空间超高频遥感反射器热变形优化和复合材料零膨胀设计

摘要

随着空间遥感技术在军事、气象、环境、城规等领域的应用越来越广泛，人类对于微波遥感器的工作频段要求也越来越高。因此研究工作频率在几百GHz以上的空间超高频遥感反射器具有非常重要的意义。型面精度是超高频遥感反射器的一个关键指标，对于工作频率为600GHz的超高频遥感反射器，其在轨热变形RMS值应不超过10μm。
　　首先，为了使反射器达到高精度、轻量化的标准，本文创新性地提出一种反射器结构形式——单蒙皮栅格加强结构。该结构既能兼顾传统的双蒙皮栅格加强结构高精度的优点，又能减少一半蒙皮的质量，达到轻量化设计的目的。
　　然后，为了降低反射器的热变形，本文建立一口径为1.82米的反射器有限元模型，对反射器进行热变形分析，研究了反射器的不同结构参数对反射面热变形RMS值的影响，并以低热变形、低质量为优化目标对反射器的主要结构参数进行了优化。主要结构参数包括反射器的铺层角度及层数、背筋的高度、背筋的铺层角度及层数等。优化结果说明在保证反射器总质量满足要求的前提下，反射器不能仅通过结构优化而达到精度要求，所以要考虑降低材料本身的热膨胀系数。
　　为此，本文首次提出、设计并制备了一种由碳纤维环氧复合材料与Kevlar织布混杂成型的零膨胀材料。该材料具有热膨胀系数CTE≤0.5×10-7/℃的特性。本文详细介绍了零膨胀材料的设计理论、设计方案、计算机仿真模型验证方法及加工工艺。最后通过有限元仿真分析证明，将该零膨胀材料应用于反射器的蒙皮和栅格，可以有效降低反射器的热变形和质量，使其达到600GHz超高频遥感反射器的设计指标。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 超高频遥感反射器研究现状

1．2 超高频遥感反射器结构形式

1．2．1 蜂窝夹层反射器

1．2．2 超轻型薄蒙皮反射器

1．2．3 栅格加强反射器

1．3 空间超高频遥感反射器设计指标

1．4 本文的研究意义和主要工作

第2章 空间超高频遥感反射器热变形优化

2．1 反射器的结构与有限元模型

2．1．1 反射器结构

2．1．2 有限元网格划分

2．1．3 约束与载荷

2．1．4 材料参数

2．2 反射面铺层角度优化

2．2．1 参数设置

2．2．2 分析与结论

2．3 反射面厚度优化

2．3．1 参数设置

2．3．2 分析与结论

2．4 加强筋铺层角度优化

2．4．1 参数设置

2．4．2 分析与结论——对称铺层

2．4．3 分析与结论——非对称铺层

2．5 加强筋厚度优化

2．5．1 参数设置

2．5．2 分析与结论

2．6 加强筋高度优化

2．6．1 参数设置

2．6．2 分析与结论

2．7 本章小结

第3章 零膨胀复合材料设计理论

3．1 基于碳纤维复合材料混杂Kevlar织布的零膨胀设计

3．1．1 单向复合材料应力-应变关系

3．1．2 一般层合板应力-应变关系

3．1．3 特殊层合板应力-应交关系

3．1．4 准各向同性层合板的参数等效

3．1．5 零膨胀材料设计

3．2 基于调整碳纤维复合材料中纤维树脂比例的零膨胀设计

3．2．1 复合材料微观力学基本理论

3．2．2 零膨胀材料设计

3．3 本章小结

第4章 零膨胀复合材料制备

4．1 M40J(3k)／wp-s3000环氧树脂单向板制备

4．2 M40J(3k)／wp-s3000环氧树脂单向板性能测试

4．3 树脂基复合材料成型工艺

4．3．1 铺层设计

4．3．2 材料准备

4．3．3 铺层工艺

4．3．4 热压罐参数

4．3．5 零膨胀材料成品

4．4 本章小结

第5章 基于零膨胀材料的超高频遥感反射器设计

5．1 热变形分析

5．2 模态分析

5．3 基于零膨胀材料的超商频遥感反射器指标

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文研究成果

6．2 进一步的研究工作

参考文献

作者简历