在未來的戰(zhàn)爭中，高技術武器裝備起著決定戰(zhàn)爭勝負的作用，航空裝備作為空中作戰(zhàn)的物質(zhì)基礎，如何適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭的要求，是我們必須要解決的重要課題。結(jié)合航空裝備的特點，分析了激光技術在航空裝備保障過程中的應用現(xiàn)狀，并探討了其發(fā)展趨勢。
隨著航空設計和制造技術的進步，新型結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝在航空裝備制造過程中被大量采用，航卒裝備保障面臨前所未有的挑戰(zhàn)。激光技術以其具有良好的李間控制性和時間控制性，以及特別適合加工高硬度、高熔點或高脆性的材料等特點，受到各個國家的廣泛重視。以美國、德國、日本為代表的發(fā)達國家向該領域投入了大量的資金和資源，激光技術迅猛發(fā)展，已經(jīng)在信息領域、制造業(yè)(電子、半導體、機械、汽車、飛機等制造行業(yè))、軍事領域、智能化識別及醫(yī)療儀器等領域廣泛應用。如美國將激光技術應用于航李裝備制造領域，提高航空裝備質(zhì)量的同時，縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)省了大量的資金，其下一步研究方向已經(jīng)轉(zhuǎn)入航空裝備維修領域。激光技術將在所有制造領域內(nèi)取代傳統(tǒng)的機械制造，在航空裝備保障領域發(fā)揮核心作用。
1 激光技術
1.1 激光技術的起源及發(fā)展現(xiàn)狀
20世紀50年代美國科學家湯斯(Townes)及前蘇聯(lián)科學家普羅克霍洛夫(Prokhomv)等人分別獨立發(fā)明了一種低噪聲微波放大器，即一種在微波波段的受激輻射放大器(Micmwave amplification by stimulated emission of radiation)，并以其英文的第—個字母縮寫命名為Masero 1958年美國科學家湯斯(Townes)和肖洛(Schawlow)提出在一定的條件下，可將這種微波受激輻射放大器的原理推廣到光波波段，制成受激輻射光放大器(Light amplication by stimulate emission of radiation)，縮寫為Laser。1960年7月美國的梅曼(Maiman)宣布制成了第一臺紅寶石激光器(Ruby Laser)。
目前，世界激光器市場可以劃分為三大區(qū)域：美國(包括北美)占55％，歐洲占22％，日本及太平洋地區(qū)占23％。在世界激光市場上，日本在顯示器、光存儲、光通訊及硬拷貝等方面首屈一指，美國占第二位；在激光醫(yī)療(medical laser)及激光檢測方面則是美國領先；而在激光材料加工設備方面，德國做得最好。
我國的第一臺紅寶石激光器于1961年誕生于長春光機所，僅落后美國的貝爾實驗室一年。經(jīng)過幾十年的努力，我國在激光器和激光應用技術研究領域取得了許多成就，我國研制的激光器的功率已經(jīng)達到并超過了萬瓦級，但是在激光器的實際應用方面與國際先進水平相比還存在很大差距，主要是由于激光光束質(zhì)量的問題，使得目前用于激光制造的大功率激光器只能依賴進口回。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)目前從事激光器及激光應用設備生產(chǎn)的單位約500家，其中生產(chǎn)激光音像設備的就有380多家，其他激光設備的有150多家，國家級的激光工程技術研究中心有四個，各種類型的激光加工(laser oem)站有120多家。
1.2 激光制造技術與激光焊接技術
隨著激光技術、計算機技術、CAD，CAM技術以及機械工程技術的發(fā)展，特別是激光快速原型技術的發(fā)展，快捷地生產(chǎn)出合格的零部件已經(jīng)成為可能。激光快速原型技術(RP-Rapid Prototyping Technology)是二十世紀八十年代后期興起的一項高新技術，它通過材料添加方式快速將CAD模型商接轉(zhuǎn)換成實體模型，而不需要傳統(tǒng)的模具、工具或其他的人工干涉，它集成了機械工程、CAD，CAM、數(shù)控技術、激光技術及材料科學等領域的最新成果，可以自動而迅速的將設計思想轉(zhuǎn)化為具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原型或直接制造零件，從而可以對產(chǎn)品進行快速評價、修改。以下簡要介紹兩種先進的激光制造技術。
