CN1361039A - 飞行器结构损伤复合材料快速修复技术与设备 - Google Patents
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Abstract
一种飞行器结构损伤复合材料微波快速修复技术及设备属飞机结构损伤修复与战伤抢修技术。由可控自耦变压器、整流电路、控制电路和磁控管所组成的微波功率源与由转接器,同轴馈线、辐射天线所组成的微波施加器所构成。本发明能在数十秒或数分钟内对飞机结构或其它飞行器结构损伤部进行局部快速加温,而对损伤部位周围结构不造成任何影响,从而达到了快速、高效、优质、可靠地修复损伤部位的目的,尤其实现了对飞机结构或其它飞行器结构损伤部位的外场“快速抢修”的目的。
Description
技术领域
本发明的飞机结构损伤复合材料微波快速修复技术与设备属飞机结构损伤修复与战伤抢修技术。
背景技术
由于应力腐蚀与疲劳，以及外来物的冲击，在现役金属飞机上容易产生裂纹和损伤。目前我国外场常用的修复方法是更换损伤结构或使用金属补强板铆接、焊接或胶接到损伤部位。这种多年沿用的传统修复方法的缺点是使结构重量增加，连接效率大大降低。采用螺接或铆接时，将形成新的应力集中区，难以实现对受伤结构的有效修复，更为严重的缺点是修复作业时间长，修补用结构备件制备困难，修补作业操作不便，根本无法实现外场条件下的“快速抢修”。它已经成为影响飞行器快速修复正常飞行或延寿的严重问题，是空军与民航部门亟待解决的关键所在。
随着复合材料的开发应用，将高性能的复合材料作为新型连接件直接胶接到金属飞机的损伤部位，国外已取得成功。应用复合材料进行修补使大批飞机恢复了飞行的性能，延长了寿命，取得了非常显著的经济效果。特别是美国军方，系统地对波音707及C130等飞机机翼大梁的疲劳裂纹与应力腐蚀裂纹进行长达8年的修复后跟踪试验，验证了“用复合材料修补金属结构”的可靠性。但国外在从事这项工作时，仍是运用传统的修补复合材料损伤结构的热粘法。由于金属的导热性能与复合材料显著不同，在采用热粘法时，热影响区问题不易解决，从而导致外围设备增多，修补设备复杂，维修环境要求苛刻，难以实现现役飞行器的外场修复，更难以作为“快速抢修”的有效手段推出。
复合材料的传统修复法如铆(螺)接、粘结、超声焊、磨擦焊、电阻加热、感应方式远红外加热，虽各具特色，但都有不足之处，难以达到快速修复的目的。树脂基复合材料修补金属传统方法，均难以达到快速修复的目的，如粘结法，往往需要长的(加热、加压)固化时间。热补法的“热影响区”问题，因固化时间太长而越趋严重。红外或远红外的温热惯性大，穿透力差且连接效果不理想。
微波技术在复合材料制备与修复方面的应用，国外自八十年代中期以来虽已陆续报导，但往往囿于“辐射加热”的范畴，且偏重于微波技术在复合材料制备(固化)过程中的连接与修复问题，而复合材料及其结构特别是金属结构的复合材料外场快速修复的微波技术，国外报导中尚未涉及。同样，目前国内工程界在应用微波技术时，亦往往归结为“辐射加热”，从而导致外围设备增多，投资增大，且不能适应在线产品与金属结构外场快速修复的需要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，研制一种能对飞行器结构的裂纹或损伤部位进行外场快速修复，且修复质量可靠，切实可行，操作简便的复合材料技术及设备。为解决这一技术问题，本发明由微波功率源和微波施加器所组成，其中微波功率源由可控自耦变压器副边经整流电路连于磁控管，自控电路连于可控自耦变压器原边和磁控管电源变压器原边，磁控管电源变压器提供磁控管的电源，与微波功率源的输出端相连的微波施加器由转接器连于同轴馈线后，再与辐射天线相连。
