一種用于飛機戰(zhàn)傷修理便攜式光固化設備的設計

許 松，魏 東，陳 浩

飛機結構快速搶修是指飛機結構損傷進行快速修復飛機完好，是航空裝備戰(zhàn)斗力生成的倍增器[1]。開展飛機結構戰(zhàn)傷快速搶修新材料、新工藝研究，是提高損傷飛機“再生率”，做好軍事斗爭準備的一項十分重要、非常緊迫的科研課題。

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

1 主要功能和技術指標

1.1 主要功能

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

1.2 技戰(zhàn)術指標

（1）工作溫度：-40℃ ～55℃；

（2）交流電源：～220 V，50 Hz；

（3）設備功率：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 光固化設備的主要組成和工作原理

2.1 主要組成

根據(jù)飛機原位修理的需要，結合飛機的結構特點，考慮紫外光光譜分布，研制了光固化修理設備，確定了設備的能源系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助設備。

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，進而使光固化設備中的汞蒸發(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，快速修理設備的紫外光線光譜分布如圖3.該設備通過優(yōu)化電路設計，達到光固化所需的紫外光。

圖3 光固化設備光的強度分布示意圖

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)修理補片中樹脂的不飽和單體和預聚體生成新的自由基，使光固化樹脂（修理補片）整個體系發(fā)生聚合、接枝、交聯(lián)等化學反應，從而使飛機修理補片快速固化，完成飛機結構快速修理的目的。

2.2.2 光固化設備中光的強度分布測試

通過對光固化設備中光的強度測試，以期驗證光固化設備的性能，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使用的針對性。經(jīng)試驗測試：在一定范圍內(nèi)光強大概在60×1 000 uw/cm2范圍內(nèi)，這個光的強度固化的時間短、效率高和修理強度高。

2.2.3 光固化設備設計中解決的問題

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

（1）改變光固化設備的光譜：通過改變光固化設備光譜分布的方法，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度，從而減小設備的能力耗損。

（3）降低光固化設備的光源功率：在滿足飛機結構光固化快速修理的前提下，降低了設備光源的功率，減少光固化設備的發(fā)熱量。

3 光固化快速修理設備的特點

光固化快速搶修設備進行結構損傷修理有以下特點：

（1）修理時間短：利用光固化快速搶修設備對復合材料預浸料補片進行固化。所需設備、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，固化后與原結構貼合較好，具有較好的氣動特性和飛行性能。

（4）修理增重小：復合材料補片比強度、比剛度較高，補片的結構重量輕，修理時可省去傳統(tǒng)結構修理等金屬連接件帶來的結構復雜、增重等問題。

（5）修理空間?。涸撛O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體內(nèi)部結構損傷修理。

（6）通用性好：適用于金屬、非金屬復合材料的修理。

（7）操作要求低：操作人員按照工藝要求，可以迅速實施光固化快速修理。

4 結束語

光固化設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。該光固化設備在設計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度、光敏膠的劑量大小的關系，需進行紫外光源、電源、反射器和輔助設備間的相關的性能匹配測試，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備主要用于飛機次承力結構損傷的快速修復，與傳統(tǒng)的固化技術相比較，大大促進飛機結構快速修理，提高飛機結構快速修理能力和效率[3]。

[1]許 松，魏 東.光固化復合材料補片在結構搶修中的應用研究[J].航空維修與工程，2006（2）：30-32.

[2]魏 東，劉成武.光固化復合材料補片在飛機蒙皮修復中的應用[J].航空制造技術，2003（7）：65-67.

[3]張建華，侯日立.飛機結構戰(zhàn)傷防真[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.