一种基于形状记忆聚合物的可充气展开天线反射面及其反射表面片、蒙皮的制作方法

摘要

一种基于形状记忆聚合物的可充气展开天线反射面及其反射表面片、蒙皮的制作方法，涉及一种天线反射面及其反射表面片、蒙皮的制作方法，它解决了现有的可展开固体表面天线反射面折叠不方便的问题。它由反射表面体、第一环向气囊、第二环向气囊、径向气囊和蒙皮组成，在反射表面体的凸抛物面的上边缘及下边缘处分别固定连接有第一环向气囊和第二环向气囊，反射表面体的凸抛物面上均匀设置有圆周方向排列的N个径向气囊，在反射表面体的凸抛物面上覆盖有蒙皮；所述的反射表面片使用形状记忆聚合物材料涂敷纤维增强材料上；所述的蒙皮将形状记忆聚合物材料涂敷在柔性材料上。本发明所述的天线反射面能够进行方便的收缩及展开，用于航天通讯。

说明书

技术领域

本发明涉及到一种天线反射面及其反射表面片、蒙皮的制作方法，属于航天技术领域。

背景技术

现有航天技术领域中，由于航天运载飞行器的空间限制，航天天线反射器在发射前必须折叠，当在轨工作时需自动展开，由于航天运载飞行器的载重受到限制，航天天线反射器必须尽可能的降低其重量，另外，还应保证天线反射器高可靠性等性能。随着航天技术、卫星通信、射电天文以及雷达技术的快速发展，航天天线反射器逐步向小体积、轻质、高性能的可展开方向发展。

近几年来，智能材料的迅猛发展为可展开天线反射面提供了广阔的发展空间。形状记忆聚合物是智能材料的一种，其具有如下特性：当对其加热至材料相变温度时，形状记忆聚合物模量大幅度下降，并展现形状记忆效应。基于此种材料制成的可展开天线反射面，可通过温度的改变控制其模量，进而该材料形状改变。天线反射面充气变形前，将天线反射发射面升温至玻璃化转变温度以上，天线反射面模量降低，利于天线反射面的充气可展开变形。变形之后，将天线反射发射面降温至形状记忆材料的玻璃化转变温度以下，天线反射面自身模量上升，天线反射面的强度与刚度增大，提高天线反射面稳定性与可靠性。

在中国专利200710072028.6中提出了一种可展开固体表面天线反射面，所述的可展开天线反射面采用形状记忆聚合物材料作为展开驱动和刚性支撑的环向加强件和纵向加强件，能够根据加热的温度，控制形状记忆聚合物材料的形态。但是，环向加强件和纵向加强件采用机械驱动的方式驱动反射表面，存在着可展开天线反射面折叠不方便的缺陷。

发明内容

本发明为了解决现有的可展开固体表面天线反射面折叠不方便的问题，提供了一种基于形状记忆聚合物的可充气展开天线反射面及其反射表面片、蒙皮的制作方法。

本发明由反射表面体、第一环向气囊、第二环向气囊、径向气囊和蒙皮组成，所述的反射表面体是一个由N片相同的反射表面片拼接而成的、底部置有圆形开口的环形抛物面体，每片反射表面片均为扇环状曲面瓣，在反射表面体的凸抛物面的上边缘处固定连接有第一环向气囊，在反射表面体的凸抛物面的下边缘处固定连接有第二环向气囊，第一环向气囊与第二环向气囊之间的反射表面体的凸抛物面上均匀设置有圆周方向排列的N个径向气囊，在反射表面体的凸抛物面上覆盖有蒙皮，其中，N为大于或等于4的偶数，所述的反射表面体及蒙皮由形状记忆材料制成。

用于一种基于形状记忆聚合物的可充气展开天线反射面的反射表面片的制作方法：

所述的反射表面片的制作过程为：

步骤一、设计模具：根据反射表面体的环形抛物面体的形状及其内径大小设计用于制作反射表面片的闭合模具；

步骤二、配制形状记忆聚合物材料：将固化剂和高分子聚合物按1～5：28的质量比配成形状记忆聚合物材料；

步骤三、使用形状记忆聚合物材料涂敷纤维增强材料：将步骤二中获得的形状记忆聚合物材料与纤维增强材料按0.67～99：1的质量比称取，将所述的形状记忆聚合物材料分别涂敷在纤维增强材料的上、下表面上；

