝配到位，引起蒙皮和蜂窩芯脫粘，導致整個產品的報廢。裝配工序是蜂窩夾層結構制造過程中的一個基礎的重要工序。如果裝配工序處理不好，就會面對由天氣決定是否制造的尷尬局面（一般在零下溫度時，膠膜不太粘，裝配的問題不大）。
我們巧妙改進裝配工藝，有效解決了這個基礎問題，在以后的制造過程中，未出現由外蒙皮裝配而引起的問題。
3 檢測結果與結論
對成型后的天線罩進行了一系列測試，主要包括核心區和其它區域電性能測試、基本力學性能測試、罩體厚度、無損檢測、表面質量等。各項指標均達到相關的技術標準。
本文選用玻璃布／中溫改性環氧、膠膜和NRH系列NOMEX蜂窩夾芯體系，采用雙凸模固化成型，通過FiberSim軟件優化設計下料形式，采用創新的裝配手段，合理的膠接和固化工藝，研制出完全滿足設計要求的高性能的雷達天線罩。
1 前 言
雷達天線罩是集電氣性能、結構強度、剛度、氣動外形和特殊功能要求于一體的功能結構件，其主要作用是保護天線系統免受外部環境的影響，延長整個系統的各部分壽命，保護天線表面和位置的精度。雷達夭線罩是提高綜合火控系統作戰能力的重要部件，而且提高雷達天線罩性能所付出的投資與提高雷達的性能相比，是事半功倍的工作。
本文研制的天線罩具有雙曲面和高性能的特點，特別是核心區電學性能要求高，有耐環境要求，外形和表面質量有嚴格要求，對天線罩的制造提出了一系列挑戰（主要是如何通過合理的鋪層設計達到高電性能的要求和實際制造過程中的可行性問題）。本文對該天線罩所用的材料體系、模具設計、下料設計、裝配工藝、成型工藝方案和制造技術進行系統研究，研制了滿足要求的蜂窩夾層結構雷達天線罩。該天線罩的罩體剖面為蜂窩夾層結構，如圖1所示。
2 天線罩材料體系和制造工藝
合適的天線罩材料體系為天線罩的研制提供了物質基礎和可能，而合理的制造工藝使這種可能成為現實。
2.1 天線罩所用的材料體系及工藝要求
天線罩所選用的材料體系如表1所示：
本天線罩要求嚴格保證天線罩核心區域的電性能（玻璃布不得有搭接）、外表面光滑、厚度均勻、NOMEX蜂窩與內外蒙皮膠接無脫粘。[-page-]
2.2 成型工藝流程
本雷達天線罩具體的工藝流程如圖2所示，其中模具的設計制造、內外蒙皮的下料和外蒙皮的裝配是關鍵工藝。
2.3 模具技術
模具技術是復合材料制造技術的重要內容，是保證復合材料質量的重要前提。復合材料成型模具主要有凹模和凸模等結構形式，其特點如表2所示。實際操作中具體選用哪種形式，主要決定于制品的外形、尺寸公差、表面質量和其他特殊的要求等。
本天線罩結構為蜂窩夾層結構，且在核心區有金屬網，金屬網位置要求非常嚴格。為了保證金屬網的定位，內蒙皮成型模具選用凸模。另外由于天線罩要求外蒙皮表面光滑，外蒙皮也需單獨成形，所以另外制造一外蒙皮模具?？紤]到零件的脫模比較困難，為此專門設計了脫模裝置。
需要指出的是，由于內外蒙皮分別成形，就涉及到外蒙皮的裝配問題，這個問題在后面專門討論。
2.4 內外蒙皮下料形狀的優化設計
天線罩核心區對電性能有嚴格要求，其它區域對電性能也有較嚴格要求。核心區和其它區域對電性能的要求轉化到實際的制造過程中就是對下料形式和鋪疊的嚴格要求。根據上述要求我們對下料形式提出如下要求：
