01

引言

? ? ? 無人駕駛飛機簡稱 “無人機” ( unmanned aerial vehicle，UAV) ，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱不載人的飛機，或者由車載計算機完全地或間歇地自主操作。無人機作為一種新式航空器，與有人飛機相比，無論是使用要求還是任務(wù)使命都有所不同。無人機通常具有低成本、輕結(jié)構(gòu)、高隱身、長航時和高存儲壽命等要求，對于無人作戰(zhàn)飛機來說還有高機動和大過載的要求。

? ? ? 由于復(fù)合材料具有比強度高、比模量大、可設(shè)計性強、抗疲勞能力強、可提升機體隱身性能、使用壽命長、減震性能好等特點，因此，無人機大多數(shù)結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料，如機身、機翼、平尾、垂尾、尾撐、舵面和起落架等。

? ? ? 復(fù)合材料應(yīng)用于無人機結(jié)構(gòu)可以減重20%-30%。目前，行業(yè)認為復(fù)合材料的用量已經(jīng)成為衡量一款無人機先進程度的重要指標(biāo)之一，一般需要達到60%-80%左右，但是美國已有無人機達到全復(fù)合材料結(jié)構(gòu) (復(fù)合材料用量達到90%以上) 。

02

國內(nèi)外無人機發(fā)展歷程

2.1

國內(nèi)無人機發(fā)展情況

? ? ? 自 1958 年，西安愛生技術(shù)集團有限公司 (西北工業(yè)大學(xué)第三六五研究所) 成功研制試飛我國第一架無人機以來，中國無人機已有 60 多年的發(fā)展經(jīng)歷。先后成功研制長空一號 ( CK-1) 無人靶機系列、長虹高空高速無人偵察機、ASN 系列無人機、BZK-002 型、“藍箭”、“天眼”等無人偵察機，尤其是在 1994 年，由西北工業(yè)大學(xué)研制的ASN206 多用途無人機，采用后推式雙尾撐結(jié)構(gòu)形式，是我軍較為先進的一種無人機。近年來，研制出 “翔龍”、“翼龍”、“彩虹”、“利劍”、“WJ600” 等系列察打一體固定翼無人機，“WJ600”無人機被人們稱做中國版的 “全球鷹”，是迄今為止我國國產(chǎn)最先進的無人機，除機身中段采用部分金屬材質(zhì)外，機身基本全部采用復(fù)合材料，具有很高的隱身功能。其中，“彩虹”系列無人機目前譜系最為齊全，包括彩虹-3中空多用途無人機系統(tǒng)、彩虹- 4 中空長航時無人機、彩虹- 5 中高空長航時無人機、彩虹-7隱身無人機、彩虹-804D垂直起降固定翼無人機、彩虹-10 無人傾轉(zhuǎn)旋翼機、彩虹-801 /802 /803 /804無人機系統(tǒng)、彩虹-811 /815系留無人機系統(tǒng)、彩虹-812 /813 /814旋翼無人機系統(tǒng)、彩虹-806長航時無人機系統(tǒng)、彩虹-821無人直升機系統(tǒng)和彩虹-101 無人自轉(zhuǎn)旋翼機等。WZ-6、T333、 “戰(zhàn)狼”、AV500W、 “金雕”CR500、“沒羽箭”等察打一體無人直升機研制的成功，標(biāo)志中國自主研發(fā)設(shè)計軍用無人機水平已經(jīng)邁入了國際先進水平。

圖1? 國內(nèi)無人機
? ? ? 目前，中國無人機的研究機構(gòu)主要是大學(xué)、研究所和一些企業(yè)，包括西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué); 成都飛機設(shè)計研究所、成都飛機工業(yè)集團、貴航集團、沈陽飛機設(shè)計研究所、哈飛集團、航天科工三院無人機技術(shù)研究所、航天科技八院、航天科技九院、航天科技十一院彩虹公司、總參 60 所、602 所; 中國航空工業(yè)集團公司、江西洪都航空工業(yè)股份有限公司、西安愛生技術(shù)集團有限公司、株洲無人機公司、北方導(dǎo)航科技集團有限公司、北航天宇長鷹公司、中航智公司、四川騰盾公司、賽為智能、大疆等。其中西安愛生技術(shù)集團有限公司隸屬于西北工業(yè)大學(xué)，是我國著名的研究、開發(fā)和生產(chǎn)系列中小型無人機系統(tǒng)及其動力裝置的高科技企業(yè)，一九九五年被國務(wù)院發(fā)展研究中心確認為中國最大的無人機科研生產(chǎn)基地，并入選 “中華之最”。近年來，隨著國家的重視，國內(nèi)掀起了研制無人機的高潮，但客觀來講，中國和美國、以色列在無人機的譜系和應(yīng)用上還存在一定的差距。? ? ? 除了軍用，無人機在交通領(lǐng)域、航拍領(lǐng)域、通信傳輸領(lǐng)域、高空作業(yè)方面、救援救災(zāi)方面，具備越來越大的應(yīng)用潛力。

