浅析激光技术在航空领域的应用及发展

浅析激光技术在航空领域的应用及发展

彭子康

南昌航空大 学国际教育学院 ，江西 南昌 330063

摘要：当今社会及经济发展中，信息容量越来越大，而高容量的信息发展逐渐显露出电子学的局限性，这时候光作为一种更为理想的信息载体，使得信息技术的发展有了新的突破口。在光电子技术更优于微电子技术的形势下，我国对电子光电技术给予高度重视以及大量的投入，目前我国激光技术已经达到了世界前列水平。以中国激光产业市场规模为例：2018年至2019年，中国激光产业市场规模连年以超20%的增速增长，相关数据预测2021年中国激光设备市场规模将达近988亿元。在如今军事设备及航空技术的高速发展形势下，激光技术在航空领域的应用范围越来越广。并且光电子器件环境适应能力强，不论是在实验室、工业环境还是太空环境，光电子器件都能承受住严苛的环境考验。

光源激光化是光电子技术的主要特征之一，激光技术也是当前航空领域应用范围较为广泛的一种极其重要的技术。本论文主要从激光雷达技术、激光测距技术、激光加工技术三个方面来探讨现代激光技术在中国航空领域的应用及发展，并研究激光技术的局限性以及对航空领域的推动作用。

关键词：激光技术、激光雷达、激光测距、激光加工

随着现代光电子技术的高速发展，激光技术被认为是人类在智能化社会生存和发展的必不可少的工具之一。由于激光具有单色波长、方向性强、能量集中等特点，所以激光技术在军民领域都具有广泛的适用性，在航空领域也是有着举足轻重的地位。在航空技术高速发展的潮流下，激光技术必然会起到极大的助推作用。

1 机载激光雷达技术

1.1、机载激光雷达在航空领域的应用

激光雷达是用激光器作为辐射源的雷达系统，且其体积小、重量轻、抗干扰能力强，在机载平台具有良好的适用性。近年来，随着军事及民用航空领域的需求的剧增，并且激光雷达在军民航空领域有着广泛的潜力，激光雷达也成为了一大研究热点。

在飞机和直升机飞行中，低空障碍物以及夜间飞行都会构成严重的安全威胁，肉眼以及传统雷达已经无法满足如今的航空飞行条件。而机载激光雷达具有更高的角度分辨率，能够保证在夜间工作的同时，还能对障碍物进行三维图像目标识别，并且在小目标探测技术上较传统雷达更精准。20世纪末，德国戴姆勒-奔驰宇航公司按照联邦防卫技术和采办办公室的合同研发了“Hellas”障碍探测激光雷达，该激光雷达是1.54微米成像激光雷达，能够探测300～500米距离内直径超过1厘米的电线和其他低空障碍物。在军事航空领域，激光雷达与计算机相结合可对目标进行自动识别及特征分析，在自动和半自动瞄准系统中有着重要地位，可以提高战斗机的武器瞄准精度以及操作人员的便捷性。激光雷达分辨率高，对活动目标的探测有着更明显的优势，可识别隐身目标，是一种重要的飞机侦察技术。早在1991年美国通用动力公司和休斯顿公司研制出ATLAS’CO2成像激光雷达制导系统，并且于1992年及1993年就完成了第一与第二阶段的机载飞行实验。在民用航空领域，激光雷达更是人民安全的一大保障。机载激光雷达可以探测风切变和晴空湍流，减小飞机处于起飞和着陆阶段的安全威胁，极大的保障了乘机人员的安全。

1.2、机载激光雷达中的激光测距技术

当激光雷达与各遥感技术、北斗卫星导航系统（BDS）、全球定位系统（GPS）相结合，就能形成激光雷达测距系统。激光测距技术在军事上最先得到实际应用的激光技术，它能够精准的提供地物目标距离信息，以便于对目标实现精准打击与探测。以航空火控系统为例，传统的无线雷达受限于低空短距离，高度的信息及角度误差都会严重地影响对目标距离的测量精度。而激光雷达技术精度高、方向性强、抗干扰能力强，在对己方飞行人员的有着较高安全保护下的同时还能做到对敌的更高精确打击。

三维地理信息快速获取系统作为一项高新探测技术，在无人机载激光雷达的地域勘测上有着极大的优势。由于山区公路、沙丘等地域复杂，传统的测量方法已经不适用于这些地域的测量。而无人机载激光雷达技术成本低、精度高、可实时监测地域，不仅能勘测出复杂地形的平面图，还能获取到海拔等三维信息，其精度可达到0.01m。不论是复杂的山区公路勘测，还是海洋、农林业地域勘测，无人机载激光雷达都能发挥出其显著优势，大大降低了人力、物力以及财力的损失浪费，并且能更精确前且全面的获取所需要的数据。

