一種用于飛機(jī)戰(zhàn)傷修理便攜式光固化設(shè)備的設(shè)計(jì)

許 松，魏 東，陳 浩

飛機(jī)結(jié)構(gòu)快速搶修是指飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行快速修復(fù)飛機(jī)完好，是航空裝備戰(zhàn)斗力生成的倍增器[1]。開展飛機(jī)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)傷快速搶修新材料、新工藝研究，是提高損傷飛機(jī)“再生率”，做好軍事斗爭準(zhǔn)備的一項(xiàng)十分重要、非常緊迫的科研課題。

近幾年來，新技術(shù)、新材料被廣泛運(yùn)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)快速搶修工程，其中新研發(fā)的通用性強(qiáng)、安全可靠的光固化快速搶修技術(shù)能夠適用不同材料的修理需要[2]?，F(xiàn)有的光固化修理設(shè)備不能滿足新的搶修技術(shù)的要求，迫切要求研制出更先進(jìn)的光固化快速搶修設(shè)備，以適應(yīng)越來越成熟的膠粘劑光固化快速搶修技術(shù)。

1 主要功能和技術(shù)指標(biāo)

1.1 主要功能

一種用于便攜式光固化快速搶修設(shè)備是利用光敏樹脂，在紫外光的照射下固化成型的飛機(jī)結(jié)構(gòu)快速修理的配套設(shè)備，該設(shè)備能穩(wěn)定輸出特定波長和一定強(qiáng)度的紫外光，主要用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)上復(fù)合材料的快速輻照固化。設(shè)備安全性好、可靠性高、重量輕、操作方便，適用于普通條件下飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的原位修理。

1.2 技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)

（1）工作溫度：-40℃ ～55℃；

（2）交流電源：～220 V，50 Hz；

（3）設(shè)備功率：300 W；

（4）紫外光波長：400 nm；

（5）MTBF≥1 200 h

（6）MTTR ≤ 60 min

（7）重量：（5±0.5）kg；

2 光固化設(shè)備的主要組成和工作原理

2.1 主要組成

根據(jù)飛機(jī)原位修理的需要，結(jié)合飛機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮紫外光光譜分布，研制了光固化修理設(shè)備，確定了設(shè)備的能源系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備。

2.1.1 能源系統(tǒng)

能源系統(tǒng)是利用電感的自感原理產(chǎn)生高壓電，從而使惰性氣體產(chǎn)生電弧，電弧再為石英管兩極的鎢絲通電而發(fā)熱，進(jìn)而使光固化設(shè)備中的汞蒸發(fā)，產(chǎn)生弧光并發(fā)射紫外光。其工作示意圖見圖1.

圖1 能源系統(tǒng)示意圖

2.1.2 光源系統(tǒng)

光源系統(tǒng)采用由中等壓力的汞所填充的石英管，光源系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 紫外光源系統(tǒng)示意圖

設(shè)備中壓汞燈，在通電后產(chǎn)生等離子體，從而使汞分子被激發(fā)到高能量級，就會產(chǎn)生紫外光，快速修理設(shè)備的紫外光線光譜分布如圖3.該設(shè)備通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，達(dá)到光固化所需的紫外光。

圖3 光固化設(shè)備光的強(qiáng)度分布示意圖

2.2 光固化原理

2.2.1 光固化修理工作原理

光固化就是利用光敏膠中引發(fā)劑，再利用該設(shè)備的紫外光照射下，使光引發(fā)劑形成激發(fā)態(tài)分子，然后分解成自由基，從而引發(fā)修理補(bǔ)片中樹脂的不飽和單體和預(yù)聚體生成新的自由基，使光固化樹脂（修理補(bǔ)片）整個體系發(fā)生聚合、接枝、交聯(lián)等化學(xué)反應(yīng)，從而使飛機(jī)修理補(bǔ)片快速固化，完成飛機(jī)結(jié)構(gòu)快速修理的目的。