利用本发明的微波功率源提供的小功率微波能量，经微波施加器对涂有高性能微波结构胶的飞行器结构裂纹或损伤部位进行有选择的局部加温，达到快速、优质修复飞行器结构裂纹或损伤的目的。主要是基于两点机理：其一是，置于微波场内的材料能否吸收微波能量以及吸收多少，完全取决于材料本身的性质(εr及tgδ)，即材料的导电磁率。这是微波作为通用加热源的不足之处，但也正是作为复合材料修复用功率源的优点，它可使修补或连接区需要固化的树脂迅速加热而不影响其它部位；也可以通过使用微波胶(注入了微波吸收剂或“手性分子”的粘合剂)提高修复区(连接区)的导电磁率而获得高的能量(吸收)效率和优良的修复质量，对于不需要加热的部位不存在所谓“热影响区”之虞；其二是，介质吸收的微波能量，随微波功率源的电场强度(E)及辐射频率(f)的变化而迅速改变，这就是微波致热的“场强高温”与“高频高温”的特性，这一特性保证了微波致热具有热惯性小，而穿透力强的优点，可使被加热介质瞬间升温，有利于实现修复区的快速控制加热。
此外，微波辐射增强了胶粘剂与基体之间的粘合。辐射引发的高聚物分子间的化学变化，将引起聚合物的物理性质和机械性质等显著改善。例如，微波辐射使聚合物的第一个分子平均生成约一个交联单位，其结果是聚合物的粘度大大增加了，所以说，微波的非致热效应是修复区具有较强界面结合的关键所在。微波辐射引起极性基团的剧烈运动，使修复区分子或分子链段相互渗透，且在界面处产生更高的交联度，并导致相界面的消失，从而形成牢固的结合。
另外，通过修复区(连接区)注入微波吸收剂的办法，提高修复区材料的导电磁率，从而使微波的“快速致热”，“瞬间升温”效应得以在复合材料修复区实现。胶粘剂微波固化机理研究表明，由于微波加热是一种体加热，且其温度分布梯度是内部温度高于表面温度，因此不存在一般加热方法形成内应力的机制；同时，微波加热较常规加热更均匀，因而不会造成热应力的局部集中，也不会造成局部的交联过度而使应力集中，所以，采用微波固化时，既可达到快速固化(数十秒或数分钟)的目的，又可使固化更完全、更充分、胶接强度更高。
基于上述机理，本发明能够对飞机(飞行器)结构的裂纹或损伤部位进行外场快速、优质、可靠、高效的修复，使之在数十秒或数分钟内形成新的更强界面，将损伤或缺陷快速修复(连接)并固化，实现了对飞机结构及其它飞行器结构的裂纹或损伤部位的外场“快速抢修”的目的。因此，必将进一步提高我国未来战争中各类飞机结构或其它飞行器结构战伤的快速抢修能力。
附图说明
图1、微波功率源电原理图。
图2、微波施加器的结构示意图。
图2中标号名称：1、转接器，2、同轴馈线，3、辐射天线。
图3、管腔内辐射天线结构示意图。
图4、表面辐射天线结构示意图。
图5、微波修补刀结构示意图。
图6、行波场天线结构示意图。
图7、谐振腔施加器天线结构示意图。
具体实施方式
图1是本发明的专用微波功率源，由可控自耦变压器B1经桥式整流后提供磁控管M的阳极电压，而变压器B2提供磁控管M的灯丝电压。控制电路由时间继电器JSA、JSS，按扭开关K及脚踏开关TK所组成。它具有自动保护功能：即JSA提供磁控管M高压延时保护；而JSS提供磁控管M可调延时断路保护，由它控制磁控管M的工作时间，并由蜂鸣器FM以声响信号提示。磁控管M是核心部件，微波辐射频率由它决定，为了便于外场修复，采用发射功率达200W，工作频率达2450MHZ的连续微波振荡器，(必要时亦可采用发射功率大于500W，工作频率2450或915MHZ，小于200W时采用同轴电缆输出，大于或等于500W时，磁控管为波导输出，采用波导一同轴电缆转接器输出)。当磁控管M工作时，输出不超过200W的微波能量。改变变压器B1初级电压，可控制磁控管M的阳极电压，从而改变输出微波功率大小。本微波功率源的特点是：
1、 线路简单，操作方便，配合本发明的微波施加器可将微波能量集中到受修
复部位的局部，从而有效地利用小功率微波发射而达到快速修复飞机裂纹
或损伤部位的目的；
2、 利用磁控管M的阳极特性曲线的初始直线段，从而使磁控管M的工作电压
由1800V降至1000V，保证了安全；
3、 设计了低压调控的自耦变压器B1，从而保证了采用8位选频开关作磁控管
