專利名稱：飛行器結構損傷復合材料快速修復技術與設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的飛機結構損傷復合材料微波快速修復技術與設備屬飛機結構損傷修復與戰(zhàn)傷搶修技術。
背景技術：
由于應力腐蝕與疲勞，以及外來物的沖擊，在現(xiàn)役金屬飛機上容易產(chǎn)生裂紋和損傷。目前我國外場常用的修復方法是更換損傷結構或使用金屬補強板鉚接、焊接或膠接到損傷部位。這種多年沿用的傳統(tǒng)修復方法的缺點是使結構重量增加，連接效率大大降低。采用螺接或鉚接時，將形成新的應力集中區(qū)，難以實現(xiàn)對受傷結構的有效修復，更為嚴重的缺點是修復作業(yè)時間長，修補用結構備件制備困難，修補作業(yè)操作不便，根本無法實現(xiàn)外場條件下的“快速搶修”。它已經(jīng)成為影響飛行器快速修復正常飛行或延壽的嚴重問題，是空軍與民航部門亟待解決的關鍵所在。
隨著復合材料的開發(fā)應用，將高性能的復合材料作為新型連接件直接膠接到金屬飛機的損傷部位，國外已取得成功。應用復合材料進行修補使大批飛機恢復了飛行的性能，延長了壽命，取得了非常顯著的經(jīng)濟效果。特別是美國軍方，系統(tǒng)地對波音707及C130等飛機機翼大梁的疲勞裂紋與應力腐蝕裂紋進行長達8年的修復后跟蹤試驗，驗證了“用復合材料修補金屬結構”的可靠性。但國外在從事這項工作時，仍是運用傳統(tǒng)的修補復合材料損傷結構的熱粘法。由于金屬的導熱性能與復合材料顯著不同，在采用熱粘法時，熱影響區(qū)問題不易解決，從而導致外圍設備增多，修補設備復雜，維修環(huán)境要求苛刻，難以實現(xiàn)現(xiàn)役飛行器的外場修復，更難以作為“快速搶修”的有效手段推出。
復合材料的傳統(tǒng)修復法如鉚(螺)接、粘結、超聲焊、磨擦焊、電阻加熱、感應方式遠紅外加熱，雖各具特色，但都有不足之處，難以達到快速修復的目的。樹脂基復合材料修補金屬傳統(tǒng)方法，均難以達到快速修復的目的，如粘結法，往往需要長的(加熱、加壓)固化時間。熱補法的“熱影響區(qū)”問題，因固化時間太長而越趨嚴重。紅外或遠紅外的溫熱慣性大，穿透力差且連接效果不理想。
微波技術在復合材料制備與修復方面的應用，國外自八十年代中期以來雖已陸續(xù)報導，但往往囿于“輻射加熱”的范疇，且偏重于微波技術在復合材料制備(固化)過程中的連接與修復問題，而復合材料及其結構特別是金屬結構的復合材料外場快速修復的微波技術，國外報導中尚未涉及。同樣，目前國內(nèi)工程界在應用微波技術時，亦往往歸結為“輻射加熱”，從而導致外圍設備增多，投資增大，且不能適應在線產(chǎn)品與金屬結構外場快速修復的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是，研制一種能對飛行器結構的裂紋或損傷部位進行外場快速修復，且修復質(zhì)量可靠，切實可行，操作簡便的復合材料技術及設備。為解決這一技術問題，本發(fā)明由微波功率源和微波施加器所組成，其中微波功率源由可控自耦變壓器副邊經(jīng)整流電路連于磁控管，自控電路連于可控自耦變壓器原邊和磁控管電源變壓器原邊，磁控管電源變壓器提供磁控管的電源，與微波功率源的輸出端相連的微波施加器由轉接器連于同軸饋線后，再與輻射天線相連。
利用本發(fā)明的微波功率源提供的小功率微波能量，經(jīng)微波施加器對涂有高性能微波結構膠的飛行器結構裂紋或損傷部位進行有選擇的局部加溫，達到快速、優(yōu)質(zhì)修復飛行器結構裂紋或損傷的目的。主要是基于兩點機理其一是，置于微波場內(nèi)的材料能否吸收微波能量以及吸收多少，完全取決于材料本身的性質(zhì)(εr及tgδ)，即材料的導電磁率。這是微波作為通用加熱源的不足之處，但也正是作為復合材料修復用功率源的優(yōu)點，它可使修補或連接區(qū)需要固化的樹脂迅速加熱而不影響其它部位；也可以通過使用微波膠(注入了微波吸收劑或“手性分子”的粘合劑)提高修復區(qū)(連接區(qū))的導電磁率而獲得高的能量(吸收)效率和優(yōu)良的修復質(zhì)量，對于不需要加熱的部位不存在所謂“熱影響區(qū)”之虞；其二是，介質(zhì)吸收的微波能量，隨微波功率源的電場強度(E)及輻射頻率(f)的變化而迅速改變，這就是微波致熱的“場強高溫”與“高頻高溫”的特性，這一特性保證了微波致熱具有熱慣性小，而穿透力強的優(yōu)點，可使被加熱介質(zhì)瞬間升溫，有利于實現(xiàn)修復區(qū)的快速控制加熱。
