劉斯飛,劉玉營,徐俊仕

（1.空裝駐深圳地區(qū)軍事代表室，廣東 深圳，518000；2.空裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024)

0 引言

隨著新一代武器裝備隱身指標(biāo)的不斷提升，傳統(tǒng)天線方案已無法滿足整體要求，超材料共形天線逐漸成為新一代裝備的設(shè)計(jì)首選。以某型飛機(jī)的超短波天線為例，因天線罩與天線采用了傳統(tǒng)的分離式設(shè)計(jì)，天線受天線罩結(jié)構(gòu)支撐件和飛機(jī)結(jié)構(gòu)件遮擋等因素影響，飛機(jī)飛行中出現(xiàn)了超短波通信距離不足、機(jī)動(dòng)或轉(zhuǎn)彎時(shí)超短波通訊不暢等問題。為有效解決上述問題，最終采用一體化設(shè)計(jì)思路，將天線與天線罩進(jìn)行整合，形成功能及結(jié)構(gòu)一體化天線（以下簡(jiǎn)稱“一體化天線”），這樣不僅能減重、便于維護(hù)，而且可以進(jìn)一步提高天線的電性能和隱身性能。區(qū)別于傳統(tǒng)天線，共形天線既是天線又是必須承受一定載荷的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，作為垂尾的組成部分，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響裝備安全。

某型一體化天線靜力試驗(yàn)件按試驗(yàn)大綱開展靜力試驗(yàn)時(shí)，首先開展預(yù)試，應(yīng)變及位移數(shù)據(jù)線性度和重合性較高，結(jié)果符合預(yù)期。接著開展100%限制載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)也未出現(xiàn)異常。最后進(jìn)行115%限制載荷試驗(yàn)，在加載到105%限制載荷時(shí)，試驗(yàn)件出現(xiàn)響聲，繼續(xù)加載到115%限制載荷后卸載時(shí)，在第二、第三載荷區(qū)的拉伸一側(cè)，目視發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)件單側(cè)面板表面異常鼓起，且應(yīng)變片的應(yīng)變數(shù)據(jù)跳動(dòng)劇烈，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)，該型一體化天線靜力試驗(yàn)失敗，試驗(yàn)中止。

1 產(chǎn)品組成

一體化天線產(chǎn)品由翼尖罩、天線組件等組成，如圖1所示。翼尖罩由蒙皮、中間填充芯材、賦形反射板、端蓋、邊條組成；天線組件由天線輻射體和金屬底座構(gòu)成。翼尖罩、天線輻射體及金屬底座背板采用共固化一體成型。

圖1 一體化天線產(chǎn)品爆炸圖

一體化天線產(chǎn)品蒙皮包含外面板、外側(cè)芯材、內(nèi)側(cè)芯材及內(nèi)面板，由氰酸酯石英纖維預(yù)浸料內(nèi)、外面板，PMI泡沫和透波蜂窩組成，結(jié)構(gòu)形式為夾層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 外面板（左）及內(nèi)面板（右）

端蓋采用氰酸酯石英纖維預(yù)浸料熱壓罐固化成型；端蓋墊塊及邊條采用氰酸酯石英纖維RTM固化成型；前、后端賦形反射板采用雙馬碳纖維預(yù)浸料熱壓罐固化成型；天線輻射體采用氰酸酯石英纖維預(yù)浸料+金屬微結(jié)構(gòu)+氰酸酯石英纖維預(yù)浸料熱壓罐固化成型；天線底座采用鋁合金機(jī)加成型，天線輻射體固化后與金屬底座背板膠鉚連接，如圖3所示。

圖3 天線輻射體與天線底座背板連接方式

一體化天線產(chǎn)品的填充芯材采用PMI泡沫和透波蜂窩，按特定數(shù)模外形機(jī)加成型。端蓋主體、端蓋墊塊、邊條、賦形反射板均預(yù)先固化成型，天線輻射體先固化成型并與天線底座背板膠鉚連接后再放入整體鋪貼模具面上鋪貼蒙皮，最終共固化成型。