激光涂覆(熔覆)制造技術：激光涂覆是利用一定功率密度的激光束照射被覆金屬表層上的具有某種特殊性能的材料，使之完全熔化，而基體金屬微熔，冷凝后在基材表面形成一個低稀釋度的包覆層，從而達到使基材改性的目的。目前。激光涂覆技術已經(jīng)進入工業(yè)應用階段，如已將激光熔覆直接制造技術應用于航空航天重要零件以及新型武器裝備中的高性能特種零件的局部制造與修復例；激光涂覆快速制造技術：是近年來在激光熔覆技術和快速原型技術的基礎上發(fā)展起來的一種新技術。首先，由CAD產(chǎn)生零件模型，并用分層切片軟件對其進行處理，獲得各截面形狀的信息參數(shù)，作為工作臺進行移動的軌跡參數(shù)。工作臺在計算機的控制下，根據(jù)幾何形體各層截面的坐標數(shù)據(jù)進行移動的同時，用激光涂覆的方法將材料進行逐層堆積，最終形成具有一定外形的三維實體零件。
激光焊接技術也是激光技術應用的重要方面之一。激光焊接是將高強度的激光輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結(jié)晶形成焊接。激光焊接作為一種高質(zhì)量、高精度、低變形、高效率和高速度的焊接方法，隨著高功率CO2和高功率YAG激光器以及光纖傳輸技術的完善、金屬鉬焊接聚束物鏡等的研制成功，其在機械制造、航空航天、汽車工業(yè)、粉末冶金、生物醫(yī)學、微電子行業(yè)等領域的應用越來越廣。
2 航空裝備保障
當前，一場全球性的新軍事變革正受到軍界的普遍重視，有人把這場新軍事變革概括為“三新兩變”，即：研究新作戰(zhàn)思想，研發(fā)新武器裝備，建立新編制體制以及從根本上改變作戰(zhàn)形態(tài)和作戰(zhàn)方式。這場新軍事變革正在對未來航空裝備發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響，作為空中作戰(zhàn)物質(zhì)基礎的航空裝備，必須順應新軍事變革的潮流，將航空裝備保障的思想貫穿于研究、制造、使用、維護保養(yǎng)的全過程，應用先進技術不斷提高航空裝備的性能和質(zhì)量，時刻保證航空裝備處于完好狀態(tài)，為打贏未來高技術條件下的局部戰(zhàn)爭提供物質(zhì)保障。nextpage
人類文明進步的歷史是與科學技術的發(fā)展與進步緊密聯(lián)系在一起的，許多先進制造技術和工藝、先進材料往往是在航空裝備上首先得到應用。激光用于直接制造最初是美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室的科學家基于核武器關鍵零部件的快速制造提出的，加快了激光技術向航空裝備領域應用的步伐，如美國賓夕法尼亞州立大學應用研究實驗室、約翰霍普金斯大學應用物理實驗室和MTS系統(tǒng)公司合作，在美國海軍和陸軍資助下，專門研究用大功率CO2激光直接制造鈦合金飛機大型結(jié)構(gòu)件。
美國政府對激光直接制造技術非常重視，從許多不同的渠道給予了大量資助，據(jù)統(tǒng)計，前后共投入2000萬美元的研發(fā)基金。MTS公司屬下AeroMat公司已采用激光直接制造F/A-18E/F戰(zhàn)斗機鈦合金機翼件，結(jié)果可使生產(chǎn)周期降低75％，生產(chǎn)成本節(jié)約20％，生產(chǎn)400架飛機即可節(jié)約5000萬美元。洛克希德·馬丁公司也在其軍用飛機制造廠安裝了激光直接制造設備，以前幾個月的工作量現(xiàn)在可以在兩周內(nèi)完成，可將傳統(tǒng)方法由幾百個零部件組成的結(jié)構(gòu)改成單件結(jié)構(gòu)，從而改善了結(jié)構(gòu)完整性，減輕了重量。對于某些零件或結(jié)構(gòu)件，如果采用傳統(tǒng)方法制造，僅生產(chǎn)專用加工工具就需要1年時間，鈦合金板材訂貨需要一年半，而采用激光直接制造只需幾十個小時。M.Gaumann等利用激光外延生長技術(E-LMF)成功地制造出了航空航天發(fā)動機用的耐高溫鎳基超合金單晶葉片，該技術同時可用于單晶葉片的修復，修復后的葉片保持完好的單晶性能，而且取向與原葉片部分完全一致。
航空裝備維修與其他行業(yè)相比，對工藝技術要求更高，特別是在維修質(zhì)量和安全可靠性方面。多年來。傳統(tǒng)的航空維修廣泛采用TIG和MIG焊接技術.特別是航空時片的維修，但是依然存在許多實際問題。
例如，對需要維修的葉片有很多限制和要求，有許多葉片不能采用現(xiàn)有焊接技術維修，或者在維修過程中由于變形、開裂或熱損傷而造成葉片報廢，或者由于修復時強烈受熱使性能降低導致葉片使用壽命縮短、可靠性下降。而國際著名的航空發(fā)動機制造公司和許多專業(yè)維修公司對航空葉片維修早已采用激光熔敷技術，如普惠、GE、羅-羅和MTU等公司。
