美军为F-35建造下一代漆房，多快好省更安全

远望智库  乐天

（"整机机器人除漆系统"对F-22隐形飞机除漆）

据美国空军生命周期管理中心透露，新一代F-35喷漆房将于今年10月在希尔空军基地开始运营。该项目由空军研究实验室的先进动力技术办公室负责，配有先进的传感器、控制逻辑和先进的软件分析工具，以监控和改进复杂工序。

该项目分别设有三处地点，希尔空军基地的工程将率先完工，使喷漆过程更安全、更便宜和更节能成为可能，以保证F-35的持久战斗力。

美国空军研究实验室的材料和制造局项目经理大卫•马登（David Madden）称，“F-35是空军的一个庞大工程，有计划的维护尤为重要。F-35项目办公室来找我们，要我们设计一个最前沿、最先进的环保节能设施。我们的科学家、维护人员和工艺团队，来自全国各地的政府团队，学术界和产业界，携手合作以确保一切设计得当。我们很高兴测试的日子即将到来。”

美国空军最新、最复杂的多用途战斗机拥有最先进的设施。漆房是专为航空涂料而建造，而机身涂层可以隔热、防腐，是一架飞机使用寿命的关键。完成这项工作的一个方法是通过模拟气流和循环，分析导致空气再循环过程的原因，该工程降低了与涂层过程相关的能源成本。据估计，在漆房重复利用70%的空气，每年就可节省超过33万美元的能源。

当给飞机喷涂时，空气流穿过工作区时会带走一部分涂料。通常，“新”的空气主要用于去除去除有害的颗粒物。马登解释：“利用复杂的计算机模型，我们的团队能够模拟空气流动的模式。然后，我们开发了一种气流方式，能够过滤颗粒物并重新利用空气，从而节省了与调节新空气有关的各种能量。生物工程师评估认为，这种模型好且安全。”

这种漆房还考虑到未来机器人的功能，并设计有足够的空间，以便以后应用喷涂的自动化技术。

涂层的应用是非常昂贵的，能源消耗极大，对环境影响和安全需要要求极高，还要考虑维护员工的健康。飞机的旧涂料如果面临老化和开裂还需要去除，这是一个费时费力的工艺。战机表面的漆层具有防腐、防侵蚀、伪装、隐身、标识、装饰等功能。战机在受到外界长时间环境影响下会发生漆层老化、性能下降、漆层脱落等，或需要对战机蒙皮进行目视探伤、维修时就必须对战机外部原有漆层进行去除。

以往，除漆是用化学脱漆剂和手工打磨。例如，2007年在俄克拉荷马城廷克空军基地，在给波音KC-135空中加油机除漆的过程中，美国空军人员总共用了4360加仑的化学除漆剂和270万加仑的水冲洗。

飞机表面除漆工作是飞机大修的一个重要环节，目前国内普遍采用的是化学方法，即采用除漆剂将表面的涂层褪去，这种方法虽然快速，但是只能适用于飞机金属部件表面除漆，对于目前使用量日益增加的飞机复合材料部件，化学除漆方法容易造成基材的损伤，因此并不适用。

传统的手工打磨去除复合材料表面漆层的方法不仅耗时长、效率低、打磨后表面质量难以控制，而且对环境和操作人员身体伤害大。喷塑料丸工艺（Plastic Media Blast, PMB）是一种有效的复合材料表面除漆工艺，但是其对厂房和环境要求高，因此需要较高的设备投资费用。为了实现飞机复合材料构件表面漆层的有效、快捷、“绿色”清除，研究一种新工艺显得非常必要。

二战以来的化学剂除漆技术，造成机身中复合材料部位的漆层无法去除，未来隐身涂层去除更没有有效的解决办法。脱漆剂的主要成分为二氯甲烷，是一种具有高致癌性的有害化学溶剂，人员长期处于除漆环境中，会通过呼吸和皮肤接触，对人体的心脏、肝脏、肺和中枢神经系统等造成损伤，进而诱发癌症。

