卫星金属网状天线的开发与制作.docx

目 录目 录 11 绪论 11.1 引言 11.2 卫星网状天线的性能要求及发展现状 11.2.1 卫星网状天线的性能要求 11.2.2 卫星网状天线的发展现状 21.3 本课题的研究目的和方法 32 经编网织物的结构设计及生产流程 42.1 金属原料选择及改进 42.1.1 金属原料选择 42.1.2 试验钼丝的改进 42.2 组织结构设计 52.2.1 经编网眼组织设计 62.2.2 经编网眼参数设计 72.3 并线的加工 82.3.1 并线原因 82.3.2 并线机器选择 92.3.3 并线工艺 102.4 整经 102.4.1 整经的重要性 102.4.2 整经机的优化设计 112.4.3 筒子架的优化设计 122.5 编织 142.5.1 经编机及送经机构的选择 142.5.2 经编机设备的优化改进 152.5.3 编织工艺 162.6 超声波整理 182.6.1 整理目的和方法 182.6.2 超声波清洗的原理和特点 183 钼丝金属网的性能分析 203.1 钼丝金属网的网眼规格 203.2 钼丝金属网的平方米克重 203.3 钼丝金属网的实际网眼密度 223.4 钼丝金属网的拉伸断裂性能 243.4.1金属网负荷与伸长曲线研究 253.4.2 金属网横向和纵向拉伸断裂性能比较 274 结论 29参考文献 32附录 34致谢 40译文及原文 41摘要 41目录 411 引言 412 扩展PO/周期矩阵法 423 数据分析-复杂编织 434 等效条宽 485 结论 51301 绪论1.1 引言空间技术的发展对卫星可展开天线赋予了越来越高的要求，星载可展开卫星天线可划分为网状反射面天线，板状反射面天线，膨胀式反射面天线和回转构造反射面天线四类，其中网状天线的反射面由于其结构简明，应用空间大，质量轻等特点在国内外广泛应用[1-2]。

特种金属丝网状结构是星载可展开卫星网状天线中的关键部分，而高频段使用的网状面料生产难度极大由于这种网面材料要有卓越的性能去满足苛刻的使用环境，所以其纱线原料、织物结构参数与生产工艺都有很高的要求，目前只有少数国家如美国，俄罗斯，日本等掌握其技术，所以实现其国产化刻不容缓国外主要使用不锈钢，钼，钨制成的超细金属丝织成的针织网孔布，经过镀金，镀镍等使之具备卫星网状天线要求的性能[3-4]同时作为可展开卫星网状天线的反射器，网面结构需要具备力学性能、微波电性能、物理化学性能以及尺寸结构等方面性能[4]，以经编工艺加工的网眼材料较为常见于是，使用金属丝制造经编网眼织物用于星载可展开卫星网状天线具有了实际意义1.2 卫星网状天线的性能要求及发展现状网状天线网面材料在安装在天线上之后，其将经历地面调试到空间运行一系列的使用过程，每个过程都会对网面材料提出了相应的性能要求，这些性能要求主要体现在力学性能、微波电性能、物理化学性能以及尺寸结构等方面卫星网状天线的研究主要在美国，日本，俄罗斯有所发展，主要体现在原材料，织物组织结构及加工工艺上进行改进和研究1.2.1 卫星网状天线的性能要求网面材料的力学性能主要取决于网面材料的编织工艺、组织结构以及纱线原料的性能。

在力学性能上，网面材料需要具有工作预紧力，多向弹性，拉伸断裂强度，可折叠行与抗皱性，抗蠕变性以及抗松散性弹力可以保证反射体在成型过程中能够通过一定的预紧力对网面的精度进行调整，并且要求各个方面上的弹性尽可能接近；拉伸断裂强度可以保证其可以承受各种外界作用力；可折叠性和抗皱性使得网面可以展开收拢自如并能够承受较大的挤压力；抗蠕变性可以保证反射体曲面精度的稳定；抗松散性则使得网面材料不会在破口处脱散网面材料的微波电学性能主要取决于网面材料的编织结构、网孔形状、网孔分布的均匀性、相邻纱线表面的接触特性以及纱线表面的微波电性能等因素， 要求网面材料的电波反射系数在90%以上网面材料的物理化学性能主要取决于纱线原料本身的性能，材料应具备很低的热膨胀系数和良好的抗紫外线辐射能力，以免在太空环境下及在强紫外线的长时间照射下产生较大的热变形[1]网面结构的单位面积重量应该尽可能的小 ，这样将有利于降低工作中的预紧力，以及减轻天线的重量网孔大小应在满足波的反射之外尽可能大，以降低网面的风阻系数，防止太空中高能带电粒子的高动能对网面材料产生损坏1.2.2 卫星网状天线的发展现状在国外，可展开网状天线反射体上的网面材料是由不锈钢、钼、钨制成的超细金属丝编织而成的经编网孔布，该丝网布表面镀镍或金，具有弹性和超薄超轻的特点，其外型和手感与女士尼龙长丝袜相接近。