此外，微波輻射增強了膠粘劑與基體之間的粘合。輻射引發(fā)的高聚物分子間的化學變化，將引起聚合物的物理性質(zhì)和機械性質(zhì)等顯著改善。例如，微波輻射使聚合物的第一個分子平均生成約一個交聯(lián)單位，其結果是聚合物的粘度大大增加了，所以說，微波的非致熱效應是修復區(qū)具有較強界面結合的關鍵所在。微波輻射引起極性基團的劇烈運動，使修復區(qū)分子或分子鏈段相互滲透，且在界面處產(chǎn)生更高的交聯(lián)度，并導致相界面的消失，從而形成牢固的結合。
另外，通過修復區(qū)(連接區(qū))注入微波吸收劑的辦法，提高修復區(qū)材料的導電磁率，從而使微波的“快速致熱”，“瞬間升溫”效應得以在復合材料修復區(qū)實現(xiàn)。膠粘劑微波固化機理研究表明，由于微波加熱是一種體加熱，且其溫度分布梯度是內(nèi)部溫度高于表面溫度，因此不存在一般加熱方法形成內(nèi)應力的機制；同時，微波加熱較常規(guī)加熱更均勻，因而不會造成熱應力的局部集中，也不會造成局部的交聯(lián)過度而使應力集中，所以，采用微波固化時，既可達到快速固化(數(shù)十秒或數(shù)分鐘)的目的，又可使固化更完全、更充分、膠接強度更高。
基于上述機理，本發(fā)明能夠對飛機(飛行器)結構的裂紋或損傷部位進行外場快速、優(yōu)質(zhì)、可靠、高效的修復，使之在數(shù)十秒或數(shù)分鐘內(nèi)形成新的更強界面，將損傷或缺陷快速修復(連接)并固化，實現(xiàn)了對飛機結構及其它飛行器結構的裂紋或損傷部位的外場“快速搶修”的目的。因此，必將進一步提高我國未來戰(zhàn)爭中各類飛機結構或其它飛行器結構戰(zhàn)傷的快速搶修能力。


圖1、微波功率源電原理圖。
圖2、微波施加器的結構示意圖。
圖2中標號名稱1、轉接器，2、同軸饋線，3、輻射天線。
圖3、管腔內(nèi)輻射天線結構示意圖。
圖4、表面輻射天線結構示意圖。
圖5、微波修補刀結構示意圖。
圖6、行波場天線結構示意圖。
圖7、諧振腔施加器天線結構示意圖。
具體實施例方式
圖1是本發(fā)明的專用微波功率源，由可控自耦變壓器B1經(jīng)橋式整流后提供磁控管M的陽極電壓，而變壓器B2提供磁控管M的燈絲電壓?？刂齐娐酚蓵r間繼電器JSA、JSS，按扭開關K及腳踏開關TK所組成。它具有自動保護功能即JSA提供磁控管M高壓延時保護；而JSS提供磁控管M可調(diào)延時斷路保護，由它控制磁控管M的工作時間，并由蜂鳴器FM以聲響信號提示。磁控管M是核心部件，微波輻射頻率由它決定，為了便于外場修復，采用發(fā)射功率達200W，工作頻率達2450MHZ的連續(xù)微波振蕩器，(必要時亦可采用發(fā)射功率大于500W，工作頻率2450或915MHZ，小于200W時采用同軸電纜輸出，大于或等于500W時，磁控管為波導輸出，采用波導一同軸電纜轉接器輸出)。當磁控管M工作時，輸出不超過200W的微波能量。改變變壓器B1初級電壓，可控制磁控管M的陽極電壓，從而改變輸出微波功率大小。本微波功率源的特點是1、線路簡單，操作方便，配合本發(fā)明的微波施加器可將微波能量集中到受修復部位的局部，從而有效地利用小功率微波發(fā)射而達到快速修復飛機裂紋或損傷部位的目的；2、利用磁控管M的陽極特性曲線的初始直線段，從而使磁控管M的工作電壓由1800V降至1000V，保證了安全；3、設計了低壓調(diào)控的自耦變壓器B1，從而保證了采用8位選頻開關作磁控管M陽極電壓切換時的安全，省去了一般微波機中不可缺少的高壓調(diào)壓器。
4、當磁控管是導波輸出時(一般其發(fā)射功率超過500W)本發(fā)明特制了導波一—同軸轉接器，將其改為同軸電纜輸出，以便與施加器連接。
圖2是本發(fā)明的微波施加器的結構示意圖。能在小功率微波輻射下滿足金屬飛機結構復合材料快速修復的要求。由轉接器1、同軸饋線2和輻射天線3所組成。轉接器1采用射頻同軸轉換頭或標準同軸插頭，通過它實現(xiàn)微波施加器與微波功率源的連接。同軸饋線2的特性阻抗與輻射天線3的輸入阻抗匹配。它可以是一段射頻電纜，也可以是滿足阻抗匹配的硬同軸線。輻射天線3是微波施加器的關鍵部件，根據(jù)修復區(qū)裂紋或損傷部位的形式，可采用針狀單極子，電偶極子或微帶天線，制成植入式，直接接觸式或空間輻射式等多種類型。圖3-7是幾種典型的輻射天線結構示意圖。