2 表面鼓起原因分析

2.1 故障件拆解檢查

經(jīng)檢查試驗(yàn)件外觀，敲擊表面產(chǎn)生聲響以及從試驗(yàn)單位帶回的試驗(yàn)件視頻資料，確定了一體化天線脫粘的大致位置，并劃線進(jìn)行拆解。進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)天線基座單側(cè)與面板之間存在縫隙，另一側(cè)面板則處于正常膠接狀態(tài)。

為查明問題部位，將靜力試驗(yàn)故障件按照確定的切割線路（紙膠帶內(nèi)邊緣線）進(jìn)行切割，拆解檢查，發(fā)現(xiàn)靜力試驗(yàn)件的面板距離最底部蜂窩30mm處及以上，面板與蜂窩脫粘。剝離試驗(yàn)件脫粘部分面板，可見面板與蜂窩間并未形成良好的膠接界面，蜂窩夾芯邊緣膠層狀態(tài)較差，未形成正常狀態(tài)的膠接膠瘤，且面板一側(cè)存在疏松分層現(xiàn)象，面板與蜂窩芯材膠接強(qiáng)度低。

2.2 故障樹分析

以一體化天線靜力試驗(yàn)件面板表面鼓起異常為頂事件，從設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)等各環(huán)節(jié)，通過對(duì)可能原因建立故障樹逐一分析，具體如下：

經(jīng)分析，可以排除試驗(yàn)及設(shè)計(jì)問題，重點(diǎn)集中在制造工藝上。該型一體化天線成型工藝采用先單獨(dú)成型反射板、端蓋、天線輻射體以及后邊條等復(fù)材零件，蜂窩及泡沫芯材采用數(shù)控機(jī)床機(jī)加，再將已成型的多個(gè)零件與未固化的蒙皮在主成型工裝上組裝鋪貼，最終熱壓罐共固化成型。經(jīng)物料復(fù)驗(yàn)、設(shè)備復(fù)查以及人員能力核實(shí)，最終確認(rèn)問題最大可能發(fā)生在成型工藝及環(huán)境控制方面。

該故障天線產(chǎn)品蒙皮預(yù)浸料鋪貼及蜂窩組裝過程均在潔凈間內(nèi)進(jìn)行，潔凈間的溫度在18℃～26℃，相對(duì)濕度不大于65%，大于10μm的灰塵粒子不超過10個(gè)/升，操作環(huán)境滿足HB5342《復(fù)合材料航空制件工藝質(zhì)量控制》對(duì)潔凈間的環(huán)境要求。蜂窩使用前按照工藝規(guī)程的芯材干燥參數(shù)在烘箱內(nèi)干燥（干燥參數(shù)為120℃/3h），干燥完成后轉(zhuǎn)入潔凈間，在4～6小時(shí)內(nèi)完成蜂窩、輻射體天線及結(jié)構(gòu)膠膜的組裝，并開始鋪貼外側(cè)蒙皮。

在S型件研制過程中，經(jīng)工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該款密度為128kg/m3，厚度為30～60mm的芳綸紙蜂窩在潔凈間濕度為50%時(shí)，為每小時(shí)增重約0.3%，且在烘干后的8h內(nèi)增重極為迅速。整件蜂窩芯材干燥前后的失重率為3.6%～4%。蜂窩芯材的組裝在工藝窗口（4～6h）內(nèi)吸濕約為1.2～1.8%，絕對(duì)吸濕量約為27～40g。制件鋪貼完成后在熱壓罐固化過程中，蜂窩吸收帶入到孔格內(nèi)的水汽所形成的高溫蒸汽可能對(duì)氰酸酯面板及膠接面造成負(fù)面影響，從而使得蒙皮與蜂窩膠接面在未達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的條件時(shí)脫粘失效。另外，在實(shí)際制造過程中，隨爐件蜂窩芯材（平板件）的操作時(shí)間相對(duì)于整件蜂窩組裝的操作時(shí)間短，隨爐件的蜂窩芯材吸濕量（絕對(duì)含水量）較低，這可能導(dǎo)致隨爐件的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果與整件的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果不一致。