二氯甲烷脱漆剂具有高挥发性，挥发性气体以及高压水冲洗后的夹杂油漆和脱漆剂的混合物，对大气、土壤和地表水，都会造成长期严重的污染，二氯甲烷气体在大气中的光解周期需要107天，混杂在水中的二氯甲烷的水解周期高达18个月。目前国内除漆现场对产生的气态和液态有毒废弃物一般都是直接排放。

二氯甲烷脱漆剂是一种酸性溶剂，在与漆层发生化学反应的同时，对于飞机的表面金属材料也会产生很强的累积腐蚀效应。美军曾出现过一架c-21运输机在多次使用脱漆剂除漆后金属蒙皮出现大面积的点蚀现象，最终只能退役的案例。

随着国内战机制造水平的高速发展，复合材料在战机中的应用不断扩大。现有的化学除漆和人工打磨工艺，已经无法满足现代战机的除漆修理要求。

化学脱漆剂只能应用于金属材料表面除漆，国内和国际都明文禁止使用化学方法对复合材料进行除漆，因为脱漆剂会渗透至复合材料内部，使基材树脂发生腐蚀，从而导致复合材料丧失性能。

手工打磨只能对复合材料表面轻微打磨，效率低且难以控制除漆质量，容易造成复材基材的损伤。

复合材料部位不除漆的危害：

（1）维修后的战机重量增加近70公斤；

（2）涂层厚度增加影响了雷达的透波性能；

（3）底部老化的漆层未去除，喷涂新漆后掉漆的现象频繁发生，维修频率增加。

1986年，二氯甲烷被正式纳入美国国家可致癌有毒化学品清单。1997年，美国联邦环保局要求禁止采用含有189种有毒空气污染物（HAP）中的任何一种（包括二氯甲烷）的化学脱漆剂对飞机进行除漆，由此美军开始寻求更环保、有效的除漆技术，以逐步替代化学工艺。期间各种可行工艺技术被提出并被长期测试评估，在当时提出的方案主要分为两类方法：物理方法和热能方法。物理方法主要包括有：PMB、冰块、干冰、小苏打、高压水、核桃壳等。热能方法主要包括有：激光、FlashJet等。1995年，北约组织内的航空研究和发展顾问委员会（AGARD）专门组织了关于“飞机除漆的环保和有效工艺”的系列研讨，对当时各项备选新工艺进行了单独分析和对比评估。

经过此次系列研讨和评估，PMB除漆技术脱颖而出。PMB在实际操作性、环境影响、成本、过程控制、潜在危害、可靠性、废物排放等各项评估中总分排名首位，至此，确立了PMB用于飞机涂层清理工艺的主导地位。

PMB之所以可以从众多除漆技术中脱颖而出，成为美军飞机除漆的主流技术，主要原因有：

（1）安全性

飞机表面除漆首要考虑的问题是除漆过程是否会对飞机构件造成损伤，以及是否会造成构件的各项性能下降，影响飞行安全。一些具备除漆能力的技术在飞机除漆安全性方面难以兼顾。PMB可以实现快速除漆又不会使基材发生损伤和性能下降，与传统的喷砂作业最大的区别在于：使用的喷砂介质和对喷砂各项参数的精密控制程度。正是因为所选介质的硬度介于飞机基材和漆层硬度之间，在正确的参数控制下，才能实现除漆和基材无损伤的双重效果。同时PMB可以实现分层除漆的效果，即使底部基材特别敏感、脆弱，PMB技术也可以在去除上部漆层，保留底漆的情况下，做到对基材的保护。

美国空军莱特研发中心材料实验室、美国海军航空兵发展中心、加拿大海军航空基地等部门开展了一系列针对碳纤维、石墨环氧、玻璃纤维和碳纤维蜂窝夹层结构复合材料受PMB除漆过程影响的测试，测试结果证实PMB技术对于上述复合材料在除漆后，没有可见的表面损伤，没有结构分层和脱粘，弯曲性能、拉伸性能、层间剪切性能、压缩性能没有发生变化，复合材料的完整性没有受到影响。

