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Gabriel Pankow

雷射應用無處不在,即使是在宇宙之中也見其用武之地:TRUMPF 的 5 大航太應用技術

前約有 8,000 顆衛星在環地球軌道上運行,且每年會新增約 2,000 顆衛星。預計到 2030 年,運載火箭發射次數將增至 200 次。航太領域意味著巨額的資金投入,而這些資金則會流向掌握有關鍵加工技術的企業。正如手握 5 大航太雷射應用技術的 TRUMPF 公司。

1. 外部密封焊接


密封焊接的球形燃料箱

雷射可實施準確且極度可靠的密封焊接,這一點已在心臟起搏器和動力電池領域得到了驗證。如今,航太領域也利用在上述領域積累的製程技術訣竅來焊接不銹鋼、鋁、鈦以及諸如鎳基合金之類的高溫合金。主要原因是製程速度快,有時每分鐘就可完成數米的焊接,並且得益於最佳化的感應系統,能量輸入得到了精准控制,從而使焊縫更加美觀整潔。雷射密封焊接技術正崛起成為重要領域的標準製程:例如火箭燃料箱。倘若技術人員發現火箭燃料箱洩露,哪怕只有極少量燃料漏出,整個團隊也必須取消發射。萬一有洩漏而未發現,那麼在此情況下啟動火箭發動機就會招致災難。出於這點考慮,航太企業傾向於使用保險係數更高的雷射技術。

2. 連接不同材質


直接連接合成材料與金屬

在焊接過程中,由於超短脈衝雷射機可對能量實施精細定量,所以即使是焊接兩種不同的材料,也能確保氣密性且不會造成材料破裂。例如玻璃和金屬。這類組合尤其適用于衛星上的光學部件,或許也能夠用於空間站上的窗戶。使用此雷射焊接製程的首要依據就是:它是一種直接連接方式。這意味著可以免除使用螺栓連接或熱敏粘合劑的麻煩,因為這兩種材料均會增加重量。美國太空總署已測試了玻璃和殷鋼(一種特殊合金)的超短脈衝焊接,並計畫投入使用。在多數情況下,將玻璃與另一種材料的直接焊接,或將玻璃與玻璃焊接在一起是在太空中使用玻璃的唯一辦法。利用短脈衝雷射將碳纖維增強型熱塑性合成材料或其他合成材料與金屬直接焊接,已越來越頻繁地取代了傳統的螺栓連接。

3. 積層製造的結構件


衛星攝影機的支架

每減重一公斤,就可為發射減少一定費用。對於火箭來說,自重更輕就意味著可獲得更多的有效載荷。如果有效載荷本身的重量就較輕,那麼發射費用也會更便宜。這正是企業開始積層製造結構件(例如攝影機支架)的主要驅力:使用盡可能少的材料,並完全專注於功能性設計。現在也已明確的是,這一設計變革不僅使部件變得更輕,還因為實現了更優的結構設計,部件也變得更加穩固。最後一點:3D 列印比車削之類的傳統機加製程要實惠得多,尤其是對於鎳基合金之類的高溫合金來說。在航太領域,3D 列印已成為不可或缺的技術。

4. 衛星通訊


雷射資料傳輸

太空中的資料傳輸很快就將透過雷射信號進行。低地球軌道衛星以每秒 7,800 公里左右的速度繞地飛行 (!)。為了獲得穩定的資料連接,僅與一顆低地球軌道衛星進行通訊是遠遠不夠的,因為它很快就會飛到另一個大陸的上空。因此就需要構建網路。在將來,低地球軌道衛星將利用雷射交換資訊:通過雷射資訊束飛躍數千公里來進行資料傳輸。軌道和地球之間的資料交換也會在不久之後改用雷射進行傳輸,因為雷射的資料傳輸速率最多可比無線電快一百倍。好消息是,流媒體、人工智慧雲端計算、物聯網以及其他諸多基於資料的服務,也推動了人們對資料交換的需求迅速增長。還有一個有利之處:從物理學角度來看,基於雷射的資料傳輸具有防攔截的特點——任何間諜企圖都會被馬上發現。如今在高科技軍事衛星領域,雷射傳輸已經在發揮作用了,其被用於衛星與衛星以及衛星與地球之間的資料傳輸。專家預計,該技術在十年後也將被應用於商業網絡。

5. 積層製造火箭發動機和推進器(也可加工銅材!)


雙金屬材質的火箭噴口

雙金屬材質的火箭噴口火箭發動機和推進器(用於探測器或衛星實施校正、制動或加速的小型發動機)需要內建的燃料冷卻槽才能正常工作。微型推進器僅僅是因為其壁厚小,所以除了積層製造製程沒有別的選擇,不過對於較大的推進器來說,這種製程又是最實惠的。對於內建有槽的較大結構,例如發動機噴口,也可以使用雷射金屬熔覆製程來製造。另一亮點:該製程具備加工雙金屬的能力,可根據功能構建所需的金屬。例如在製造噴口時,內部可使用銅實現良好熱流,外部則可使用強度較高的鎳基合金層確保穩定性。

建立日期 2024/12/17
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