2 激光加工技术在航空领域的应用

2.1、激光增材技术

激光增材技术又称为激光快速成型技术，以离散-堆积成形原理，通过CAD模型数据直接驱动。与传统铸造技术相比，激光增材技术操作更简便、成本低、周期短、对金属种类适用范围广且材料利用率更高，对航空制造领域有着重大意义。激光增材技术主要分为SLM和LDMD两种，两者都是以金属粉末为加工原料，采用高能密度激光束将喷洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积,从而形成金属零件的制造技术，其主要区别在于SLM技术精度受限于小尺寸零件的制造而LDMD技术精度低适用于大尺寸零件的制造。因此激光增材技术在航空领域中，SLM技术主要应用于航空喷气发动机的燃油喷嘴、航空发动机燃烧室、发动机叶片的制造等，LDMD技术主要应用于航空发动机匣子、无人机的整体框架、主承力框、主起落架等部件的制造。

中国工程院关桥院士曾指出，激光增材技术的基础是焊接技术。故此激光增材技术也广泛应用于损伤零件的修复,例如飞机零部件腐蚀零件、航空发动机磨损零件的修复。例如：美军在直升机上引入了LENS技术对发动机损坏零件进行修复。据材料显示，运用激光技术修复直升机发动机的成本大约仅为传统工艺修复技术的0.45%，可见其经济效益之巨大。又如美国通用电气公司（GE）SLM航空发动机燃油喷嘴、北京航空航天大学LDMD飞机钛合金框，都是激光增材技术在航空领域的应用典例，也体现了激光增材技术在航空领域的价值之大。

2.2、激光焊接技术

航空领域的焊接技术涉及多种，主要为电子束焊接和激光焊接两种。在航空制造领域中，由于电子束焊接受限于真空环境，所以目前激光焊接正在逐步替代电子束焊接。激光焊接技术可以将不同材料的部件焊接到一起，焊接接口结实且美观，适用于焊接飞机外壳和发动机内部薄壁构件。由于激光技术能量密度高、精度高、对各同异种金属材料适用范围广且适用于真空等特殊环境，不仅较传统焊接工艺有着更高的焊接速度，还大大降低了焊接成本。在此基础上既优化了飞机的整体结构性能，又提高了飞机的安全性。目前激光焊接技术在航空焊接领域有着众多显著的应用成果，例如：用激光焊接技术取代传统的铆钉工艺，应用于铝合金飞机机身的制造，不仅减轻了飞机机身重量还提高了机身的强度且大大降低了飞机制造成本；北京航空制造工程研究所将激光焊接技术应用于发动机钛合金承力构件制造；全球最大的宽体客机空中客车A380（Airbus A380）是一种四引擎、最多525座超大型双层客机，它就是运用了激光焊接代替原来的铆钉铆接的连接方法。随着激光焊接技术的逐步更新与研究，激光焊接技术必将对航空制造业的发展起到极大的助推作用。

2.3、激光切割和激光打孔技术

激光切割和激光打孔技术主要运用了激光的高密度能量、高精度的原理，在航空发动机各小尺度、高精度零件的制造上有着广泛的应用。由于航空部件大部分金属材料都为钛合金、铝合金、钦合金、镍合金、铬合金、不锈钢等高性能、高强度原材料，传统的切割打孔技术对其制造难度更大，这也为激光技术的应用提供了方向。如今,激光切割技术在航空领域主要应用于飞机蒙皮、蜂窝结构、框架、尾翼避板、直升机主旋翼、大飞机零部件制造、航空发动机机匣等。激光打孔主要应用在燃烧室、叶片等涡轮发动机零部件上。近几年，激光切割及打孔技术在国内外航空领域均有显著研究成果，例如：2018年，由中国科学院西安光学精密机械研究所开发出的26瓦工业级飞秒光纤激光器，研发出系列化超快激光制造装备，实现了国内外航空发动机涡轮叶片气膜孔的“冷加工”突破；国外在钛合金激光切割的开裂和重熔层的研究上颇有成就。

3 激光技术在航空领域的发展分析

随着近几十年激光技术在航空领域的高速发展，国际竞争压力也随之增大。激光技术作为一种较传统工艺更快捷、更高效、更高精度的技术，在航空领域的部件、零件加工及军民用飞机的机载技术支持上广泛应用。但目前激光技术在航空领域还具有众多未知方向等待着去开发利用，由于国内激光技术起步较晚，故我国与激光产业发达国家相比仍存在较大差距，尤其是在激光光源与激光高端应用方面。自我国“十一五规划”期间国家首次在 863 计划中增加“机载小型面阵三维成像激光雷达技术”作为重点发展的专题项目以来，截止至2021年，国内激光技术产业可谓是突飞猛进。如2021年中国（长沙）激光技术及产业发展大会上，各项激光技术成果研究或进展无不显示着中国激光技术发展的显著成效。在新时代激光技术发展潮流下，激光技术必将成为航空领域发展中不可或缺的一大助力。

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作者简介：彭子康（2001.2-）；男：汉族；江西九江人；本科生在读；南昌航空大学，国际教育学院；研究方向：电子信息工程(光电方向)。