引言

星载产品需在空间高速运行,承受恶劣的空间环境,对可靠性的要求极高,产品向结构紧凑、轻量化、高集成等方向发展,结构件多采用比强度高、耐高温的材料,加工和装联调试的精度要求极高。星载有源相控阵雷达的制造需要应用多种先进制造技术,同时还需实施科学的生产现场管理,是一项高技术、多学科的系统工程。

1星载有源相控阵雷达工艺技术

1.1蜂窝结构安装板制造技术

蜂窝结构安装板是星载有源相控阵雷达阵面上的重要结构件,大部分设备都需要安装在该平台上。为了减重,该板采用蜂窝夹层结构,由蜂窝、热管、盖板和预埋件等零件胶粘而成,其中大小不等的预埋件多达几十个。安装板的质量直接影响卫星的使用寿命。由于热控设计规定单机通过热管传递热量,其安装底面的平面度及粗糙度要求极高。

蜂窝结构安装板胶接成型后须保证其平面度及固化质量。随着航天技术的发展,胶接工艺技术得到了广泛应用,已成为航天工艺中不可缺少的技术。设计制造的胶粘夹具用于安装板的胶接,成型过程中要加热均匀,防止变形。

蜂窝结构安装板既是承受载荷的受力件,又要求传热,对热平衡起到重要作用,因此胶粘质量非常关键。安装板胶接完成后,用肉眼根本无法检出零件内部的胶粘质量,需要进行无损探伤,检查部件内部是否存在脱胶等缺陷,以确保航天产品的高质量。同时,制作随炉件,通过对随炉件各项性能的检测,达到确保安装板胶接质量的目的。

胶粘后部件上孔的加工及盖板的加工在数控铣床上完成。对于蜂窝结构部件的装夹难点,工艺中须考虑在预埋件的上方放置过渡板,然后再搭压板:操作时不能用侧面夹紧,且垂直夹紧力不能太大。同时,为让开上盖板的凸台和保证加工精度,设计专用工装作为垫板,使装夹方便、可靠。为防止切削液进入有源安装板内,铣加工、钻孔及攻丝严禁使用任何冷却液。图1为有源安装板制造流程图。

1.2TR组件微组装技术

TR组件是整个雷达系统的核心部件,与雷达的性能息息相关。它是多芯片微组装的部件,结构复杂,组装精度要求高,制造难度极大,要求具有元器件级的密封性。TR组件工艺包括了混合微电路技术和多芯片组件技术的多个方面,如薄膜工艺、LTCC多层基板工艺、壳体涂覆工艺、微组装工艺、封装工艺等。它的密封性主要通过高精度的焊接配合面、高质量的可焊性镀层、合理的焊接夹具、优选的焊料和焊接温度曲线等方面进行保证。

1.3TR组件难加工材料壳体加工技术

TR组件壳体采用理想的封接材料,其加工难度较大。

围框在数控机床上加工,通过选用刀具、优化切削参数、优选加工方法等工艺措施,解决难加工工艺问题。为减小机加工变形及微小毛刺对TR组件焊接及性能的影响,通过工装及优化工艺流程,解决去毛刺的难题。TR组件的盖板因焊接密封的需要,材料极薄,平面度要求高。通过试验发现数控加工后材料下单件困难,变形极大,采用热校平也无法满足要求,研究后采用电化学加工法,使尺寸精度及表面质量完全达到要求。为防止内应力对密封性能的影响,围框和盖板须进行去应力处理。

1.4天线辐射单元制造技术

星载有源相控阵雷达的天线辐射单元一般采用微带子阵和波导裂缝等形式,波导裂缝天线的效率优于微带贴片天线。

微带子阵天线常采用碳纤维复合材料作为天线结构板。天线结构板采用夹层板结构,由多层材料经胶粘而成,制造中须选用合适的胶粘剂,设计、制造专用胶接夹具,解决天线的平面度问题及厚度尺寸一致性问题。天线板在经过成型工艺形成零件后,需要经过机加工才能使用,加工质量需得到保证,钻孔后孔壁周围材料不得发生分层,加工后的无损检测必不可少。