2.2

美國無人機發(fā)展情況

? ? ? 美國無人機發(fā)展水平一直遙遙領(lǐng)先，其無人機技術(shù)先進，種類多，具有偵察類無人機，也具備實現(xiàn)察打一體的攻擊型無人機和運輸無人機，很多結(jié)構(gòu)實現(xiàn)模塊化設(shè)計。美國無人機研制時間最早追溯至 1939 年，先后涌現(xiàn)出多種型號，包括諾斯羅普 ＆ 格魯門公司的 MQ-1C灰鷹、MQ-4C海神、MQ-8C火力偵察兵無人機、MQ-9死神、MQ-9B 守衛(wèi)者無人機、X47B。MQ-9B守衛(wèi)者無人機，最大 飛 行 高 度 可 達 12.192 km，最 大 平 飛 速 度389km /h，續(xù)航時間 40h，巡邏半徑超過 7000 km，非常適合對大面積海域或空域進行巡邏。X-47B的最大特點是能直接從航空母艦上起飛，其航程是F-35 戰(zhàn)機的近 2 倍。X-47B 外形與 B-2型隱身轟炸機極其相似，采用無尾翼設(shè)計，隱身性能極高，美軍現(xiàn)役無人機數(shù)據(jù)如表 1 所示。
表1? 美軍現(xiàn)役無人機數(shù)據(jù)表

圖2? 美國發(fā)展的一些無人機
? ? ? 洛克西德馬丁公司的 RQ-170哨兵、RQ-3暗星、RQ-7影子、RQ-4全球鷹、P175臭鼬、 MFX-2 “柔性蒙皮”變形無人機、鸕鶿水下無人機；通用原子公司 MQ-9A “死神”、MQ-1B “捕食者”、MQ-1C “灰鷹”、CQ-10B “雪雁”; 波音公司的 A160T “蜂鳥”、RQ-21 “黑杰克”、X45C “鬼鰩”、垂直起降的蜻蜓無人機、液氫燃料無人機 PhantomEye 鬼眼等。RQ-4 全球鷹也是世界上已列裝的無人機中續(xù)航時間最長、航程最遠、尺寸和重量最大、實戰(zhàn)應(yīng)用最多的高空長航時無人機系統(tǒng)型號。? ? ? 其中，自美國航母確立海上武器裝備的霸主地位之后，以 X-47B 艦載無人機、MQ- 25 黃貂魚艦載無人機、MQ- 8C 艦載無人直升機等為代表的艦載無人機，被用做編隊執(zhí)行海上任務(wù)。

圖3? RQ-4 全球鷹無人機
? ? ? 此外，美軍還裝備了 RQ-11 “大烏鴉”、 RQ-12A “黃蜂”、 RQ-15 “海王星”、 RQ-20A “美洲獅”、 RQ-16 “雷鷹”、RQ-6A “警衛(wèi)”等多種型號的小微型無人機。除此之外，美軍為了實現(xiàn)無人化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化戰(zhàn)場環(huán)境下的新型作戰(zhàn)武器裝備，已經(jīng)開始重點研發(fā)無人機集群作戰(zhàn)能力。