步骤四、灌模：将步骤三中获得的上、下表面均涂敷有形状记忆聚合物材料的纤维增强材料置于步骤一中设计的闭合模具内，使用形状记忆聚合物材料将闭合模具内的空隙填充灌满，形成未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯；

步骤五、固化：将步骤四中所述的内部填充有未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯的闭合模具放置在加热箱内加热，加热温度为70～100℃，加热时间为16～24小时；

步骤六、脱模：从加热箱中取出步骤五中所述的闭合模具，对所述的闭合模具进行脱模处理后，得到以纤维增强形状记忆聚合物为材料的反射表面片。

用于一种基于形状记忆聚合物的可充气展开天线反射面的蒙皮的制作方法：

所述的蒙皮的制作过程为：

步骤一、设计模具：根据蒙皮的环形抛物面体的形状及其内径大小设计用于制作蒙皮的闭合模具；

步骤二、配制形状记忆聚合物材料：将固化剂和高分子聚合物按1～5：28的质量比配成形状记忆聚合物材料；

步骤三、使用形状记忆聚合物材料涂敷柔性材料：将步骤二中获得的形状记忆聚合物材料与柔性材料按0.67～99：1的质量比称取，将所述的形状记忆聚合物材料分别涂敷在柔性材料的上、下表面上；

步骤四、灌模：将步骤三中获得的上、下表面均涂敷有形状记忆聚合物材料的柔性材料置于步骤一中设计的闭合模具内，使用形状记忆聚合物材料将闭合模具内的空隙填充灌满，形成未固化的柔性形状记忆聚合物毛坯；

步骤五、固化：将步骤四中所述的内部填充有未固化的柔性状记忆聚合物毛坯的闭合模具放置在加热箱内加热，加热温度为70～100℃，加热时间为16～24小时；

步骤六、脱模：从加热箱中取出步骤五中所述的闭合模具，对所述的闭合模具进行脱模处理后，得到以柔性形状记忆聚合物为材料的蒙皮。

收缩变形过程：在航天飞行器发射前，将第一环向气囊、第二环向气囊及径向气囊中气体放空，对本发明所述的基于形状记忆聚合物的可充气展开天线反射面通电加热至形状记忆材料的玻璃化转变温度以上，此时在外力的作用下，将可展开天线反射面约束变形至设计要求的皱褶数和收缩口径，反射表面体收缩折叠成伞型皱褶状结构；在保持外界约束不变的条件下，将本实施方式所述的天线反射表面体降温至形状记忆材料的玻璃化转变温度以下，其弹性模量上升、材料硬化，撤去外界约束，可展开天线反射表面体1形状固定，将折叠收缩状态的可展开天线反射器固定于航天飞行器中；

展开变形过程：在航天飞行器在轨飞行后，对本发明所述的基于形状记忆聚合物的可充气展开天线反射面通电加热，当反射表面体温度达到玻璃化转变温度以上时对气囊进行充气，驱动本发明所述的天线反射面变形回复至展开状态，将本实施方式所述的天线反射表面体降温至形状记忆材料的玻璃化转变温度以下，其弹性模量上升、材料硬化，可展开天线反射器实现展开并进入工作状态。

本发明具有以下优势：

1、使用相对于传统金属重量更轻的气囊作为展开驱动和刚性支撑装置，既降低了天线的重量，又保证了天线的刚度要求和稳定性要求。采用气囊实现天线反射面展开的这一过程，输出展开力能满足系统要求，展开运动过程平缓、方便。在天线反射面展开后，气囊对结构起到刚性支撑作用，维持反射面的表面形状和整个系统的工作；

2、形状记忆材料的可充气展开天线反射面使得可展开天线反射器结构较为简单，系统结构和控制环节少，系统工作的可靠性高；

3、采用气囊作为天线反射面的刚性支撑，具有较大展开与收缩的体积比，展开程度更大；

4、采用形状记忆材料制作天线反射器的反射表面片和蒙皮能够通过温度的改变控制其模量，进而该材料形状改变，平稳、方便地实现了天线反射面的展开和收缩过程。

采用本发明所述的一种基于形状记忆聚合物的可充气展开天线反射面及其反射表面片、蒙皮的制作方法，获得的天线反射面结构简单，系统可靠性高，其反射面的展开程度更大。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；图2是反射表面体与反射表面片的结构关系图；图3是本发明的侧视图；图4是本发明折叠后的结构示意图；图5是具体实施方式五所述的反射表面片的制作流程图；图6是具体实施方式十一所述的蒙皮的制作流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图2、图3和图4具体说明本实施方式。一种基于形状记忆聚合物的可充气展开天线反射面，它由反射表面体1、第一环向气囊2、第二环向气囊3、径向气囊4和蒙皮5组成，所述的反射表面体1是一个由N片相同的反射表面片1-1拼接而成的、底部置有圆形开口的环形抛物面体，每片反射表面片1-1均为扇环状曲面瓣，在反射表面体1的凸抛物面的上边缘处固定连接有第一环向气囊2，在反射表面体1的凸抛物面的下边缘处固定连接有第二环向气囊3，第一环向气囊2与第二环向气囊3之间的反射表面体1的凸抛物面上均匀设置有圆周方向排列的N个径向气囊4，在反射表面体1的凸抛物面上覆盖有蒙皮5，其中，N为大于或等于4的偶数，所述的反射表面体1及蒙皮5由形状记忆材料制成。

将所述气囊与充气结构相连，本实施方式中第一环向气囊2及第二环向气囊3提供抛物线垂直方向的环向刚度，径向气囊4提供沿抛物线方向的径向刚度，第一环向气囊2、第二环向气囊3和径向气囊4实现对整个结构的刚性支撑。

收缩变形过程：在航天飞行器发射前，将第一环向气囊2、第二环向气囊3及径向气囊4中气体放空，对本发明所述的基于形状记忆聚合物的可充气展开天线反射面加热至形状记忆材料的玻璃化转变温度以上，此时在外力的作用下，将可展开天线反射面约束变形至设计要求的皱褶数和收缩口径，反射表面体1收缩折叠成伞型皱褶状结构；在保持外界约束不变的条件下，将本实施方式所述的天线反射表面体1降温至形状记忆材料的玻璃化转变温度以下，其弹性模量上升、材料硬化，撤去外界约束，可展开天线反射表面体1形状固定，将折叠收缩状态的可展开天线反射器固定于航天飞行器中；

展开变形过程：在航天飞行器在轨飞行后，对本发明所述的基于形状记忆聚合物的可充气展开天线反射面加热，当反射表面体1温度达到玻璃化转变温度以上时对气囊进行充气，驱动本发明所述的天线反射面变形回复至展开状态，将本实施方式所述的天线反射表面体1降温至形状记忆材料的玻璃化转变温度以下，其弹性模量上升、材料硬化，可展开天线反射器实现展开并进入工作状态。

本实施方式具有以下优势：

1、使用相对于传统金属重量更轻的气囊作为展开驱动和刚性支撑装置，既降低了天线的重量，又保证了天线的刚度要求和稳定性要求。采用气囊实现天线反射面展开的这一过程，输出展开力能满足系统要求，展开运动过程平缓、方便。在天线反射面展开后，气囊对结构起到刚性支撑作用，维持反射面的表面形状和整个系统的工作；

2、形状记忆材料的可充气展开天线反射面使得可展开天线反射器结构较为简单，系统结构和控制环节少，系统工作的可靠性高；

3.采用气囊作为天线反射面的刚性支撑，具有较大展开与收缩的体积比，展开程度更大。

具体实施方式二：下面结合图1、图3具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：所述的反射表面体1的厚度为0.02～40mm；反射表面体1的外半径为：0.5～60m;反射表面体1的内半径为：0.1～2m；反射表面体1的旋转抛物面的焦距与反射表面体1的旋转抛物面口径的比为0.025～2.5：1。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：反射表面片1-1、第一环向气囊2、第二环向气囊3、径向气囊4与蒙皮5之间采用粘接、机械连接或粘接与机械连接相结合的连接方式。

按照所设计的充气可展开天线反射面骨架结构，将封闭的第一环向气囊2、第二环向气囊3和N个径向气囊4依次放在N个反射表面片1-1的隔间中并固定，所述的气囊大小形状与二维反射面形状相称。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：所述的天线反射面展开时的加热方式为：电加热、蒸汽加热或者外太空辐射加热；天线反射面收缩时的加热方式为：电加热或者蒸汽加热。

