一种用于飞机战伤修理便携式光固化设备的设计

许 松，魏 东，陈 浩

飞机结构快速抢修是指飞机结构损伤进行快速修复飞机完好，是航空装备战斗力生成的倍增器[1]。开展飞机结构战伤快速抢修新材料、新工艺研究，是提高损伤飞机“再生率”，做好军事斗争准备的一项十分重要、非常紧迫的科研课题。

近几年来，新技术、新材料被广泛运用在飞机结构快速抢修工程，其中新研发的通用性强、安全可靠的光固化快速抢修技术能够适用不同材料的修理需要[2]。现有的光固化修理设备不能满足新的抢修技术的要求，迫切要求研制出更先进的光固化快速抢修设备，以适应越来越成熟的胶粘剂光固化快速抢修技术。

1 主要功能和技术指标

1.1 主要功能

一种用于便携式光固化快速抢修设备是利用光敏树脂，在紫外光的照射下固化成型的飞机结构快速修理的配套设备，该设备能稳定输出特定波长和一定强度的紫外光，主要用于飞机结构上复合材料的快速辐照固化。设备安全性好、可靠性高、重量轻、操作方便，适用于普通条件下飞机结构损伤的原位修理。

1.2 技战术指标

（1）工作温度：-40℃ ～55℃；

（2）交流电源：～220 V，50 Hz；

（3）设备功率：300 W；

（4）紫外光波长：400 nm；

（5）MTBF≥1 200 h

（6）MTTR ≤ 60 min

（7）重量：（5±0.5）kg；

2 光固化设备的主要组成和工作原理

2.1 主要组成

根据飞机原位修理的需要，结合飞机的结构特点，考虑紫外光光谱分布，研制了光固化修理设备，确定了设备的能源系统、光源系统、控制系统和辅助设备。

2.1.1 能源系统

能源系统是利用电感的自感原理产生高压电，从而使惰性气体产生电弧，电弧再为石英管两极的钨丝通电而发热，进而使光固化设备中的汞蒸发，产生弧光并发射紫外光。其工作示意图见图1.

图1 能源系统示意图

2.1.2 光源系统

光源系统采用由中等压力的汞所填充的石英管，光源系统的组成如图2所示。

图2 紫外光源系统示意图

设备中压汞灯，在通电后产生等离子体，从而使汞分子被激发到高能量级，就会产生紫外光，快速修理设备的紫外光线光谱分布如图3.该设备通过优化电路设计，达到光固化所需的紫外光。

图3 光固化设备光的强度分布示意图

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胶中引发剂，再利用该设备的紫外光照射下，使光引发剂形成激发态分子，然后分解成自由基，从而引发修理补片中树脂的不饱和单体和预聚体生成新的自由基，使光固化树脂（修理补片）整个体系发生聚合、接枝、交联等化学反应，从而使飞机修理补片快速固化，完成飞机结构快速修理的目的。

2.2.2 光固化设备中光的强度分布测试

通过对光固化设备中光的强度测试，以期验证光固化设备的性能，并确定在有效的光固化范围内，便于在快速修理工作中增强使用的针对性。经试验测试：在一定范围内光强大概在60×1 000 uw/cm2范围内，这个光的强度固化的时间短、效率高和修理强度高。

2.2.3 光固化设备设计中解决的问题

普通的紫外光灯管在工作时，会产生一定的红外线，这样就会耗费电源系统的电能，而且会使紫外光灯的头部受热，严重时会烤坏修理补片及飞机结构。为解决该难题采取如下措施：

（1）改变光固化设备的光谱：通过改变光固化设备光谱分布的方法，使紫外灯发射的光谱在360～395 nm的波长范围，以期增加紫外线光谱、减少红外线光谱，得到光固化修理所需的光谱。

（2）加装反射器：利用具有吸收红外光谱的材料，按照一定的几何形状加工成反射器，减少红外光的辐射强度，从而减小设备的能力耗损。

（3）降低光固化设备的光源功率：在满足飞机结构光固化快速修理的前提下，降低了设备光源的功率，减少光固化设备的发热量。

3 光固化快速修理设备的特点

光固化快速抢修设备进行结构损伤修理有以下特点：

（1）修理时间短：利用光固化快速抢修设备对复合材料预浸料补片进行固化。所需设备、工具少，操作方便，可在8~10 min内完成固化。

（2）修理质量高：固化后的补片具有较好的耐水、油性能，具有较好的耐热老化性和耐湿热老化性，具有较高的修理质量。

（3）气动特性好：补片在固化前呈柔性，固化前可根据需要改变其形状，固化后与原结构贴合较好，具有较好的气动特性和飞行性能。

（4）修理增重小：复合材料补片比强度、比刚度较高，补片的结构重量轻，修理时可省去传统结构修理等金属连接件带来的结构复杂、增重等问题。

（5）修理空间小：该设备体积小，修理所用工具少，操作空间小，尤其适用于空间狭窄的机体内部结构损伤修理。

（6）通用性好：适用于金属、非金属复合材料的修理。

（7）操作要求低：操作人员按照工艺要求，可以迅速实施光固化快速修理。

4 结束语

光固化设备的固化性能取决于光敏胶的感光性和光固化过程中紫外灯光源。该光固化设备在设计时首先考虑紫外线在固化时产生的光源与体系中光引发剂的吸收光谱相匹配，进而加快快速修理固化成型，提高快速修理速度和效率；同时还要考虑紫外光的光谱分布、红外线的辐射状况以及紫外光的辐射强度、光敏胶的剂量大小的关系，需进行紫外光源、电源、反射器和辅助设备间的相关的性能匹配测试，以增加固化深度、减少发热量，获得良好的固化效果。

便携式光固化修理设备主要用于飞机次承力结构损伤的快速修复，与传统的固化技术相比较，大大促进飞机结构快速修理，提高飞机结构快速修理能力和效率[3]。

[1]许 松，魏 东.光固化复合材料补片在结构抢修中的应用研究[J].航空维修与工程，2006（2）：30-32.

[2]魏 东，刘成武.光固化复合材料补片在飞机蒙皮修复中的应用[J].航空制造技术，2003（7）：65-67.

[3]张建华，侯日立.飞机结构战伤防真[M].北京：国防工业出版社，2006.