2.3

以色列無人機發(fā)展情況

? ? ? 以色列作為世界主要軍事技術(shù)強國，也是世界無人機研發(fā)和制造的佼佼者，在世界無人機市場上具有舉足輕重的地位。以色列航空航天工業(yè)公司(IAI) 公司研制出了 “蒼鷺”、 “偵察兵 Scout”、 “獵手 Hunter”、 “搜索者 Searcher”、 “黑豹 Panther”、“哈洛普”等無人機。其中 “蒼鷺”無人機是由 1993 年開始研制的大型高空戰(zhàn)略長航時無人機。該機起飛重量達到 1100 kg，有效載荷 250 kg，升限達 11000 m，航時 50 h 左右，主要承擔(dān)實時監(jiān)視、電子偵察和干擾、通信中繼、地質(zhì)測量、森林防火和海上巡邏等任務(wù)。以色列艾爾比特公司研制出了 “赫爾墨斯 Hermes900”、 “云雀 Skylark”、 “麻雀 Sparrow”、“藍色地平線 BlueHorizon2”等無人機。“云雀 Skylark”無人機是采用電力作為動力的偏斜式、靜音無人機，是以色列國防軍目前裝備最小的無人機，重量僅為 4. 54 kg，航時 1. 5 h。馬扎拉特公司研制出了 “先鋒 Pioneer”、 “馴犬MastiffMk3”無人機。航空防御公司研制的 “斗牛士 Picador”、“盤旋者 Oribiter”等多個型號無人機都是國際航展上的亮眼產(chǎn)品，裝備以色列國防軍后又在中東復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下積累了豐富的作戰(zhàn)經(jīng)驗，形成了技術(shù)研發(fā)與實戰(zhàn)檢驗相互促進的良好局面。

圖4? 蒼鷺無人機

2.4

歐洲無人機發(fā)展現(xiàn)狀

? ? ? 神經(jīng)元無人機是由法國達索公司牽頭，希臘、意大利、西班牙、瑞典和瑞士等國聯(lián)合參與研發(fā)的新型隱身察打一體無人機，代表了目前歐洲無人機領(lǐng)域的最先進水平，如圖 5 所示。

圖5? 神經(jīng)元無人機
? ? ? 據(jù)法國軍備裝備管理局無人作戰(zhàn)飛機項目經(jīng)理所述，神經(jīng)元項目是為了滿足軍方對高度隱形作戰(zhàn)平臺的需求而成立的，低可觀察性是神經(jīng)元項目的第一要求。神經(jīng)元無人機的機翼前緣有 50°的后掠角，精心設(shè)計的機翼結(jié)構(gòu)和氣動外形，S 形進氣道以及超級隱形材料的使用使雷達散射面積被壓縮到極致。從目前的神經(jīng)元無人機試飛狀況得知，神經(jīng)元無人機機長 9.3 m，寬12. 5 m。體積大小約為生產(chǎn)型的3/4，起飛質(zhì)量為6700 kg，最大升限10 km，航程約 800 km，飛行時間長達 12 h，有 2 個機內(nèi)武器艙，依托機載高性能計算機能夠提高神經(jīng)元無人機任務(wù)規(guī)劃能力，能夠在敵人防區(qū)外用精確制導(dǎo)導(dǎo)彈進行精確打擊，壓制敵人的防空力量，具備突防攻擊和類似 F-35 的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)能力。? ? ?俄羅斯在陸軍、海軍和空天軍中都部署了無人機，主要型號有 “海雕-10”、 “前哨”和 “獵戶座”等，這些無人機主要進行偵察、目標(biāo)識別、為火炮和航空打擊進行校準(zhǔn)以及毀傷評估。無人機的廣泛使用在一定程度上改變了陸海空三域的作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)，是未來戰(zhàn)場必不可少的武器之一?！昂５?10”是俄軍目前服役無人機中裝備數(shù)量最多的型號，使用半徑最大 120 km，裝配了晝夜攝像機和無線電作戰(zhàn)設(shè)備，可在線傳輸視頻，空中持續(xù)工作時間上限為14 h，升限為5000 m。“前哨”無人機被認為是以色列 “搜索者”無人機的俄羅斯國產(chǎn)版，該機是俄軍裝備的首款全自動無人攻擊機，使用半徑為200 km，滯空時間達17 h，升限約為 5000 m。

