太空焊接技術的探索

太空焊接技術的探索

太空到底能不能焊接?答案當然是肯定的。航天所用的材料大多為:鈦合金、鋁合金、高強鋼等,太空中用普通焊接方法是非常困難的;那麼所有的太空裝置全部在地面上做好後再發射上去,由於運載能力的限制,要把龐大體積的太空裝置送入太空,也是相當困難的,綜合考慮,在太空進行焊接研究是人類邁向深空所必需的。隨著我國載人空間站建成(預計2020年),太空焊接的研究與探索正蓬勃發展。中國空間站見圖1。

太空焊接技術的探索

太空的高真空和失重環境對焊接有利也有弊,高真空是老天爺給的,太空自然存在的,對於採用真空類焊接方法很有利,如:真空電子束焊、真空釺焊及冷焊等;但對於航天員的航天服要求非常高。失重對於焊接薄板幾乎不會燒穿;對於冷(壓)焊也有利;坡口超大間隙照樣能焊;手工或機械操作非常輕鬆;對於毛細管潤溼性特別有利,方便釺焊。失重對固定航天員及其它物件(包括焊件及焊接裝置等)造成困難。目前太空中焊接的方法有:變形焊、釺焊、冷焊、電子束焊、等離子焊弧、熔化極氣體保護焊、空心陰極真空電弧焊等。但這些焊接方法還不夠成熟,現在的國際空間站還在進行“太空焊接”的研究和探索。

早在60年代就開始太空焊接的研究和探索,為了建造國際空間站,需要大量的組件通過人造衛星或類似工具帶到太空,然後進行組裝。連接這些組件有幾種方法,俄羅斯人希望採用焊接法,美國空間組織機構則傾向於採用機械連接和焊接相結合的方法。空間站大約需要160km的管線,管子組件可以在地面上焊接,在太空連接這些組件也要採用焊接法。空間站的設計壽命至少位30年,因此將來這些組件和管線的維修也需要採用焊接法。另外,還可能需要使用空間熱切割、釺焊和熱噴塗等工藝。

太空焊接有很多困難,畢竟太空條件與地面的情況大不相同,主要是高真空氣氛、地球引力較小和失重現象。空間站溫度範圍從絕對零度到太陽輻射的較高溫度,還存在其它的輻射,如電磁輻射等,這些都會影響焊接過程的進行。此外,並不指望航天員掌握焊接操作技術,這就要求太空焊接按需完全實現自動化。為了成功實現太空焊接,需要大量的科學研究。為此,烏克蘭巴頓焊接研究所與俄羅斯宇航局合作研製出了太空焊接設備。巴頓所的科學家已經在地面上通過採用真空室、低溫來模擬太空焊接,結果表明電子束焊、等離子弧焊、熔化極氣體保護焊和釺焊點都是可行的,他們還在飛行實驗室內在短時失重的情況下進行了模擬試驗。當時建設中的國際空間站見圖2。

太空焊接技術的探索

首次報道太空焊接的應用是在1969年10月的Soyuz6飛船上。焊接件被命名為:Vulkin,大約50kg重,採用電池作為電源,航天員G.S.Shonin和V.N.Kubaslov進行了電子束焊、等離子弧焊、熔化極氣體保護焊。1979年,在Soyuz7空間站上採用了“IS”改進電源,還進行了其它試驗,如:電子束切割等。1983年,電源再次被改進,並且在Soyuz7空間站上進行了試驗。1984年,在Soyuz7上採用了VHT(萬能手動工具)的改進電源。這次飛行中,航天員Sverlana Savtskeya和Vladimir Dzhanibekov在太空艙外進行了焊接。另外,還由在地面上進行過焊接培訓的航天員做了熱噴塗試驗。值得注意的是:1986年,航天員Kizin和Solovyer採用VHT焊接了11m的桁架樑標誌採用焊接方法能夠建造航天器。圖3和圖4展示了Vladimir Dzhanibekov使用VHT電源在艙外焊接和焊接電源。

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