[发明专利]用于形成具有离轴强化的编织物件的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及离轴强化的对称和非对称形状，以及用于形成具有离轴强化的无缝织物结构的对称和非对称形状的方法。

背景技术

天线罩(radome)是用于航天航空工业的遮蔽物，其可以遮蔽天线、雷达、或者类似装置免受周围环境影响。例如，天线罩可以用于保护天线免受该装置周围区域的强风、结冰、和/或温度极限。根据装置的使用场合，在没有保护时，这些装置易于受到雨水、热、腐蚀、压力、以及其他损坏源的负面影响而被损坏。

用于航天航空应用的天线罩通常具有轴对称或对称形状，其形式一般为锥形、半球形、回转抛物面、或者回转半椭圆体。然而，这些形状的天线罩无法满足由某些政府机构颁布的雷达散射截面(RCS)的规定。也就是说，尽管现有技术的天线罩可以适当地遮蔽装置组件，但是天线罩由于其几何形状而具有较大的RCS，因此容易被雷达探测到。不幸的是，由于雷达吸收材料可能干扰容置于天线罩内的元件对信号的广播和接收，因此这些材料通常不与天线罩结合使用。例如，在某些航天航空应用中，天线罩保护被封闭的装置免受空气动力和气象损坏，同时允许雷达进行传输和接收，并防止这些装置干扰安装这些装置的航空器(airborne vehicle)的空气动力特性。与传输到这些装置或从这些装置传输的信号的干扰会使得该装置变得不起作用。

对于航天航空工业的天线罩所面临的另一个设计问题为，用于构造天线罩的材料必须具有足够低的介电性能，从而不干扰传输信号。此外，由于不均匀的介电性能会负面影响进入或离开天线罩的传输，因此该材料的介电性能必须均匀。例如，天线罩一般为复合结构。这些复合结构通常由使用胶结材料(matrix material)的玻璃或石英纤维预制品组成，该胶结材料为具有低介电性能的聚合物。可以使用树脂传递成型或者通过手工制作玻璃纤维预浸渍制品(prepreg)，从而构造这种类型的天线罩。术语“预浸渍制品”用于描述使用聚合树脂预先浸渍的织物或单向带子。例如可以通过切割和缝合各个玻璃纤维、定型编织物、极向编织物(polar weaving)以及提花编织物(梭织)叠层(ply)，使用树脂传递成型部件来完成构造预制品。然而，这些技术耗时，且其具有显著的缺点，即，由这些方法生产的天线罩将具有至少一个接缝，在极端条件下，该接缝经常成为这种结构失效的根源。接缝在天线罩中也是不期望的，因为介电特性在接缝区域中变得不均匀，从而对信号传输和接收产生负面影响。

然而，可以使用三维提花编织技术来构造天线罩。通过这些技术，可以使用一片布料构造袜状预制品。由于这种袜状预制品是无缝的，因此其是有利的，由此消除了与接缝相关联的显著问题。在基本编织结构中，经向和纬向纤维相互成直角，使得在最终结构上，连续的纬向纤维沿环向(90°)方向，而经向纤维则沿着轴向轮廓线(0°方向)。因此，三维提花编织的、无缝袜状预制品优于其他技术。

通过选择性地包括或去除部分纬向纤维，这些袜状预制品可以形成具有/没有封闭端的各种几何形状。这些袜状预制品可以编织成单层织物，然而，可以将多个袜状预制品相互堆叠地形成以构建期望的厚度。然后，可以使用前述制造技术将该预制品加工成复合结构。然而，使用目前的编织技术编织复杂的三维形状(例如不对称形状)是一种挑战。

为了试图改善航空器的保密特性，已经表明非对称形状的天线罩是优选的，因为其改善了航空器的雷达回避能力。然而，非对称形状天线罩的出现对于构造这种复杂的三维形状结构提出了另外的挑战。提出的一种解决方案是使用自动铺带(automated tape laying)技术，由此将玻璃(或石英)预浸渍制品条铺设到凸的心轴(male mandrel)上。该铺带头必须具有很大的自由度，施加一致的压力，并且能够精确地并排铺设带。尽管这种机器是可获得的，但是其非常昂贵。

此外，天线罩可能需要沿离轴方向被强化。例如，某些天线罩应用优选在接近±45°方向上需要抗扭强度或刚度。此外，需要承压强度的其他应用使用沿0°和90°方向的强化，还使用了沿±45°方向的强化。由于通过现有的技术，经向和纬向纤维相互成直角，从而在最终结构上连续的纬向纤维沿环向(90°)方向而经向纤维则沿着轴向轮廓线(0°方向)延伸，因而使用现有的基本编织技术无法实现离轴强化。因此无法实现沿±45°方向的强化。