無人機的複合材料設計與關鍵技術

高空長航時無人機平台是我國急待發展的重大軍事裝備項目。與金屬材料相比，樹脂基複合材料具有結構重量輕、複雜或大型結構易於成型、設計空間大、比強度和比剛度高、熱膨脹係數小等諸多優點。將複合材料直接應用於無人機結構上對減輕空機身重量、增加有效載荷、提高安全性和隱身性具有重要的作用。縱觀國外無人機（包括中、高空無人偵察機、無人作戰飛機等），無一例外地大量使用了複合材料結構，有些甚至是全複合材料結構，因此以複合材料為核心的無人機結構設計/ 製造技術是影響無人機發展的關鍵技術之一。

無人機的發展有著較長的歷史，世界上第一架無人機是英國於1917年研製成功的。據不完全統計，目前世界上30 余個國家和地區已研製出了50 多種無人機[1]，無人機型號超過300 余種，有55 個國家裝備了無人機，但發展最快、水平最高的主要是美國、以色列和俄羅斯。美軍擁有的近20 種型號約250架無人機。機型主要包括陸軍的「獵犬（Hunter）」、「指針（Pointer）」和「影子200（Shadow200）」無人機，海軍陸戰隊的「龍眼（Dragon Eye）」和「先鋒（Pioneer）」無人機，空軍的「全球鷹（Global Hawk）」和「捕食者（Predator）」無人偵察機以及X-45、X-47 新型無人攻擊機。另外，還包括其他幾種小型的無人機系統，用於支援特種作戰需求。我國研製無人機已有40 多年的歷史，先後研製成功長空一號無人靶機系列、長虹高空高速無人偵察機、T-6 通用型無人機、Z-5 系列無人偵察機、BZK-002 型無人偵察機、ASN系列無人機等。新近又開發了「翔龍」、「翼龍」無人偵察機、WZ-2000無人偵察機和「暗箭」等型號無人機。研究的機構主要是大學、研究所和一些企業，包括北京航空航天大學、南京航空航天大學、西北工業大學、成都飛機設計研究所、成都飛機工業集團、貴航集團和株洲無人機公司。近年來，隨著國家的重視, 國內掀起了研製無人機的高潮。

1、複合材料在無人機上應用的優點與有人飛機相比，無人飛機（UAV）在機體結構設計中既不需要考慮機動飛行過程中人的生理承受能力限制[2-3]，也不需要因為特彆強調人的生存性而對隱身及抗彈傷能力的結構和材料作特殊考慮。不過由於無人機機載設備技術先進，要求高，因此也要求無人機有相當好的機體結構性能，這使無人飛機在結構選材上具有一些有別於有人飛機的新特點。無人機遂行任務的特殊性，也使其成為採用新型結構材料的極好的平台。

