Fred Young亚毫米望远镜（FYST）效果图（图片来源：CPI Vertex Antennentechnik GmbH）

 

Fred Young 亚毫米望远镜（FYST）是一款6米直径的先进望远镜，被设计用于在亚毫米到毫米的波长下工作，进行宽视场观测和大面积测量，包括对银河系的磁性结构、形成和基础物理学的研究，以及对恒星和星系的形成、大爆炸后第一批恒星的诞生及宇宙起源和发展的研究。

 

CCAT合作伙伴关系对此进行了20多年的开发，其全球合作伙伴包括：康奈尔大学（美国纽约州伊萨卡），由科隆大学、波恩大学和加兴马克斯普朗克天体物理研究所组成的一个德国联盟，以及由10个加拿大学术机构组成的CATC联盟。2024年底，FYST的安装已在智利北部阿塔卡马沙漠中一座5600米高的Cerro Chajnantor山峰上完成。

 

由于该仪器的绝对复杂性以及微波中大气的“不透明性”，亚毫米波长天文学被认为是最后一个未开发的波长前沿。最近制造的用于天文目的的灵敏外差接收器（一种无线电接收器），首次打开了这个波段。然而，望远镜占地面积23平方米，可容纳近20吨的仪器——这种高科技仪器与大型物理尺寸的结合，产生了对轻质而又坚固、极其坚硬的热稳定结构的需求，以便容纳其两个巨大的镜子。

 

因此，FYST的镜像支撑结构（MSS）是使其能够深入研究宇宙的关键。值得注意的是，这是一种复合材料的结构，其设计、制造和组装由Airborne（荷兰海牙）与客户和主承包商CPI Vertex Antennentechnik（德国杜伊斯堡）合作完成。该项目展示了技术上极具挑战性的复合材料的设计和制造案例，这其中所需要的自动化制造流程和装配设计技术，可能为未来太空和地球上的复杂复合材料结构带来重要的价值。

设计：前所未有的2倍精度

Airborne之前曾与CPI Vertex合作，为智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 （ALMA）和南极洲的南极望远镜（SPT）开发MSS。“这两台望远镜都为2019年有史以来第一次黑洞图像作出了贡献。”Airborne的业务部门经理Sandor Woldendorp 说道，“虽然ALMA望远镜的设计具有25微米的高镜面精度，但对 FYST而言，要求更加严格。”

 

FYST采用离轴交叉Dragone设计，包括一个抛物面主镜和一个大型凹面副镜，直径均约为6米。这创造了一个高通量、宽视场的望远镜，能够非常快速有效地绘制天空图。然而，带有两个6米直径反射镜的整个系统在运行期间的表面误差预算仅10.7微米。“这在此类望远镜中以前从未实现过。”Airborne的复合材料专家兼首席工程师Jaap Dekker说道。

 

CPI Vertex 和 Airborne 面临的另一个挑战是，制造将采用相同设计的两台望远镜：FYST和西蒙斯天文台大口径望远镜（SOLAT）。SOLAT和FYST拥有相同的MSS，并且两个项目同时实施。

此图由 Airborne 和 CPI Vertex Antennentechnik GmbH 提供

设计挑战

Airborne的任务是开发极稳定的被动MSS，该MSS几乎不受重力或环境温度变化的影响。镜子位于半封闭的外壳中，因而可受到保护，但在观察期间却要暴露在-21℃至9℃的外部环境温度下。虽然这使得MSS的设计过程更具挑战性，但该望远镜的设计坚固而可靠。“这是最大程度地降低在5600米的山顶上发生故障风险以及减少必要维修的关键。”Dekker表示。

 

他继续说，MSS是使用先进的碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料设计的，因为该材料具有接近零的热膨胀系数（CTE）和非常高的刚度，可以确保变形绝对最小化。“我们设计了一种混合结构，它使用厚的CFRP/铝蜂窝夹层顶板，反射镜段安装在该顶板上。”Dekker 补充道。连接到该顶板的三维桁架结构为望远镜结构的其余部分提供了全局刚度和连接点。该三维桁架由使用整体CFRP层压板制成的标准C型型材构成。

