碳纤维空间相机遮光罩的成型工艺

  遮光罩是空间相机光学系统的重要组成部分,它可提供对来自太阳、月亮或反射太阳光的地球的杂散光的直观而有效的抑制。空间相机的遮光罩直接暴露在太空中,空间环境条件非常苛刻;在相机运输及火箭发射的过程中,遮光罩的力学环境(如静力过载、动载荷冲击、随机振动)也非常苛刻。苛刻的环境对遮光罩提出了多方面的要求,不仅要求其具有足够的强度和刚度,还必须有非常高的可靠性。高的可靠性从某种角度上而言将导致外遮光罩质量的增加,而这与运载和发射费用相矛盾。因此,在同时满足强度和刚度的前提下减轻遮光罩的质量,是外遮光罩研制的主要考虑方向。

  目前,国内在设计和制造碳纤维复合材料相机遮光罩时,通常分别机械加工铝合金挡光环和热压罐成型固化复合材料遮光罩罩体,然后将罩体和挡光环进行柳接,这种方式通常造成挡光环间距、挡光环的平行度无法满足高分辨率空间相机使用要求。

  碳纤维复合材料热压罐成型技术固化温度高、成型压力大,构件在成型过程中对加热和冷却时间均需要严格控制,一般采用金属工装,主要材料有铝、钢、殷钢等,殷钢的热膨胀系数最接近碳纤维复合材料的热膨胀系数,但由于外遮光罩的内部挡光环选用了铝合金材料,且从固化过程中挡光环与基准点的同轴度方面考虑,需要选择一种和铝合金挡光环热膨胀系数相同或接近的材料来制造工装,从而选择铝模具较为合适。

  铝制工装的密度仅为同体积钢模具或殷钢模具的1/3左右,其具有重量轻、材料易得、价格便宜等优点,同时相对于钢模具和殷钢模具,选用铝模具,便于工人装配、拆卸和搬运工装。

  本项技术采用周向抱合式组合模具,使用共固化成型工艺,解决了遮光罩罩体和铝合金挡光环连接时容易形成间隙,位置精度难以保证,零件之间的连接强度不高,保证了产品强度、刚度和精度,提高了产品的性能。金属挡光环嵌入罩体内部,采用碳纤维复合材料罩体/挡光环的热压罐共固化成型。

  遮光罩在固化过程中,为了解决零件面层由于密实度不均匀而出现的无损缺陷和罩筒变形问题,在罩筒外表面制作一个带排气孔的软模工艺匀压板,工艺匀压板可起到均匀传递压力的作用,确保罩体受压均匀、厚度一致、表面平整。

  遮光罩进行高温时效和室温时效复合材料在制作过程中,材料受外力作用而使内部分子相对位置发生变化引起内力发生改变,产生附加应力。这种应力会使遮光罩发生变形,影响遮光罩的尺寸精度。高温时效和室温时效的目的是为了让树脂体系完全固化,使遮光罩内应力在人为模拟环境下进行释放,减小遮光罩在空间环境下的变形。高温时效是将遮光罩在较低的升降温速率和真空环境下,进行高低温交替变化的锯齿时效。窒温时效是将遮光罩在室温条件下进行时效。