圖3為管腔輻射天線結構示意圖。有針狀單極子天線和電偶極子天線兩種基本類型，可插入管腔內(nèi)進行微波輻射，圖3(a)為針狀單極子天線結構示意圖，它由同饋線內(nèi)外導體4、5，金屬套7，針狀單極子6及介質(zhì)8所組成，針狀單極子6與同軸饋線內(nèi)導體4相連，金屬套7與同軸饋線外導體5相連。圖3(b)為電偶極子天線結構示意圖，它由同軸饋線內(nèi)導體9，同軸饋線外導體10及介質(zhì)11所組成。
圖4、為表面輻射天線結構示意圖，這類天線可緊貼結構體表曲面輻射微波。圖4(a)為螺旋形微帶天線，它由螺旋形微帶天線與柔性介質(zhì)基片所組成。圖4(b)為圓極化微帶天線，它由圓極化微帶天線14與柔性介質(zhì)基片15所組成?？蓪D(a)與圖(b)的單元天線以陳列方式組合成如圖(c)所示的陳列組合形式。
圖5、為微波修補刀結構示意圖。它是一種電小尺寸偶極子，根據(jù)具體損傷部位的形狀，可采用相應的形狀。它由刀狀叉頭16連于硬同軸線內(nèi)導體17置于硬同軸線外導體18內(nèi)所組成。這種結構形式的天線，主要用于溝、漕、微孔等特殊損傷部位的修補。
圖6、為行波場輻射天線結構示意圖。圖6(a)的天線形式，用于損傷部位為平面的加熱修補。如果天線的施工端面為曲面時，可作曲面加熱修補。
圖6(b)由兩個半圓形筒組成，主要用于管外表面或曲面的損傷部位進行加熱修補。
圖7、諧振腔施加器天線結構示意圖。由波導、通濾段及諧振腔所組成，用于平面損傷部位的加熱修補。
以上幾種輻射天線具有以下特點1、輻射天線在尺寸上遠小于輻射微波波長，因而體積小、重量輕；2、輻射天線的形狀與損傷局部接受微波輻射的需要相符，在需要時它具有集中輻射微波能量與高頻電凝的雙重功能，燒灼效果明顯增強，但不會對周圍正常機械部位造成損傷。
權利要求
1.一種飛行器結構損傷復合材料微波快速修復技術與設備，其特征在于由微波功率源和微波施加器所組成，微波功率源由可控自耦變壓器副邊經(jīng)整流電路連于磁控管，自控電路連于可控自耦變壓器原邊和磁控管電源變壓器原邊，磁控管電源變壓器提供磁控管的電源；與微波功率源的輸出端相連的微波施加器由轉接器連于同軸饋線后，再與輻射天線相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的飛行器結構損傷復合材料微波快速修復技術與設備，其特征在于，管腔輻射天線的針狀單極子天線，其針狀單極子與同軸饋線內(nèi)導體相連置于介質(zhì)內(nèi)，介質(zhì)外層針狀單極子一端套有金屬套與套在另一端的同軸饋線外導體相連。
3.根據(jù)權利要求1所述的飛行器結構損傷復合材料微波快速修復技術與設備，其特征在于，管腔輻射天線的電偶極子天線的同軸饋線內(nèi)導體與同軸饋線外導體均置于介質(zhì)中。
4.根據(jù)權利要求1所述的飛行器結構損傷復合材料微波快速修復技術與設備，其特征在于，表面輻射天線有螺旋形和圓極化形，由微帶天線置于柔性介質(zhì)基片中所組成，其單個的單元天線可以陳列方式組合成陳列式組合天線。
5.根據(jù)權利要求1所述的飛行器結構損傷復合材料微波快速修復技術與設備，其特征在于，微波修補刀由刀狀叉頭連于硬同軸線內(nèi)導線置于硬同軸線外導體內(nèi)所組成。
全文摘要
一種飛行器結構損傷復合材料微波快速修復技術及設備屬飛機結構損傷修復與戰(zhàn)傷搶修技術。由可控自耦變壓器、整流電路、控制電路和磁控管所組成的微波功率源與由轉接器,同軸饋線、輻射天線所組成的微波施加器所構成。本發(fā)明能在數(shù)十秒或數(shù)分鐘內(nèi)對飛機結構或其它飛行器結構損傷部進行局部快速加溫,而對損傷部位周圍結構不造成任何影響,從而達到了快速、高效、優(yōu)質(zhì)、可靠地修復損傷部位的目的,尤其實現(xiàn)了對飛機結構或其它飛行器結構損傷部位的外場“快速搶修”的目的。
文檔編號B64F5/00GK1361039SQ0211260
公開日2002年7月31日 申請日期2002年1月29日 優(yōu)先權日2002年1月29日
發(fā)明者許陸文, 張瑜, 蔡達智 申請人:許陸文