本实施方式所述的反射表面体1采用上述加热方式以实现从折叠收缩状态到展开状态的运动。

具体实施方式五：下面结合图5具体说明本实施方式。用于具体实施方式一所述的一种基于形状记忆聚合物的可充气展开天线反射面的反射表面片的制作方法：

所述的反射表面片1-1的制作过程为：

步骤一、设计模具：根据反射表面体1的环形抛物面体的形状及其内径大小设计用于制作反射表面片1-1的闭合模具；

步骤二、配制形状记忆聚合物材料：将固化剂和高分子聚合物按1～5：28的质量比配成形状记忆聚合物材料；

步骤三、使用形状记忆聚合物材料涂敷纤维增强材料：将步骤二中获得的形状记忆聚合物材料与纤维增强材料按0.67～99：1的质量比称取，将所述的形状记忆聚合物材料分别涂敷在纤维增强材料的上、下表面上；

步骤四、灌模：将步骤三中获得的上、下表面均涂敷有形状记忆聚合物材料的纤维增强材料置于步骤一中设计的闭合模具内，使用形状记忆聚合物材料将闭合模具内的空隙填充灌满，形成未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯；

步骤五、固化：将步骤四中所述的内部填充有未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯的闭合模具放置在加热箱内加热，加热温度为70～100℃，加热时间为16～24小时；

步骤六、脱模：从加热箱中取出步骤五中所述的闭合模具，对所述的闭合模具进行脱模处理后，得到以纤维增强形状记忆聚合物为材料的反射表面片1-1。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五的不同之处在于：步骤二中所述高分子聚合物的材料为苯乙烯系形状记忆聚合物、环氧树脂系形状记忆聚合物、氰酸酯系形状记忆聚合物、形状记忆聚氨酯、形状记忆聚酯、形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆反式聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯中的一种或几种。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五的不同之处在于：步骤三中所述的纤维增强材料为石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、炭黑、石墨粉或碳纳米管中的一种或几种。

本实施方式所述的几种纤维增强材料具有比重小、强度高、模量高和耐腐蚀等特点。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五的不同之处在于：步骤五中还包括以下步骤，模具放置在加热箱内加热，在75℃下持续加热20小时。

采用本实施方式所述的方法对放置在加热箱中的模具进行加热固化处理得到的天线反射面。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五的不同之处在于：步骤五中还包括以下步骤，模具放置在加热箱内加热，在75℃条件下保持60分钟，再提高到100℃条件下保温30分钟，然后在75℃条件下保持24小时。

采用本实施方式所述的方法对放置在加热箱中的模具进行加热固化处理得到的天线反射面。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五的不同之处在于：步骤六中所述的纤维增强形状记忆聚合物的密度小于2g/cm³。

步骤六中将加热后固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯脱模，所述形状记忆聚合物占纤维增强形状记忆聚合物质量的40～99%，所述纤维增强材料占纤维增强形状记忆聚合物质量的1～60%。

具体实施方式十一：下面结合图6具体说明本实施方式。用于具体实施方式一所述的一种基于形状记忆聚合物的可充气展开天线反射面的蒙皮的制作方法：

所述的蒙皮5的制作过程为：

步骤一、设计模具：根据蒙皮5的环形抛物面体的形状及其内径大小设计用于制作蒙皮5的闭合模具；

步骤二、配制形状记忆聚合物材料：将固化剂和高分子聚合物按1～5：28的质量比配成形状记忆聚合物材料；

步骤三、使用形状记忆聚合物材料涂敷柔性材料：将步骤二中获得的形状记忆聚合物材料与柔性材料按0.67～99：1的质量比称取，将所述的形状记忆聚合物材料分别涂敷在柔性材料的上、下表面上；

步骤四、灌模：将步骤三中获得的上、下表面均涂敷有形状记忆聚合物材料的柔性材料置于步骤一中设计的闭合模具内，使用形状记忆聚合物材料将闭合模具内的空隙填充灌满，形成未固化的柔性形状记忆聚合物毛坯；

步骤五、固化：将步骤四中所述的内部填充有未固化的柔性状记忆聚合物毛坯的闭合模具放置在加热箱内加热，加热温度为70～100℃，加热时间为16～24小时；

步骤六、脱模：从加热箱中取出步骤五中所述的闭合模具，对所述的闭合模具进行脱模处理后，得到以柔性形状记忆聚合物为材料的蒙皮5。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十一的不同之处在于：步骤三中所述的柔性材料为硅橡胶制成的片状材料。