复合材料层压板、CTE、沥青纤维

由于FYST的抛物面主镜和凹面副镜具有不同的形状，并且位于望远镜内不同的位置，因此承受的载荷不同，具有各自独特的设计。使用Ansys Inc.（美国宾夕法尼亚州卡农斯堡）的有限元建模（FEM）和内部开发的优化程序，CPI Vertex Antennentechnik 优化了桁架中每根梁的横截面积。“我们面临的挑战是，设计实际的桁架结构以匹配这些横截面积，同时还要考虑节点中的所有连接。”Dekker 说道。Airborne使用分析计算开发了初步设计，以预测梁的属性，如其刚度、CTE和密度。这样，可以继续进行详细设计，包括在 Siemens NX（美国德克萨斯州普莱诺）CAD中对所有细节进行3D建模、详细说明节点并完成更多的FEM分析。Airborne还使用了Ansys软件。

 

“结构设计的一个组成部分是设计复合材料本身，以满足所需的高比刚度和接近零的CTE要求。”Dekker表示，“后者还必须在整个结构中尽可能均匀。由于结构类型完全不同，要足够准确地预测和匹配夹层顶板的CTE与桁架结构的CTE 非常具有挑战性。”

 

“我们很快就发现，无法用常规的高强度碳纤维、甚至单一的纤维类型来满足高标准的设计要求，因此，我们使用高强度碳纤维和超高模量（UHM）的沥青碳纤维设计了一种混合的层压结构。”他继续说道。后者的刚度是高强度碳纤维的3倍。“由于这种组合，桁架层压板的比刚度（纵向刚度除以密度）大约是特殊的低CTE的Invar 36钢合金的5倍，而其CTE 仅为 Invar 36 的 1/5。”

制造：利用自动化最大程度地降低复合材料的制造成本

Airborne设计策略的一部分是使结构元件尽可能大，以最大程度地减少装配阶段所需的连接数量。“首先，我们最大程度地扩大了顶板夹层段的尺寸，这样每个镜子只需要4个。”Dekker说道，“其次，桁架结构设计有3个子组件，几乎贯穿了结构的整个长度。”这些子组件的构成是从桁架形状中两个大型“蒙皮”层压板开始的，它们之间有标准C型截面来提供弯曲刚度。尽管这种设计策略产生了高性能的结构，但层压该项目所需的复合材料结构元件却是一项重大挑战。

 

“庞大的规模令人感到气势磅礴。”Woldendorp说道，“每个MSS重约1500公斤，由5000平方米（或 33 公里）的单向（UD）预浸带构成。桁架蒙皮的设计也非常复杂，许多组件都非常大，很难通过手糊方式进行制造。”

另一个问题是UHM 沥青碳纤维非常脆，因此难以处理。“不幸的是，市场上没有能够制造复杂桁架蒙皮的自动化制造工艺，因此，我们内部开发了自动化的制造解决方案。”Woldendorp 补充道。

自动层压单元

Airborne的自动层压单元（ALC）包括：层压板的自动铺带（ATL）、将层压板自动切割成所需要的坯料，以及拾取/放置（P&P）装置按桁架蒙皮的形状铺放切割好的层。“用于顶板的大型层压板也采用ALC进行层压。”Dekker 说道，“据我们所知，这是世界上唯一能够自动层压易碎沥青碳纤维的系统。我们实现了所有层压的自动化，节省了数千小时的手工劳动，同时确保了可重复的高质量流程。”

 

ALC Manager软件平台支持直接导入CAD数据，其中包含不同组件的形状、材料和铺层细节。多个组件的信息可以同时发送给ALC Manager，ALC Manager从无数不同的组件和毛坯中自动生成嵌套模式，然后，ALC 使用多种层压板设计，从数十到数百个单独的切割坯料中构建桁架蒙皮，以实现所需的结构刚度。该软件还自动生成ATL、切割和拾取/放置所需的所有机器人运动和CNC代码。这是一个巨大的优势，因为Airborne不必进行任何编程，而编程需要花费数千小时。

ALC实施自动铺带（ATL，顶部），然后拾取来自主层压板的桁架蒙皮坯料并放置到桁架形状（中）中，以便在层压后形成一套净形状的桁架蒙皮，为固化作好准备（图片来源：Airborne）

净形状的部件

Airborne优化了其设计，使几乎所有的部件都能制成净形，从而最大程度地减少后续的CNC加工。这还节省了数千小时的编程和加工时间，材料浪费也非常低。“只有顶板蒙皮有一个小的超大尺寸以用于粘接，但无论如何都需要铣削，因为需要为放置衬套打孔，以便安装镜段调节器。”Dekker 说道。