波导裂缝天线的材料常用铝合金和碳纤维。铝合金材料的波导裂缝天线,采用机加工和焊接的方法,制造工艺相对较成熟。碳纤维复合材料具有高强度、高模量、低比重、抗疲劳、热稳定性好和成型工艺简单等优点,广泛应用于各种航天器产品,已成为星载天线的极佳结构材料,但用碳纤维复合材料制造星载裂缝波导工艺难度较大,主要体现在以下方面:碳纤维波导成型尺寸精度及表面粗糙度的保证,避免缝槽加工后碳纤维出现撕裂分层,去除干净缝槽内毛刺,进行表面金属化等。针对以上问题,还需探索行之有效的解决方案。目前该制造技术在国内尚处于研究阶段。

1.5高精度薄壁机壳制造技术

星载雷达对重量、体积等方面要求极高,对单机机壳在装机体积、重量方面提出了严格要求。为减轻重量,并满足抗紫外辐照等星载环境、强度及传导热量等方面的要求,单机机壳大都采用铝材料或镁合金材料,结构较为复杂,腔体不规则,安装面的平面度要求高,加工难度较大。薄壁类机壳在高速数控铣床上加工,采用专用工装装夹,解决机壳的变形问题。

在轨道上运行的航天器处于真实的冷热交变的恶劣空间环境中,不但受到太阳辐射和地球及其他行星的辐照,还会受到来自宇宙冷空间背景的影响,航天热控设计十分重要。航天产品的热控技术和热控材料,是航天技术的重要组成部分。单机薄壁机壳表面涂覆层的选用,须满足热控设计对表面辐射率的要求。而涂覆层的材料及表面处理方法,也须经过航天要求的考核才能使用。机壳在表面镀覆时均须附有随炉试样,镀覆后对随炉试样进行热振试验,要求在经历考核后镀层不变色、不起泡。

1.6防静电膜装配技术

防静电膜非常薄,易折,产品须在温湿度有保障的洁净环境中安装。安装过程中现场人员必须佩戴口罩、无尘防静电手套,操作人员还需佩戴防静电手环,轻拿轻放,防止薄膜折叠,减少表面摩擦。装配时在天线板表面贴数块胶带,按尺寸裁防静电膜后多人协作贴膜,保证膜与胶带压平无皱折,最后进行防静电膜的接地连接。

1.7半刚电缆装配技术

星载雷达在总装过程中,有多道半刚电缆的装配工序。在安装前,高频半刚电缆须用内窥镜做充分检查,以保证接合面的螺纹洁净、完好,必要时用棉签沾酒精清洗,待干燥并拍照后再装配。对电缆两端头有先后安装顺序的组件,在安装完一端头后,另一端头安装时如机械尺寸有偏差造成错位,操作人员需在工艺师、设计师的指导下,对形状进行微调,保证端头不受力、不弯曲。电缆按规定的力矩拧紧,在拧紧操作过程中,应保证电缆端头的连接器和电缆不产生旋转。

1.8有源相控阵雷达总装技术

星载有源相控阵雷达结构复杂,待装配零部件数量大,密度及精度要求高,操作空间小,机械装配与电子装联高度重叠,总装工艺须针对天线阵面的翻身转运方案、测试架上的吊装方案提出详尽要求,明确各工步操作的具体规程及措施,并采用装配工装、吊装工装及阵面保护工装保证天线板在翻身转运、测试架集成过程中的安全性。

2星载有源相控阵雷达生产现场管理

生产现场是产品按工艺实施操作、保障星载有源相控阵雷达质量的关键环节。星载产品装配技术含量高、工作范围广,需开展精细化的现场生产管理工作,具体包括实行定置管理,加强现场工艺管理及"三定"生产管理,健全班组建设等。

2.1现场定置管理

单机装配及SAR天线总装在洁净度为10万级的净化厂房内进行,工序较为繁杂,工作人员多,使用的工具种类及数量也较多。星载产品的装配过程不同于一般的流水线装配,主要采用手工及装配工装方式,节拍不明显。根据这些特点应规定生产现场产品、工装、物料等各种物品的合理存放位置,控制生产现场状态,建立良好的生产秩序和生产环境,使人流、物流、信息流合理运转。