2.3 問題定位

該型一體化天線使用的面板材料KC372中主要成分為氰酸酯樹脂和石英纖維，蜂窩為密度128kg/m3的高密度芳綸紙蜂窩，面板與蜂窩膠接質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的強(qiáng)度性能。通過故障樹分析排查，膠接過程中蜂窩吸收帶入到孔格內(nèi)的水汽所形成的高溫蒸汽是影響膠接質(zhì)量的最可能原因。

2.4 機(jī)理分析

膠粘劑完全浸潤被粘物是獲得高強(qiáng)度膠接接頭的必要條件。如果浸潤不完全，就會(huì)產(chǎn)生膠層缺膠，導(dǎo)致膠接強(qiáng)度下降。使用氰酸酯膠膜膠接芳綸紙蜂窩過程中，蜂窩內(nèi)含有的大量水分隨著固化溫度的升高而逐漸氣化，可能會(huì)在蜂窩表面形成一層水膜，阻礙了氰酸酯膠粘劑對(duì)蜂窩待粘接面的浸潤。

該型一體化天線在結(jié)構(gòu)選材設(shè)計(jì)時(shí)，需要主體結(jié)構(gòu)材料具有良好的介電性能、強(qiáng)度性能及耐環(huán)境性能，因此選擇了氰酸酯體系的蒙皮及結(jié)構(gòu)膠膜。由于濕氣對(duì)氰酸酯體系膠膜蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的膠接性能存在較大影響，選型時(shí)著重考慮材料的吸濕性能，而未固化的預(yù)浸料及膠膜在潔凈間溫濕度控制條件下基本不吸濕，因此蜂窩夾芯的烘干溫度不合理及工藝窗口時(shí)間長(zhǎng)就成為導(dǎo)致此次脫膠問題的主要因素。

2.5 問題復(fù)現(xiàn)

軍代表室組織人員進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)。為模擬天線的浸潤效果，將隨爐件的厚度加大到60mm，試驗(yàn)過程保持與故障天線實(shí)際生產(chǎn)一致的過程控制參數(shù)，以模擬靜力試驗(yàn)件在制造過程中的狀態(tài)。隨后通過對(duì)隨爐件開展力學(xué)試驗(yàn)，產(chǎn)生的故障現(xiàn)象與靜力試驗(yàn)件情況基本一致。

3 解決措施

3.1 控制環(huán)境濕度

嚴(yán)格控制環(huán)境濕度，在30%以下，從而控制蜂窩芯材的吸濕速率。

3.2 優(yōu)化組裝工藝流程

在蜂窩干燥前進(jìn)行輻射體的預(yù)組裝，對(duì)輻射體進(jìn)行適當(dāng)修形，同時(shí)在組裝前裁剪好需要鋪貼的發(fā)泡膠及膠膜，進(jìn)一步縮短蜂窩的校驗(yàn)及輻射體的鋪放時(shí)間，將蜂窩芯材的外置暴露時(shí)間控制在120min以內(nèi)。

3.3 加強(qiáng)隨爐件考核

重新研究制定隨爐件考核方法，將A夾層隨爐件的蜂窩厚度更改為60mm，模擬整件厚度最厚的A夾層區(qū)域面板與蜂窩膠接情況。

3.4 減少芯材含水量

提升蜂窩芯材烘干溫度，將蜂窩芯材烘干的溫度由120℃提升至150℃，保溫時(shí)間維持3h不變。

4 結(jié)語

超材料一體化天線是新一代飛機(jī)天線設(shè)計(jì)方案首選，融合了傳統(tǒng)天線、超材料、復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)等多學(xué)科知識(shí)，影響因素多，故障定位難。此次一體化天線異常鼓起問題的原因分析、故障定位、機(jī)理研究等分析解決過程，可供類似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品借鑒。一系列的工藝優(yōu)化措施，大大提高了一體化共形天線質(zhì)量，確保了一體化天線裝機(jī)安全，同時(shí)對(duì)類似產(chǎn)品的工藝方案設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用。在目前航空產(chǎn)業(yè)大量使用復(fù)合材料的背景下，為如何加強(qiáng)復(fù)材制造過程的環(huán)境控制，提升制造質(zhì)量，減少或杜絕復(fù)合材料分層脫膠等質(zhì)量問題的發(fā)生提供了參考。