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高模碳纤维在卫星天线上的应用
发布日期:2019-07-15  来源:中科院宁波材料所特种纤维事业部  浏览次数:329
 
  维为导电材料,在一定的频率范围内,其自身能够完成天线的电磁波反射和接受功能,尤其是需要指出的是,随着碳纤维石墨化程度的提高,碳纤维导电性能也显著增加,高模量碳纤维在导电性能上基本接近金属的导电性能。因此,高模量碳纤维制做天线完全可以满足卫星天线电性能指标。
 

 
  卫星天线
 
  天线是任何卫星都不可缺少的星载设备,它一般均安装于卫星外表面,当观察一颗卫星时,天线往往是最容易看到的部分,不同用途的卫星通常需要不同用途的天线,即便同一颗卫星,为了完成不同的功能要求,往往需要多种天线,如美国ACTS卫星(下图所示)上包含着各种用途的反射天线、接收天线、遥控天线和 C 波段全向天线等。
 
  ▲ 美国ACTS卫星
 
  卫星天线反射器按结构分为抛物面反射器和喇叭反射器。对于卫星上大型抛物面天线要求具有高精度的外形,在温度急剧变化的空间环境中仍然能够保持稳定的外形,这就需要采用线膨胀系数极小的材料,即具有较好的热稳定性。碳纤维热膨胀系数低,并且随着纤维拉伸模量的增加,纤维热膨胀系数会出现负值。
 
  基于低膨胀的性能特点,在天线成型过程中通过复合材料内碳纤维铺层设计,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。
 

 
  与此同时,高模量碳纤维具有优异导电性,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。因此用高模量碳纤维复合材料制作的天线不仅能保证天线的电性能,而且兼具轻质高强、高抗冲击振动能力特点,能承受高低温循环、热真空等严酷的环境试验的考核,使其成为星载天线的首选材料。
 
复合材料卫星天线优势
 
  1、高模量碳纤维复合材料天线性能:
 
  (1)高模量碳纤维复合材料天线的质量比铝合金天线降低50%,机械性能优于铝合金天线;
 
  (2)高模量碳纤维复合材料天线的电性能达到或接近铝合金天线的技术指标;
 
  (3)高模量碳纤维复合材料天线能够承受振动 、加速度 、冲击 、高低温循环 、热真空等环境试验的技术指标;
 
  (4)高模量碳纤维复合材料天线热膨胀系数小,在太空昼夜温差较大环境中可实现零变形,保证天线高精度。



  2、实例分析:
 
  日本东丽M60J 级碳纤维拉伸模量较高达到588GPa,但是拉伸强度仅为3.82GPa;T700级碳纤维的拉伸强度较高达到4.90GPa,但是模量仅为230GPa,所以选取M60J来制作复合材料天线内表面导电层,选取T700做为天线的增强层。
 
  在提高天线的可靠性方面,采取喇叭体、安装法兰和脊体整体铺层连接,铺层方式按[0°/90°] 正交铺设,成型方式采取热压罐成型,制备成复合材料天线与铝合金天线对比如下表1所示。相比较铝合金材料,碳纤维复合材料在减重60%基础上,各项力学性能均优于铝合金。
 
 
▼ 表1 铝合金和碳纤维复合材料性能对比

  卫星天线关键指标
 
  卫星天线在电性能方面有两个重要的技术指标:一是电压驻波比(VSWR),另外一个是天线增益。
 
  天线的驻波比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。
 
  从表2不同材质电压驻波比可以看出,M40J、M55J、M60J碳纤维拉伸模量分别为377GPa、540GPa、588GPa,碳纤维拉伸模量越高,天线驻波比越低。研究表明,碳纤维复合材料天线增益也与的碳纤维模量密切相关,碳纤维的模量越高, 天线增益越高,最终天线的电性能也越好。
 
  ▼ 表2 不同材质天线的电压驻波比


 
 
  碳纤维复合材料卫星天线应用
 
  在上世纪70年代初期,纤维增强复合材料用于制造航天器天线,纤维增强复合材料在国际通信卫星5号上用得最多 , 包括天线 、天线馈源 、波导 、天线支架、多路调节器等300多个,由于当时MJ系列碳纤维尚未研发成功,因此多以凯夫拉纤维、中模碳纤维复合材料为主。如表3中RCA通信卫星也部分采用了凯夫拉纤维。
 
  ▼ 表3 碳纤维复合材料在国外卫星天线上应用

  随后,由于高性能碳纤维不断优化,尤其是兼具高强度高模量MJ系列碳纤维研发成功,卫星天线用复合材料增强纤维逐渐从从凯夫拉纤维、中模碳纤维转变成了高模碳纤维,目前几乎所有卫星天线均采用了高模量碳纤维。
 
 
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