2.2现场工艺管理

雷达产品生产前实施试制前准备状态检查,保证"人、机、料、法、环、测"等各方面符合要求。

按工艺要求组织生产,使生产处于受控状态,保证产品质量。

生产现场人员严格遵守工艺纪律,操作人员认真做好生产前的准备工作,依据工艺规程精心操作,不允许出现工艺文件规定以外的操作。操作人员在指定的型号工作区域内进行工作,不得随意串岗,不允许碰动、挪用非本岗位的产品和设备。

星载产品工装设计中均考虑了与产品接触部位设置防止挤压和划伤工件的保护措施,工装表面无可脱落的涂层,操作人员在装配准备时须做确认,确保工艺装备的完好性,并严格执行工装保管措施。

产品返修或返工必须由工艺部门编制专门的返修或返工工艺,工艺签署完整后才能实施。

对产品实现的关键件采取量化方式控制,有源安装板胶接、螺钉拧紧等工序均严格规定工艺参数:装配工艺明确螺钉拧紧顺序,严格实施过程控制:记录组件装配、螺钉点胶等关键工序实施情况并进行拍照:关注现场安全及多余物控制。

2.3"三定"生产管理

由于星载产品的质量要求极高,所以对关键件、重要件等零部件的生产实行定人员、定设备、定工艺方法的"三定"管理[7],确保其前后研制阶段制造状态的一致性。每个星载产品均归档发布"三定"生产明细表。

星载产品"三定"管理中,定操作人员是最重要的内容,我所对航天产品操作人员进行了全面固定。新增人员要求技术全面,在加工操作中仔细谨慎,业务能力及质量意识强。因此,必须加强星载产品操作人员的培训、考核。图2为星载产品新增操作人员管理流程,图3为具体型号星载产品"三定"人员管理流程。

掌握绝技绝招的星载技能人才在航天产品研制中具有不可替代的作用,须重视班组建设,通过传帮带、以老带新提高新人的业务能力,培养星载生产技能人才:对星载产品操作人员在职级评定等方面加以倾斜,激发大家勤钻技术的热情。

2.4现场多余物控制

多余物是指产品中存在的由外部进入或内部产生的与产品规定状态无关的一切物质。多余物控制涉及范围极广,仅星载雷达的天线总装就包含两百多道工序,制定详细的规范是前提,明确职责,在制造过程中严格执行是关键。

容易产生多余物的操作,要采取有效预防措施。产品上不放置与工艺要求无关的任何物品,包括图纸、工具或待装零部件。不得在产品上方传递工具,避免出现不慎掉落而伤害产品或出现多余物的意外。零部件周转须单独包装,包装前要去除包装纸上的切屑或更换新的包装纸,清除周转箱内的多余物。装配操作时要求戴干净手套,不得用手直接接触零件。

净化区域内一般不允许进行钻、锉、磨等工作,如有特殊需要,必须采取控制和隔离措施,防止多余物进入产品。

2.5生产过程表格化记录

星载产品出现问题需得到快速分析和解决,研制过程要做到可追溯,星载产品制造过程将表格化记录纳入生产流程,操作、检验和调试等岗位人员严格依据表格的要求,对加工、调试过程中的数据进行记录,操作后立即签字,记录生产环境、单机状态、电缆清洗、螺钉力矩装配、点胶、电缆接头插拔次数及终检等情况以及对应关系。表格化文件是产品生产现场重要的过程记录文件。

3结语

制造工艺是把设计方案转化为产品的科学技术,是保证星载雷达长寿命、高可靠运行的技术基础和生产制造的中心环节。产品的设计最终通过现场操作得以实现和呈现,星载有源相控阵雷达的制造涉及大量的专业工艺及现场生产管理工作,通过工艺技术研究和定置管理等现场措施,放大技术细节,严控关键技术和现场操作,提高了星载有源相控阵雷达的生产效率和产品质量,保证了产品性能。