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光學工程
解析神州八號上應用的激光技術

       “神州八號”的成功發射,并與 “天宮一號”的順利對接,為中國2020年左右建成空間站邁出關鍵一步。我國的航天技術再次獲得重大突破,其中,激光技術在航空航天領域內的應用功不可沒。 
那么,神州八號上可能用到哪些激光技術呢?經過分析,可能有以下幾方面采用了此項技術: 
      1.發射裝置及飛船內部電子儀器的精密焊接 
      這是激光在航空航天領域應用的最廣泛的技術,由于激光焊接相對于電子束、等離子束和傳統焊接方法有自己獨特的優勢,如能量密度高、熱影響區和變形區小、可焊接不同材料的組合、具有高的柔性等,再加上密封性好、適合在真空等特殊環境下加工,因此激光焊接在航天航空器件中得到廣泛應用,如傳感器、密封件、鉭電容等。 
      比如,華工激光生產的高精密激光焊接機,在貴州某軍工企業應用于焊接鉭電容器件,這種鉭電容器件用于神八宇航飛船發射裝置及飛船內部儀器。這種軍用鉭電容采用了特殊合金外殼,需要在純氮環境下實施密封焊接。針對這一特殊應用,華工激光有針對性的研發了真空手套箱激光焊接系統,對產品實現了完美焊接。
      2.飛船外殼及特種合金零部件的切割加工 
      在航天航空設備的制造中僅外殼的設計就需要多次反復試驗,由于外殼采用特殊金屬材料制成,強度高、硬度高、耐高溫,普通的切割手段很難完成材料的加工,激光切割作為一種高效加工手段而得到廣泛應用。 
      激光切割技術是一種擺脫傳統的機械切割、熱處理切割的全新切割法,能將能量聚焦到微小的空間,從而獲得極高的輻照功率密度(105~1015W/c m2),從而具有更高的切割精度、更低的表面粗糙度值、更靈活的切割方法和更高的生產效率等特點。 
      另外,在神州八號飛船中,內部的零部件也同樣大量采用鋁合金、鈦合金、耐高溫合金等特種合金,結構形狀復雜,成形要求精確,而大功率激光切割機加工技術的引進,能提高加工的質量,降低模具投資成本,縮短生產周期,特別適用于復雜零配件加工。 
      該零配件加工采用的就是高功率激光切割機,如今國產化大功率激光切割機加工技術已具備國際先進水平,去年,華工激光法利萊制造的Contour DM數控激光切割機在西安某軍工企業采購激光切割機項目中一舉中標,打破了進口大功率激光切割機壟斷特種合金和飛機發動機零配件加工領域的格局。 

      另外,由于飛船在大氣層中飛行會產生很大的熱量,在飛船內需要有許多包覆層來實現隔熱,為了在溫度上升過程中順利的將包覆層之間的空氣排出,需要在包覆層上面均勻分布很多微細的小孔,華工激光針對這一應用并結合自身的薄型材料激光切孔專利開發的自動激光切孔機已經應用到包覆層切孔上。 
      3.太陽電池片劃片 
      飛船脫離運載火箭順利進入太空后,展開后的太陽帆板相當于一個小型發電站,通過將太陽能轉換成電能,來為飛船上的電器設備提供能源。飛船上雖備有應急電源,但支持的時間有限,所以主要還是依靠太陽帆板提供電能。 
       這一次,神舟八號飛船電源帆板采用了新的太陽電池片:三結砷化鎵新型電池,原來從神一到神六采用的是單晶硅太陽電池,以前只能達到14.8%的光電轉換效率,而神八和“天宮一號”采用的都是轉換效率達到26.8%的高效三結砷化鎵太陽電池。因此,發電能力提高了50%。 
這種電池的襯底通常為鍺(Ge),在進行疊層的外延生長之前,需要對襯底進行劃片處理。襯底劃片的質量直接影響電池的性能。 
激光劃片技術,特別是短波長激光如綠光/紫外激光,其加工熱影響區小,劃線質量優越。無接觸式加工避免刀片加工產生的應力,可以有效提高襯底的優等品率,同時對電池性能也有很大的改善,因此在太陽電池片制造過程中獲得廣泛應用。 
     4.航天零部件的打標 
     軍工產品、航空航天零部件要求進行高質量的跟蹤,零部件的打標也通常使用激光打標來完成,如航天用傳感器、航天用刀具等。激光打標因其標記的內容不可擦除,耐酸堿腐蝕,不會被有機溶劑溶解,因此被廣泛應用于航天及軍工產品的質量追蹤等。 
除此之外,飛船還可能使用激光進行金屬板毛化、材料表面強化等。 
     交會對接對建立空間站、運送航天員、補給物資,乃至太空救援至關重要,完全掌握這項技術有助登臨月球以及地外行星。此次交會對接任務完成后,神舟飛船將逐步形成狀態固化的天地往返載人飛船,組批投產。隨著中國的航空工業以令人驚嘆的速度大跨步的向前進,激光在航天航空領域的應用,也會越來越廣泛和深入。

 


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