C型型材的自动化制造

对于C型型材，ALC Manager一次性从大约40个C型型材中创建大型嵌套模式，它们经层压后被切割成近净形状的坯料。“在此阶段，所有的C型型材坯料都有一个唯一的识别标签，这些坯料是使用内部开发的热成型单元进行热悬垂成型，并在加热炉中固化，没有超压，只有真空。”Dekker说道。

 

作为装配设计的一部分，所有的C型型材的末端都有独特的角度。“这些是根据它们的标识和参数化铣削文件进行铣削的，我们只需要对铣床进行一次编程，就可以完成数百个不同的C形型材。”Dekker 说道。

严格控制纤维的体积含量

如上所述，Airborne以高强度碳纤维与UHM沥青碳纤维的精确比例以及每种纤维与环氧树脂的精确比例设计了复合材料层压板。因此，需要采取严格的措施来控制预浸料以及完工后层压板中的纤维和树脂的量。“我们的预浸料供应商东丽先进复合材料（英国Langley Mill）通过调整其机器以实现最严格的制造公差，以及实施更多的检测和平衡来为我们提供支持。”Dekker说道。然后，Airborne 检查来自不同批次的所有进料预浸料和材料，以确保用于每个层压板的预浸料满足要求。

 

“我们还需要在最终的固化产品中保持精确的树脂/纤维比。通常，在热压罐固化过程中，大量的树脂会从层压板中流出。我们与东丽合作，通过开发订制的固化方法解决了这个问题。因此，我们能够高效地铺层和固化400多个单独的C型型材，总长度1200米，同时在严格的边界内实现CTE，横截面尺寸公差为±0.2毫米。”Dekker 说道。这种订制的固化工艺也被用于所有其他的层压板，同样是为了在严格的边界内实现 CTE。

组装

下一步是将这些组件组装成MSS部分，然后将其运到德国进行最终装配。“通过使用制造和装配设计（DFM&A）方法，我们能够在制造和装配阶段节省大量成本，同时仍确保满足极端的性能要求。”Woldendorp 说道。

 

为了说明所涉及的复杂性，两个MSS（M1和M2）中的每一个都需要组装大约6600 个组件——包括大约2400个复合材料部件，其中大约有300个是采用8种截然不同的专用粘合剂独特层压的。“我们不得不将这两个结构组装两次，一个用于 FYST 望远镜，一个用于SOLAT 望远镜。”Woldendorp 说道，“在具有这种复杂性和规模的项目中，成本始终是一个主要问题。因此，我们需要一种简单且低成本的组装工艺，它还要使我们能够获得非常准确的最终结果。”

桁架子组件

Airborne首先进行了全面的公差研究，以研究不同装配级别所需的尺寸公差。“这还导致了对标称粘接线厚度的定义，这为设计刚度、质量分布以及进行热膨胀分析提供了重要的输入。”Dekker表示。

子装配过程中桁架复杂节点示例，显示了带销钉的工具（图片来源：Airborne）

 

该分析的一个结果是，需要专门设计的工具才能实现高装配精度，但这并不一定意味着工具必须成本高昂。“我们的DFM&A方法使我们能够使用低成本的工具概念来创建桁架的子组件。”Dekker 解释道，“该概念使用带有销钉的 MDF（中密度纤维板）木板来准确定位桁架的所有元件。MDF面板使用2.5轴铣削加工，从而可以在超过6米×1.7米的子组件上实现亚毫米级的装配公差。这个概念使我们能够显著减少对桁架结构的CNC 加工。”

低成本、高精度的桁架装配工具

下一个挑战是，高精度地实现桁架与桁架的组装。“为了将平面桁架组装在一起，我们用MDF面板创建了一个7米×7米的平面装配地板（平面度<1.5 毫米），我们在其中加工了准确的位置，用于放置由Multiplex制成的标准垂直柱。”Dekker说道。Multiplex是由胶合木单板制成的胶合板。“它们在三维空间中定义了一个精确的平面来定位每个不同的桁架。相同的装配地板和柱子可以重复用于M1和M2。”他继续说道。

 

因此，使用DFM&A方法，Airborne 能够使用由低成本材料制成的简单标准化元件。“依靠2.5D CNC的加工精度、简单的工具组装步骤和平坦的地板，我们能够在7米×7米×1.7米的盒子中定位不同的桁架，精度约±1.0毫米。”Dekker 说道，“这使我们能够在与望远镜结构其余部分的界面点上实现严格的公差，并很好地控制粘接层的厚度。”