(1)核心區的玻璃布必須為一整塊，不得有搭接行為。
(2)其它區域的搭接縫寬度盡量小。
(3)為了保證強度，蒙皮鋪層的搭接縫盡量避開。[-page-]
天線罩的一般下料形式和鋪疊后的效果如圖3所示?？梢钥闯?，常用的下料形式是保證不了核心區和其它區域嚴格的電性能要求。
分析可知，此雷達天線罩的核心區是雙曲面外形，從理論上來講是不能展開為平面的，但我們巧妙利用玻璃布的部分可延展性，再利用復合材料模擬軟件FiberSim的優化設計和仿真，設計出如下優化的下料形式，其鋪疊后的效果如圖4所示。可以優化設計的下料形式能夠完全滿足核心區和其它區域的設計要求。
比較上面兩種下料形式的鋪疊效果可以看出，優化的下料形式在核心區無搭接，而且核心區拼縫明顯少于一般的下料形式。另外，優化的下料形式比一般下料還具有以下優點：玻璃布的利用率從50%提高到80%、下料效率和鋪疊效率也有相應提高。
2.5 蜂窩夾芯與蒙皮的膠接成型工藝[-page-]
NOMEX蜂窩夾芯與蒙皮的膠接工藝，常采用兩種方法：二次成型和三次成型。二次成型是先將外蒙皮（或內蒙皮）在模具上裱糊成型后進行次固化，然后與蜂窩芯膠接，并在蜂窩芯子上裱糊內蒙皮（或外蒙皮），再進行第二次固化；三次成型是將外蒙皮在模具上裱糊后固化，然后將蜂窩芯子膠接在外蒙皮上進行第二次固化，后在蜂窩芯子上裱糊內蒙皮，并進行第三次固化。實踐證明，三次成型的質量要比二次成型質量要好，但生產周期長，成本高。不論是二次成型還是三次成型，都不熊同時保證內外蒙皮表面的光滑。
本研究中，由于有內、外蒙皮兩個模具，內、外蒙皮可以分別鋪疊固化，有效地保證了內、外蒙皮表面質量和厚度，而且不增加制造成本，然后在內蒙皮上鋪放膠膜和NOMEX蜂窩進行預粘，再鋪放膠膜，裝配外蒙皮，終固化。采用這樣的膠接工藝，有利于固化時低分子揮發份的排除，夾層內的成型質量也容易檢查，缺陷也能及時排除，保證了內、外蒙皮和蜂窩的膠接質量。
2.6 外蒙皮裝配工藝
上面所說的二次成型和三次成型法中不存在外蒙皮（或內蒙皮）的裝配問題，因為外蒙皮（或內蒙皮）在蜂窩上直接裱糊。而采用凸模成形，又要求外表面光滑，外蒙皮的裝配就成了非常困難的關鍵工序。因為蜂窩夾層結構的蒙皮一般都很薄，外蒙皮的剛度很小，膠膜又很粘，在裝配過程中，蒙皮極易和膠膜粘在一起，無法保證裝配到位，引起蒙皮和蜂窩芯脫粘，導致整個產品的報廢。裝配工序是蜂窩夾層結構制造過程中的一個基礎的重要工序。如果裝配工序處理不好，就會面對由天氣決定是否制造的尷尬局面（一般在零下溫度時，膠膜不太粘，裝配的問題不大）。
我們巧妙改進裝配工藝，有效解決了這個基礎問題，在以后的制造過程中，未出現由外蒙皮裝配而引起的問題。
3 檢測結果與結論
對成型后的天線罩進行了一系列測試，主要包括核心區和其它區域電性能測試、基本力學性能測試、罩體厚度、無損檢測、表面質量等。各項指標均達到相關的技術標準。
本文選用玻璃布／中溫改性環氧、膠膜和NRH系列NOMEX蜂窩夾芯體系，采用雙凸模固化成型，通過FiberSim軟件優化設計下料形式，采用創新的裝配手段，合理的膠接和固化工藝，研制出完全滿足設計要求的高性能的雷達天線罩。