如俄罗斯在S、L低频段使用的是由直径为0.05mm的合金钢丝编织而成的针织网孔布，表面镀镍，在Ku及以下频段使用的是由直径为0.025~0.03mm的钼丝编织而成的针织网孔布，网面镀金或镀镍；在更高频段上使用的是有直径0.015~0.02mm的钨丝编织而成的针织网，网面镀金日本的张力桁架的组成部件射频反射网为镀金钼丝网美国航空航天局研制出缠绕肋天线的反射面多采用镀金钼丝或者钢铍合金丝网美国近期计划建造反射器口径达35m的Ka频段(35GHz)地球同步轨道环境检测多普勒雷达，该雷达天线的反射器质量小于200kg[3,5-6]国外在天线反射面材料上采用的经编网格织物的结构有单梳的经缎、经绒组织；双梳的经平绒、经绒平、经缎绒和经缎组织等[7]，如图1-1和1-2[5]的高频网眼结构用于Ka波段，其网眼每英寸28个网孔，可接受20GHZ的高频波反射图1-1 高频网眼A图1-2 高频网眼B1.3 本课题的研究目的和方法本课题主要致力于研究空间卫星可展开天线的高频网面材料，该反射面材料要满足要求的力学性能、微波电性能、物理化学性能以及尺寸结构等，以实现重量轻、强度高、热膨胀小、可折叠性好，反射性能好等要求。

由于卫星网状天线对性能的要求较高，本课题针对其难点逐个攻破，通过经编工艺参数的选择和不同编织工艺对金属网最终性能的影响，经过一定的理论分析，寻求最优化的工艺途径，指导生产实践应用，早日实现其国有化本课题依据新产品研发的各个环节和流程，从原料的选择、组织结构的设计，纱线原料的加工、整经设备的选择和优化、编织机器的选择与优化、后整理、产品性能的测试与分析环节展开了实验和分析研究2 经编网织物的结构设计及生产流程2.1 金属原料选择及改进在进行经编网工艺设计前，首先要确定使用的是金属丝原料本实验的金属原料要满足要求的力学性能、微波电性能、物理化学性能以及尺寸结构等，所以选择的金属丝要具有重量轻、强度高、热膨胀小、可折叠性好，反射性能好的特点2.1.1 金属原料选择用于卫星网状天线的金属材料的直径通常为0.05mm-0.015mm之间， 许多金属材料都可以通过加工达到直径0.05mm以下，但是由于强度不足，长度不够或者耐空气腐蚀性较差等原因具有不可操作性目前只有不锈钢，钼，钨制成的超细金属丝满足这方面的要求由于不锈钢丝超细丝直径通常大于钼，钨，所以不锈钢丝经常用来做低频段大网孔只有钼、钨可以加工成直径更细(0.03~0.015mm)的超细丝，用于高频段天线网状结构[3]。