和傳統金屬材料相比，複合材料具有比強度和比剛度高、熱膨脹係數小、抗疲勞能力和抗振能力強的特點，將它應用於無人機結構中可以減重25％ ~30％。據統計，目前世界上各種先進無人機的複合材料用量一般占機體結構總重的60％ ~80％，複合材料的總用量可達90％以上。在無人機上大量採用複合材料的益處是多方面的。首先，複合材料本身具有可設計性，在不改變結構重量的情況下，可根據飛機的強度剛度要求進行優化設計；在設計製造技術上滿足了大多數無人機在高度翼身融合結構所需的大面積整體成形這一特點。其次，聚合物基複合材料具有特殊的電磁性能，改性後有希望滿足無人機結構/ 功能一體的高隱身技術要求。複合材料的耐腐蝕性能，可滿足無人機惡劣環境下長儲存壽命的特殊要求，降低使用維護的壽命周期成本。再次，複合材料易植入晶元或合金導體形成智能材料、結構。目前，複合材料在無人機領域已成為主要結構材料，如碳纖維複合材料、玻璃纖維複合材料、蜂窩夾層複合材料等。通常，無人機除機身的龍骨、梁和隔框、起落架等結構件採用鋁合金外，機翼、尾翼及各種天線罩、護板、蒙皮等結構件均大量使用複合材料。另外，在中小型無人機上，木質材料、輕型塑料、塑料薄膜等非金屬材料也得到大量使用。複合材料的應用對無人飛機結構輕質化、小型化和高性能化已經起到了至關重要的作用。2、複合材料在高空長航時無人機上應用「全球鷹」作為世界上最為著名的高空長航時無人偵察機，是由美國諾斯羅譜· 格魯門公司為美空軍研製的，由沃特（Vought）飛機工業公司生產。其採用大展弦比下單翼，細長機身，V 形尾翼，前三點起落架布局，機翼1/4 弦長處後掠5°54′，V 形尾翼（上反角50°）。複合材料機翼長達35m，複合材料占結構重量的65％。沃特（Vought）飛機工業公司生產改進型「全球鷹」RQ-4B 飛機機翼時，使用了商用複合材料和環氧材料。新機翼更增至39.9m，重約1814kg。「全球鷹」的活動半徑為5500km，航程26000km，續航時間達到42h，實用升限19.8km，整機起飛重量11640kg，燃油重量6727kg，超過總重量的一半，具有從美國本土起飛對全球任何地點進行戰略偵察和戰術偵察的能力，是目前世界上最先進的高空長航時無人偵察機，它代表了目前高空長航時無人機發展的水平和趨勢。中國「翔龍」無人機2006 年珠海航展上首次亮相。由成都飛機工業公司製造，初期採用金屬機翼，翼展25m，機身長度14.3m，巡航速度750km/h，最大任務載荷650kg，最大續航時間9.3h。可以看出：「全球鷹」無人機的航程是「翔龍」的3 倍，翼展較「翔龍」多10m，任務載荷多250kg。比較國內、外高空長航時無人機各項性能指標，研究發現：影響我國無人機性能的關鍵是設計製造並使用大展弦比複合材料柔性機翼。根據使用環境（通常高空）和性能要求（通常續航時間大於24h 和一定的任務載荷），高空長航時無人機需要攜帶盡量多的燃油（可以提高航程）和使用大展弦比柔性機翼（可以提高升力）。利用樹脂基複合材料密度小、比強度、比剛度大和可剪裁的優點，可以設計出大展弦比柔性機翼；利用複合材料整體化設計/ 製造技術，可以在機翼上設置整體油箱，提高無人機的續航時間和航程。由此可見，無人機大展弦比複合材料柔性機翼整體化設計/製造技術是提高我國高空長航時無人機各種性能，特別是高空、長航時性能的關鍵技術之一。3、複合材料在攻擊無人機上應用

美國已經開始以X-45A、X-47A的概念驗證基礎上發展空／海軍通用的無人戰鬥機。為了儘可能地降低結構重量，無人戰鬥機結構的一個顯著特點就是大量應用複合材料，且遠遠超過有人戰鬥機的應用水平。

波音公司X-45A 翼展10.3m，弦長8m，空重3640kg，搭載有效載荷的能力為680kg。複合材料佔X-45A結構重量的45％。其機身由高速切削的鋁合金龍骨、梁及隔框覆以複合材料蒙皮構成。將美國先進複合材料集團開發的LTM45EL 長壽命機織碳／環氧低溫固化預浸帶採用鋪層方式製造蒙皮、進氣道及艙門，工裝由Janicki 工業公司提供。低溫固化預浸料的固化應用了該公司的兩個船形模具。該機身上部蒙皮約9m×3.7m，被鋪成一個整體件，而下部蒙皮則被加工成兩個4.5m×3.7m的部分。噴管部分的上、下蒙皮將分別採用Cytec 公司的BMI-5250.4 碳纖維／雙馬樹脂製造。它的固化溫度範圍處於177℃ ~204℃，使用溫度在59℃ ~204℃之間。依據美國國防部合同，波音獲准放棄X-45B 的開發，將該項目的有效載荷、航程及目標併入目前正在開發的J-UCAS 計劃中的X-45C，X-45C 弦長11m，翼展14.6m，飛行重量達l5900kg。

高空長航時無人機平台是我國急待發展的重大軍事裝備項目。與金屬材料相比，樹脂基複合材料具有結構重量輕、複雜或大型結構易於成型、設計空間大、比強度和比剛度高、熱膨脹係數小等諸多優點。將複合材料直接應用於無人機結構上對減輕空機身重量、增加有效載荷、提高安全性和隱身性具有重要的作用。

縱觀國外無人機（包括中、高空無人偵察機、無人作戰飛機等），無一例外地大量使用了複合材料結構，有些甚至是全複合材料結構，因此以複合材料為核心的無人機結構設計/ 製造技術是影響無人機發展的關鍵技術之一。

1、無人機用複合材料設計標準制定無人機不需要考慮人的生理承受能力，為充分發揮複合材料的性能優勢，可以設計比有人機更低的安全係數，為了達到更高的靈活機動性能，無人機可以設計較大的過載荷係數，達到15~20g ；同樣因為不需要考慮人員因素，無人機可以有更大的設計空間，採用更為先進的氣動構型，因此要研究制訂一些新的設計規範和計算準則, 以指導無人機複合材料結構的設計、計算、試驗和驗收鑒定等。