2.2.2 光固化設(shè)備中光的強(qiáng)度分布測試

通過對光固化設(shè)備中光的強(qiáng)度測試，以期驗(yàn)證光固化設(shè)備的性能，并確定在有效的光固化范圍內(nèi)，便于在快速修理工作中增強(qiáng)使用的針對性。經(jīng)試驗(yàn)測試：在一定范圍內(nèi)光強(qiáng)大概在60×1 000 uw/cm2范圍內(nèi)，這個光的強(qiáng)度固化的時間短、效率高和修理強(qiáng)度高。

2.2.3 光固化設(shè)備設(shè)計(jì)中解決的問題

普通的紫外光燈管在工作時，會產(chǎn)生一定的紅外線，這樣就會耗費(fèi)電源系統(tǒng)的電能，而且會使紫外光燈的頭部受熱，嚴(yán)重時會烤壞修理補(bǔ)片及飛機(jī)結(jié)構(gòu)。為解決該難題采取如下措施：

（1）改變光固化設(shè)備的光譜：通過改變光固化設(shè)備光譜分布的方法，使紫外燈發(fā)射的光譜在360～395 nm的波長范圍，以期增加紫外線光譜、減少紅外線光譜，得到光固化修理所需的光譜。

（2）加裝反射器：利用具有吸收紅外光譜的材料，按照一定的幾何形狀加工成反射器，減少紅外光的輻射強(qiáng)度，從而減小設(shè)備的能力耗損。

（3）降低光固化設(shè)備的光源功率：在滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)光固化快速修理的前提下，降低了設(shè)備光源的功率，減少光固化設(shè)備的發(fā)熱量。

3 光固化快速修理設(shè)備的特點(diǎn)

光固化快速搶修設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷修理有以下特點(diǎn)：

（1）修理時間短：利用光固化快速搶修設(shè)備對復(fù)合材料預(yù)浸料補(bǔ)片進(jìn)行固化。所需設(shè)備、工具少，操作方便，可在8~10 min內(nèi)完成固化。

（2）修理質(zhì)量高：固化后的補(bǔ)片具有較好的耐水、油性能，具有較好的耐熱老化性和耐濕熱老化性，具有較高的修理質(zhì)量。

（3）氣動特性好：補(bǔ)片在固化前呈柔性，固化前可根據(jù)需要改變其形狀，固化后與原結(jié)構(gòu)貼合較好，具有較好的氣動特性和飛行性能。

（4）修理增重?。簭?fù)合材料補(bǔ)片比強(qiáng)度、比剛度較高，補(bǔ)片的結(jié)構(gòu)重量輕，修理時可省去傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)修理等金屬連接件帶來的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、增重等問題。

（5）修理空間?。涸撛O(shè)備體積小，修理所用工具少，操作空間小，尤其適用于空間狹窄的機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷修理。

（6）通用性好：適用于金屬、非金屬復(fù)合材料的修理。

（7）操作要求低：操作人員按照工藝要求，可以迅速實(shí)施光固化快速修理。

4 結(jié)束語

光固化設(shè)備的固化性能取決于光敏膠的感光性和光固化過程中紫外燈光源。該光固化設(shè)備在設(shè)計(jì)時首先考慮紫外線在固化時產(chǎn)生的光源與體系中光引發(fā)劑的吸收光譜相匹配，進(jìn)而加快快速修理固化成型，提高快速修理速度和效率；同時還要考慮紫外光的光譜分布、紅外線的輻射狀況以及紫外光的輻射強(qiáng)度、光敏膠的劑量大小的關(guān)系，需進(jìn)行紫外光源、電源、反射器和輔助設(shè)備間的相關(guān)的性能匹配測試，以增加固化深度、減少發(fā)熱量，獲得良好的固化效果。

便攜式光固化修理設(shè)備主要用于飛機(jī)次承力結(jié)構(gòu)損傷的快速修復(fù)，與傳統(tǒng)的固化技術(shù)相比較，大大促進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)快速修理，提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)快速修理能力和效率[3]。

[1]許 松，魏 東.光固化復(fù)合材料補(bǔ)片在結(jié)構(gòu)搶修中的應(yīng)用研究[J].航空維修與工程，2006（2）：30-32.

[2]魏 東，劉成武.光固化復(fù)合材料補(bǔ)片在飛機(jī)蒙皮修復(fù)中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2003（7）：65-67.

[3]張建華，侯日立.飛機(jī)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)傷防真[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.