由于钼丝的密度是钨丝的二分之一，织物更加轻薄，形成的织物密度更小，所以最后选择钼丝作为原材料钼丝作为一种特殊的高性能金属纤维，具有高比强度、高比模量、高电导率，低热膨胀系数等一系列优异物理化学性能，已广泛应用于航空航天等高科技领域，尤其是镀金钼丝，一直是少数几个发达国家用于制造空间可展开网状天线反射体的关键材料之一2.1.2 试验钼丝的改进钼丝刚度大，断裂伸长率较低，弯曲性能较差，较难编织，不容易弯曲[8-9]为了解决这个问题，我们采用细度较大的钼丝，因为细度较大的纱线的比弯曲刚度较小，较易弯曲成圈，可以改善编织过程中弯曲应力对纤维的影响，减小纱线的抗弯模量但是由于越细的钼丝其强度和断裂伸长率也越低，所以可以通过对多根更细的钼丝进行并和，从而得到既具有足够的机械强度，又具有良好的柔性和弹性的经编用纱[10]，超细钼丝的并线过程在2.3小节中会有详细研究为了提高网面的电接触稳定性，使网面接触电阻尽可能小，我们给钼丝镀一层金，同时使织物的反射性能更加好镀金有两种方法，一种是对编织好的网布直接镀金，一种是对金属丝预先镀金再编织[3]，为了使镀金效果更佳，我们选择对金属丝预先镀金再编织的方法由于国内可以生产这种超细钼丝的厂家不多，本实验最后选择的镀金钼丝由成都虹波实业股份有限公司生产制造，经测试，其直径为0.017mm，包括镀金层0.03mm，抗拉强度大于1511N/mm2，延伸率大于1.2%。

2.2 组织结构设计针织物包括经编织物与纬编织物，经编工艺是一组或几组平行排列的纱线由经向喂入平行排列的工作织针，同时成圈的工艺过程纬编是将一根或数根纱线由纬向喂入针织机的工作针上，使纱线顺序地弯曲成圈，且加以串套而形成其中纬编结构相对于经编结构，具有明显的延伸性和弹性，尺寸稳定性较差，并且较容易脱散相反，经编结构具有较好的多向延伸一致性和抗脱散性，所以用于空间天线的织物一般是机织物和经编织物经编结构和梭织结构相比也有如下的优点：1) 结构和机械性能稳定，可有效地防止网面因出现破洞而进一步发生破坏性的脱散；2) 相同纱线材料性能和网孔尺寸的情况下，经编网的强度约为机织网的2倍；3) 当梭织结构受外力作用时，容易在局部形成较大的裂缝，造成网孔的分布不均匀，从而影响网面的反射精度而经编结构在受到一定外力的作用或波动后，网格的密度可以随之发生调整，这样可以使整个网孔的分布快速地重新达到均匀状态；4) 经编结构相比梭织结构具有较好的平面拉伸弹性，并且多向延伸率相近；5) 经编结构相对梭织结构具有更强的立体感，即暴露在太空中的比表面积更大，从而可以使结构表面具有更高的电磁波反射率；因此经编结构更适合应用于网状天线的网面材料，因此本课题采用经编工艺用于天线用钼丝金属网的织造。

2.2.1 经编网眼组织设计目前在天线反射面材料上一般采用单梳栉的基本组织，以及双梳栉的经平绒，经绒平，开口经缎，闭口经缎等结构由于单梳栉织物较稀薄，强度低，线圈歪斜，稳定性差，所以本实验选用双梳栉的结构下面就简单地介绍一下这四种双梳栉织物组织的结构与性质如图2-1为经平绒组织的线圈结构图，由于两把梳栉采用相反方向的垫纱运动，使两梳形成的线圈延展线伸向两个相反方向，线圈两边受力均衡而呈垂直状态，因此织物正面呈V形线圈排列；织物反面是前梳的长延展线覆盖在外表，后梳延展线夹在坯布内，处于线圈圈干和前梳延展线之间[12]垫纱数码为：前梳：2-3，1-0// 后梳：1-0，1-2//在经平绒组织中，前梳延展线跨过一纵行，这样使得织物即使有个别线圈发生断裂破坏，由于延展线的束缚整个织物不会发生大面积的脱散，从而经平绒结构具有较好的稳定性和抗脱散性图2-1 经平绒组织线圈结构图经绒平组织与经平绒的结构相近，由于两把梳栉采用相反方向的垫纱运动，使两梳形成的线圈延展线伸向两个相反方向，线圈两边受力均衡而呈垂直状态，因此织物正面呈V形线圈排列其前梳作短的针背垫纱(经平组织)，后梳为长的针背垫纱(经绒组织)，与经平绒组织相比，形成的织物结构紧密，延伸性减少，线圈结构图如图2-2所示。

垫纱数码为：前梳：1-0，1-2//，后梳：2-3，1-0//图2-2 经绒平组织线圈结构图图2-3 开口经缎线圈结构图国外有采用双梳开口经缎的组织结构用于低频用天线网格的织造，这种结构的前后两梳均为三列的开口经缎结构。