M阳极电压切换时的安全，省去了一般微波机中不可缺少的高压调压器。
4、 当磁控管是导波输出时(一般其发射功率超过500W)本发明特制了导波一
—同轴转接器，将其改为同轴电缆输出，以便与施加器连接。
图2是本发明的微波施加器的结构示意图。能在小功率微波辐射下满足金属飞机结构复合材料快速修复的要求。由转接器1、同轴馈线2和辐射天线3所组成。转接器1采用射频同轴转换头或标准同轴插头，通过它实现微波施加器与微波功率源的连接。同轴馈线2的特性阻抗与辐射天线3的输入阻抗匹配。它可以是一段射频电缆，也可以是满足阻抗匹配的硬同轴线。辐射天线3是微波施加器的关键部件，根据修复区裂纹或损伤部位的形式，可采用针状单极子，电偶极子或微带天线，制成植入式，直接接触式或空间辐射式等多种类型。图3-7是几种典型的辐射天线结构示意图。
图3为管腔辐射天线结构示意图。有针状单极子天线和电偶极子天线两种基本类型，可插入管腔内进行微波辐射，图3(a)为针状单极子天线结构示意图，它由同馈线内外导体4、5，金属套7，针状单极子6及介质8所组成，针状单极子6与同轴馈线内导体4相连，金属套7与同轴馈线外导体5相连。图3(b)为电偶极子天线结构示意图，它由同轴馈线内导体9，同轴馈线外导体10及介质11所组成。
图4、为表面辐射天线结构示意图，这类天线可紧贴结构体表曲面辐射微波。图4(a)为螺旋形微带天线，它由螺旋形微带天线与柔性介质基片所组成。图4(b)为圆极化微带天线，它由圆极化微带天线14与柔性介质基片15所组成。可将图(a)与图(b)的单元天线以陈列方式组合成如图(c)所示的陈列组合形式。
图5、为微波修补刀结构示意图。它是一种电小尺寸偶极子，根据具体损伤部位的形状，可采用相应的形状。它由刀状叉头16连于硬同轴线内导体17置于硬同轴线外导体18内所组成。这种结构形式的天线，主要用于沟、漕、微孔等特殊损伤部位的修补。
图6、为行波场辐射天线结构示意图。图6(a)的天线形式，用于损伤部位为平面的加热修补。如果天线的施工端面为曲面时，可作曲面加热修补。
图6(b)由两个半圆形筒组成，主要用于管外表面或曲面的损伤部位进行加热修补。
图7、谐振腔施加器天线结构示意图。由波导、通滤段及谐振腔所组成，用于平面损伤部位的加热修补。
以上几种辐射天线具有以下特点：
1、辐射天线在尺寸上远小于辐射微波波长，因而体积小、重量轻；
2、辐射天线的形状与损伤局部接受微波辐射的需要相符，在需要时它具有集中辐
射微波能量与高频电凝的双重功能，烧灼效果明显增强，但不会对周围正常机
械部位造成损伤。
Claims (5)
1、一种飞行器结构损伤复合材料微波快速修复技术与设备，其特征在于由微波功率源和微波施加器所组成，微波功率源由可控自耦变压器副边经整流电路连于磁控管，自控电路连于可控自耦变压器原边和磁控管电源变压器原边，磁控管电源变压器提供磁控管的电源；与微波功率源的输出端相连的微波施加器由转接器连于同轴馈线后，再与辐射天线相连。
2、根据权利要求1所述的飞行器结构损伤复合材料微波快速修复技术与设备，其特征在于，管腔辐射天线的针状单极子天线，其针状单极子与同轴馈线内导体相连置于介质内，介质外层针状单极子一端套有金属套与套在另一端的同轴馈线外导体相连。
3、根据权利要求1所述的飞行器结构损伤复合材料微波快速修复技术与设备，其特征在于，管腔辐射天线的电偶极子天线的同轴馈线内导体与同轴馈线外导体均置于介质中。
4、根据权利要求1所述的飞行器结构损伤复合材料微波快速修复技术与设备，其特征在于，表面辐射天线有螺旋形和圆极化形，由微带天线置于柔性介质基片中所组成，其单个的单元天线可以陈列方式组合成陈列式组合天线。
5、根据权利要求1所述的飞行器结构损伤复合材料微波快速修复技术与设备，其特征在于，微波修补刀由刀状叉头连于硬同轴线内导线置于硬同轴线外导体内所组成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |