基于微滴喷射的共形承载天线成型机理研究

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共形承载天线是一种具备电磁辐射和结构承载功能的结构功能件,具有体积小、重量轻、与载体平台共形、雷达反射截面小等特点,在航天航空领域具有广阔的应用前景。微滴喷射三维打印是制造共形承载天线的一种可行技术途径。与传统的平面叠层三维打印不同,共形承载天线需在曲面上实现介质基板和导电图形的打印以保证其电性能,因此曲面上微滴的精确铺展就成为影响成形精度和性能的关键问题之一。本文分析了非展开曲面上微滴铺展的关键因素,建立了曲面上微滴铺展预测模型,并据此优化了主要打印工艺参数,为共形承载天线的保形控性制造奠定基础。主要的研究工作如下:(1)针对如何控制液滴出口动能的问题,建立了压电喷头流体动力学模型,推导出了喷头参数和墨水参数对液滴出口速度和体积影响的关系式。并基于此建立了六喷嘴的微滴喷射二相流仿真模型,量化分析了流体粘度、表面张力、驱动波形对液滴出口动能的影响。最终可通过控制压电喷头的驱动波形参数,有效控制液滴出口动能大小。并通过高速摄像机测量验证了该二相流模型的准确性和有效性。(2)建立了单液滴在曲面铺展最大直径的能量守恒模型,分析了对液滴曲面铺展最大半径的影响因素。根据液滴出口动能预测液滴在曲面基材上的铺展直径大小,实验结果表明误差在5%以内。另外建立多液滴曲面铺展二相流模型,分析不同喷射动能和不同曲率的对多液滴铺展落点位置的影响,揭示了压力波对多液滴铺展精度的影响机理。(3)研制了共形承载天线打印实验平台,实现了阵列喷头的曲面打印,喷头驱动波形控制,喷头喷嘴压力控制以及五轴闭环等功能。并测试了系统的性能指标,为共形承载天线的制造,提供了实验平台。(4)提出了一种多液滴曲面铺展预测模型,可预测曲面液滴打印精度,并根据预测结果迭代打印参数,为打印参数优化提供了依据。采用上述方法研制了一种Ka频段共形承载天线,测试结果导电率为1.321×107 S/m,中心频率29.5GHz处回波损耗为16.3d B。实验验证了上述模型的准确性和参数优化方法的有效性。
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