（利用PMB技术对B-2隐形战略轰炸机进行除漆）

（2）适用性

PMB可以快速无损伤的清除飞机常见的铝、镁、钛、铜、钢等金属的表面油漆，同时可以应用于化学和机械方法无法处理的碳纤维、石墨环氧、玻璃纤维、凯夫拉、诺梅克斯等层压、夹层、蜂窝结构复合材料的漆层清理。

PMB技术可以去除的漆层范围，从抗静电涂层、防雨蚀涂层、雷达吸波涂层和红外吸波涂层，到庞杂的聚氨酯、环氧涂层体系，同时可以有效清除飞机上的密封胶、填缝剂等材料。

（3）环保性

PMB是一种环保型的除漆技术，无有害废物排放，对于大气、地表水、土壤和人体健康都不会产生影响和危害，使用后失效的介质属于可降解材料，可通过填埋、水泥窑炉焚烧或掺入建筑材料等方式处理。

（4）经济性

经美军测试，对使用PMB除漆和化学除漆的两个基地，处理同架次、同型号的飞机一年下来，使用PMB技术的基地节省了91500美元。

据美国国防部报告《喷塑料丸工艺最终报告》( Final Report On Plastic Media Blasting)统计，已超过30个军事单位使用PMB技术进行除漆作业，涵盖了空军、陆航、海航、海军陆战队等多个部门。

该报告同时显示，PMB技术在战机表面除漆的应用之外，还可被应用于以下众多武器装备和军事设备的表面处理。

1997年美国国防部应国会要求，由空军老化飞行器与系统办公室对当时所使用的飞机除漆方法做详细统计并形成报告«国防部报告-除漆方法»（DOD Report-Paint Stripping Methods）（表中X对应当时各机型采用的除漆技术）。

（美空军各机型所使用的除漆技术统计）

(美海军航空兵各机型所使用的除漆技术统计)

美陆军航空兵各机型所使用的除漆技术统计

截止今天，PMB技术已经被全面应用到F-15、F-16、F/A-18、C-130、B-2、F-22和F-35这些我们所熟知的美军战机的整机和部件除漆作业中，同时随着科技水平特别是机器人自动化技术的发展，美军在使用PMB技术对战机除漆的过程中，逐步淘汰了人工操作的方式，实现以机器人自动化的作业来代替人工，以保证更高的精度、一致性、安全性和除漆效率，并且根据机型、用途已经形成了系列化、智能化的PMB除漆系统设备：

犹他州希尔空军基地建造了机器人除漆系统RPSC对F-16战机进行除漆，RPSC是世界上第一个完全自动化的飞机脱漆PMB系统，用于常见的军用飞机表面的铝合金和复合材料。该系统每年处理约100架F-16战斗机。一架F-16飞机全身除漆仅需约10小时。

(RPSC系统除漆现场)

乔治亚州的罗宾斯空军基地，另一种机器人除漆系统RDS被开发并装配以用于去除F-15战机的漆层。RDS使用三台机器人，两侧各一台，尾部一台。该系统每年处理约50架F-15战机。

（RDS系统除漆现场）

2007年希尔空军基地在RPSC的基础上开发了用于非机身部件除漆的机器人PMB除漆系统ACRES，并于2008年秋季完成了整体安装调试工作。ACRES被设计用于C130、A10和F16等型号飞机拆下的27种非机身部件的除漆工作，包括有A-10 的方向舵、升降舵、垂尾、平尾、副翼、外翼、內翼；F-16的平尾、尾副翼、前缘和机翼；C-130的副翼、升降舵、方向舵等。

ACRES系统除漆现场

2011年，希尔空军基地开发了第四代的“整机机器人除漆系统”（AFADS）。AFADS使用2台机器人，通过PMB技术满足F-22和F-35先进战机的特殊涂层和特种基材的清理要求。

据了解，国内已有部分单位开展相应技术的研发，已取得突破性成果。目前有必要研发技术与航修应用相结合，在实践中边干边总结边完善符合我国国情的除漆工艺技术，以满足三代机复合材除漆要求，为四代机做好准备。