顶板组件

下一个挑战是如何用大量的夹芯板（包括铝蜂窝和CFRP表皮）组装大型顶板，这些夹芯板的尺寸约为6.5米×1.8米，厚85毫米。“为了能够与其他结构元件连接，同时仍能满足性能要求，这些面板配备了额外的内部和圆周加固系统。”Dekker 说道，“同样，通过使用DFM&A方法，我们能够定义相对简单的流程和装配工具来创建这些复杂的子组件。”

在平坦的装配地板上进行桁架与桁架的组装，展示了标准化的工具元件（图片来源：Airborne）

将衬套组装到顶板段上（图片来源：Airborne）

 

为了将所有元件连接在一起，需要3种具有高温固化功能的专用粘合剂系统。然而，组装的顶板段的CTE 接近于零。“这使得在固化过程中无法使用标准的金属工具来定位所有元件，因为金属工具在冷却过程中的收缩会压碎没有出现热膨胀或收缩的顶板。”Dekker 解释说，“为了解决这个问题，我们选用了一种粘合剂来将内部和圆周加固系统粘接到在室温下部分固化的蒙皮上，这使我们能够在室温下使用低成本的工具来准确定位和固化元件。”

衬套组件

为了完成顶板子组件，Airborne必须将多达126个衬套组装到每个带芯的CFRP 面板段中。这些衬套（连接到两个夹层板蒙皮的复合材料管）将容纳安装在顶板上的镜段调节机构。

 

组装后，镜子被设计为具有双曲面，精度约3微米。“为了实现这一目标，所有衬套都需要以独特的3D角度和突起长度组装到顶板上，并且它们之间具有相当高的定位精度。”Dekker说道，“我们能够再次使用低成本的工具，但将衬套连接到每个顶板段的两个蒙皮上是一项重大挑战。”

运往德国前的MSS（图片来源：Airborne）

 

“我们很早就知道这种连接不是极具刚性的，因为在热负载期间 的CTE差异，复合材料的衬套会将铝蜂窝芯撕裂。”他继续说道，“因此，我们用碳纤维增强热塑性材料设计了复杂的3D弹簧元件，由Promolding（荷兰海牙）注塑成型。通过调整这些组件的刚度，我们可以控制铝蜂窝中的应力水平，同时仍能提供足够的刚度来有效调整镜段。”

为运输优化装配

由于MSS的尺寸大，因此在将M1和M2运往德国前不能完全组装。Airborne 的解决方案是将结构组装成两半，但这需要严格的对齐和定位，才能实现小于0.5 毫米的精度。“我们首先将顶板段分成两组组装，以创建半顶板。”Dekker说道，“挑战是需要大量的粘合剂，同时还要满足严格的位置公差要求以及完成后顶板的平整度要求，以便能够将其粘接到半个桁架上。DFM&A 方法使我们能够使用简单的流程和低成本的工具和设备来实现这一目标。”

总装

每半个MSS的尺寸约为3.3米×6.5米×1.8米，用卡车运输尺寸恰好。Airborne 在德国的一家工厂完成了MSS的最终组装，该工厂靠近整个望远镜总成的试验地点。“由于粘接面积非常大，加上需要使用不同的粘合剂以及具有严格的公差要求，因此很难在一个组装步骤中将这些大型结构粘接在一起。”Dekker说道，“最好的解决方案是同时涂抹所有的粘合剂，然后在粘合剂固化前缓慢而准确地将结构移动到位。根据要求，我们一次性地完成了这项工作，并且精度达到亚毫米级。”

 

然后，CPI Vertex Antennentechnik 组装反射镜段并使其与Airborne 交付的 MSS对齐。虽然MSS未安装到本次试验的总成中，但所有其他的主要机械系统都经过了试验组装和测试。FYST将被拆分成大型部件并运送到位于智利的最终地点，在那里进行最终的组装和调试，以便2025年投入使用。

完成最终装配后其中的一个MSS的细节（图片来源：Airborne）

 

“Airborne为ALC的开发投入了大量资金，这使我们能够在第一时间正确地完成这个项目。”Woldendorp 说道，“由于大部分制造实现了自动化，因此我们现在已完全准备好了为其他望远镜构建更多的MSS。我们还开发了广泛的技术、工艺和能力，这对其他大型复合材料结构也同样具有价值。”

 

原文链接：

https://www.compositesworld.com/articles/design-for-manufacturing-assembly-and-automation-enables-complex-cfrp-telescope-supports-