2、複合材料機翼氣動、結構設計難點

以高空長航時無人機為背景，國內已經開展了大展弦比柔性複合材料機翼的相關研究，但這些研究對柔性複合材料機翼還缺乏足夠的認識，沒能有效揭開結構、強度、氣動、控制之間強烈的耦合關係，更談不上有效利用大展弦比複合材料機翼的柔性來提高飛機的性能。

高空、超高空長航時無人偵察機工作在20~30km 的高度上，空氣稀薄，空氣密度小于海平面空氣密度的8.4%，因此研究這種低雷諾數氣動特性和升力之間的關係，是提高機翼升力的途徑之一。

大展弦比複合材料柔性機翼，在飛行載荷作用下，當有一個外部激勵時，必將產生一個非線性的結構變形，同時結構的非線性變形又對氣動產生影響，形成結構和氣動力的耦合作用，這種耦合影響容易導致高空長航時無人機氣動發散，無法收斂導致機翼失效。因此，採用大展弦比機翼的高空無人機必須解決這種柔性機翼的飛行控制問題。大展弦比複合材料柔性機翼為輕結構，要滿足結構具有最小重量和具最大的效率要求，往往要依靠綜合結構優化設計技術。由於大展弦比複合材料柔性機翼設計的複雜性，這種綜合優化設計需要在多個層次上進行優化設計，例如拓撲形狀優化、尺寸優化，而且，這種優化是考慮複雜的氣動彈性問題的有多種目標、多種約束性質、多種多級設計變數的綜合優化設計技術。 3、大型複合材料複雜結構整體化製造變形

複合材料製造的一個突出的問題是不能類似於金屬構件那樣得到精確的幾何或構型尺寸，特別是對於大型整體化複雜複合材料結構，往往可能因為一個較小的局部結構製造變形，最終會造成大型整體化複雜結構產生很大的變形，不能用於部件的裝配。典型的大型複合材料複雜結構有高空長航時無人機大展弦比柔性複合材料機翼、無人攻擊機翼身融合體大型複合材料整體構件等。在研究這些結構製造過程中，關注溫度分布不均、壓力分布不均勻、結構非對稱等因素對變形的影響並確定影響變形的關鍵因素、提出變形控制方法和提供對變形進行補償的各種措施，以便合理而有效地解決大型複雜結構製造變形問題。4、隱身複合材料結構設計/ 製造技術隱身是現代戰機要求的一項高尖端技術，無人機由於經常出現在敵方的防空和雷達監測的空域中，對隱身提出了更高的要求。現代隱身技術主要有材料隱身、塗層隱身、等離子體隱身、結構細節設計隱身等手段。無人機結構多為複合材料夾層結構，在結構細節設計隱身的基礎上，作者認為可以優先開展複合材料泡沫或蜂窩夾層結構隱身設計和製造技術研究，在細節設計和結構設計、製造層次上解決無人機複合材料隱身技術。5、RTM 和RFI成型複合材料結構件力學性能評估技術低成本、高效費比是無人機的顯著特點。採用整體化成形技術對於減少複合材料部件結構數量、降低使用和維護費用、節約成本、提高效率具有重要的作用。近年來，工程上，已經能夠用RTM 和RFI 成型工藝方法製造複合材料構件，但是國內尚沒有將這種成型工藝方法製造複合材料構件批量應用到具體型號上。究其原因，作者認為是對RTM 和RFI成型複合材料結構件（如編織複合材料構件）設計、力學性能、構型和力學性能之間的關係尚未認識清楚。國內儘管部分對RTM 和RFI 成型複合材料構件力學性能進行了研究，但這種研究是不系統和不完整的。因此進一步深入研究評估RTM 和RFI成型複合材料結構件力學性能是實現低成本、高效費比無人機結構平台的設計/ 製造的有力保證。另外，還有低成本製造技術（低成本材料、自動化製造、結構連接技術等）、快速複合材料無損檢測技術、智能材料設計/ 製造技術等。

先進樹脂基複合材料在國外無人機上得到了廣泛的應用，為複合材料的發展迎來了嶄新的發展機遇。國內先進樹脂基複合材料在無人機上的應用才剛剛開始，積極地開展複合材料在無人機上各種關鍵技術的研究和應用，必將推動無人機各項性能指標邁上一個新台階。

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