將激光焊接技術應用于飛機結(jié)構(gòu)損傷搶修，是激光焊接鋁合金成為鋁合金連接的一種重要手段，并在國際上有許多成功的例子。歐洲空中客車A340飛機的制造中，其全部鋁合金內(nèi)隔板均采用激光焊接，大大簡化了飛機機身的制造工藝。在美國軍方ManTech計劃中，激光直接制造的研究重點已從制造轉(zhuǎn)向維修，第二階段研究的題目就是“坦克、艦船和飛機零部件的維修”，其中飛機零部件維修的參加單位有杰克遜維韋海軍航空基地、切里角海軍航空基地、羅-羅公司和洛克希德·馬丁公司等。
3 激光技術在航空裝備保障中的應用
隨著激光技術的進一步發(fā)展和市場的不斷擴大，激光制造技術將在所有制造領域內(nèi)取代傳統(tǒng)的機械制造。激光微制造技術使制造微精密元件成為可能，且視微系統(tǒng)朝著多樣化和智能化方向發(fā)展。目前，激光直接制造技術已經(jīng)趨于成熟，專用設備的功能和性能在不斷提高和完善，激光直接制造各種材料的工藝技術也得到廣泛和深入的研究，在航空、航天等領域得到應用，這為激光直接制造技術應用于裝備維修奠定了基礎。#p#分頁標題#e#
激光焊接技術的不斷成熟為航空裝備維修和返場大修提供了新穎獨特的解決方案，與普通激光熔覆相比，可以預先對維修區(qū)的尺寸形狀進行檢測和分析，對維修路徑進行優(yōu)化和設計，其焊接過程自動化、熱應力小、無變形，能夠維修呵焊性差的材料，如某些鎳基高溫合金、鋁合金，從而可以獲得更好的成形、表面質(zhì)量和維修性能。該項技術可廣泛用于各種航空材料，可以使維修更迅速和更可靠地完成?，F(xiàn)代飛機制造中焊接技術的應用越來越多，高能柬流焊接技術工程應用趨于成熟。激光加工(laser oem)技術作為高能束的典型代表，最適合于鈦合金零件的損傷修復。國外利用固體YAG激光器進行縫焊和點焊，已有很高的水平。日本白上個世紀九十年代以來，在電子行業(yè)的精密焊接方面已實現(xiàn)了從點焊向激光焊接的轉(zhuǎn)變。
將激光制造技術應用于航空裝備維修領域是完全可行的，因為維修與制造沒有本質(zhì)區(qū)別，維修可以看成是集中于表面和局部的制造過程。
國外激光直接制造技術已趨于成熟，商品化的激光直接制造設備已進入市場，其性能和功能也在不斷完善，這為激光直接制造用于航空裝備維修奠定了物質(zhì)基礎。美國軍方對該項技術在航空維修中的作用和應用十分關注，美國國防部研究項目已證明了該項技術用于航空裝備維修的必要性和可行性。而我國在將激光技術用于航空裝備制造、維修方面才剛剛起步，激光制造技術還不夠成熟，應加快激光技術的發(fā)展及其在航空維修領域的應用，同時應結(jié)合航窄裝備質(zhì)量保障的具體特點，開展預研和應用基礎研究，為航宅裝備制造和現(xiàn)場維修創(chuàng)造條件。
4 加快激光技術在航空裝備中的應用
4.1 制定將激光技術應用于航空裝備質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃
我國對將激光技術應用于航空裝備建設的重要性缺乏足夠的重視，與德國、美國等發(fā)達國家形成鮮明對比。1998年美國國家研究理事會發(fā)布了哈里森計劃，指出“光技術將改變整個世界”，加強學科交叉，使光技術成為一個綜合性學科，增進了美國的經(jīng)濟、軍事實力。我國有關部門應提高對將激光制造技術應用于航空裝備的重要性的認識，為航空裝備質(zhì)量保障的發(fā)展提供技術支持。
4.2 加大政府對航空裝備質(zhì)量建設的資金支持
美國、德國等發(fā)達國家向開發(fā)激光技術投入了大量的資金、資源，例如德國在“LASER 2000”計劃期間，基金就資助了2.9億歐元(約合人民幣26億元)，平均每個項目約資助50萬歐元。擁有高質(zhì)量、高性能的航空裝備，必須加快激光技術的發(fā)展應用，加大對航空裝備建設的資金支持。
4.3 現(xiàn)代激光人才的培養(yǎng)
現(xiàn)代激光人才必須具有激光制造技術和激光制造系統(tǒng)的知識基層，并在相關方面具有深厚專業(yè)功底，并能針對現(xiàn)代激光制造中的問題開展基礎理論的研究。要將激光技術應用于我國航空裝備保障，首先必須加強對現(xiàn)代激光人才的培養(yǎng)。
4.4 加強激光技術的國際合作
德國、美國、日本等國在這一領域處于先進水平，他們有很多做法和經(jīng)驗值得我們學習借鑒。中德兩國在激光加工(laser oem)領域內(nèi)有長期合作交流的歷史，通過交流學習，有利于加快我國激光技術的發(fā)展，有利于加快激光技術在我國航空裝備保障中的應用。
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