圖6? “海雕-10”無人機

圖7? “前哨”無人機

圖8? ?“獵戶座”無人機

03

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在無人機領(lǐng)域的應(yīng)用

? ? ? 聚丙烯腈基碳纖維與 Nomex 蜂窩材料被廣泛應(yīng)用于無人機的機體外殼、機翼蒙皮與前緣; PAN 基碳纖維板與泡沫材料復(fù)合制成的泡沫夾心復(fù)合材料或聚丙烯腈基碳纖維管被大量用作無人機主梁; Kevlar纖維材料應(yīng)用于螺旋槳、機身、連接件等部位以大幅提高抗疲勞強度與抗沖擊能力。中大型無人機主承力結(jié)構(gòu)采用金屬，其余采用復(fù)合材料，中小型無人機采用碳纖維、玻璃纖維及其混雜材料，無人戰(zhàn)斗機采用碳纖維復(fù)合材料，芳綸纖維等。小型低速無人機采用碳纖維、芳綸纖維、紙蜂窩以及木質(zhì)材料。
表2? 無人機使用材料的比強度和比剛度
? ? ? 由于無人機在結(jié)構(gòu)設(shè)計中不需要考慮人的生理承受能力限制，能更專注的針對無人機的機動性能進行設(shè)計，使其在材料選用上具有一些有別于載人飛機的特點。復(fù)合材料的應(yīng)用能夠在很大程度上提升機體的隱身能力。首先，由于聚合物不具有導(dǎo)電性，因此，其能夠避免探測波散射場的形成；其次，復(fù)合材料的應(yīng)用對于結(jié)構(gòu)與功能有效結(jié)合來說起著非常重要的作用，例如通過對結(jié)構(gòu)型隱身材料的應(yīng)用，能夠大大降低機體對雷達探測波的反射; 最后，復(fù)合材料的應(yīng)用可以實現(xiàn)機體的整體性，從而通過光滑、一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計達到隱身的目的，避免接縫、釘子等不光滑設(shè)計導(dǎo)致對探測波的散射?？偠灾?，這些設(shè)計有效提升了無人機的隱蔽性。據(jù)統(tǒng)計，目前，世界各國都在無人機上大幅度使用以碳纖維復(fù)合材料為主的先進復(fù)合材料，占到了結(jié)構(gòu)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 60%-80%；使機體減質(zhì)量 25% 以上。從開始的非承力結(jié)構(gòu)，無人機越來越多承力結(jié)構(gòu)采用了碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造，北京衛(wèi)星制造廠聯(lián)合中國航天科技集團第九研究院無人機研究所，采用手糊工藝成功研制了某型號無人機復(fù)合材料弓形主起落架、碳纖維復(fù)合材料尾撐桿等。部分無人機復(fù)合材料應(yīng)用概況如表 3 所示。
表3? 部分無人機復(fù)合材料應(yīng)用概況

3.1

復(fù)合材料在偵察/監(jiān)視無人機結(jié)構(gòu)應(yīng)用

? ? ? 將復(fù)合材料用于偵察 /監(jiān)視型無人機具有比強度和比剛度高、耐疲勞性能好、減震性能好、加工工藝性好等優(yōu)點。國外目前常規(guī)在制、在研的無人機均以復(fù)合材料和傳統(tǒng)鋁合金的混合結(jié)構(gòu)為主，如美國的 “暗星”無人機機體采用復(fù)合材料外加吸波涂層，滿足其高隱身性能的要求; 以色列的 “先鋒”和 “搜索者”、美國的 “鷹眼”、英國的 “不死鳥”和南非的 “禿鷲”等許多著名的無人機均為全復(fù)合材料飛機。? ? ? 現(xiàn)階段，全球飛行時間最長、距離最遠的無人偵察機為美國空軍 “全球鷹”，總體結(jié)構(gòu)的65%為先進復(fù)合材料，除機身主體結(jié)構(gòu)為鋁合金，包含機翼、尾翼等結(jié)構(gòu)在內(nèi)均采用石墨/環(huán)氧復(fù)合材料，機翼、尾翼、后機身、雷達罩、發(fā)動機整流罩等部分采用碳纖維 /環(huán)氧復(fù)合材料。“全球鷹”無人戰(zhàn)斗機采用熱壓罐成型制造技術(shù)，機翼的制造主要利用Nomex芯體材料在 121℃的高溫下進行液壓罐裝成型技術(shù)。翼梁和翼盒由 Cytec 公司提供的高模碳纖維環(huán)氧預(yù)浸料制造，蒙皮為層壓板結(jié)構(gòu)，翼內(nèi)為整體油箱，50%前后緣均為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，采用Hexcel 公司提供的Nomex芯材。主結(jié)構(gòu)用 121℃ 熱壓罐固化成型，梁和蒙皮分別固化后二次膠接，無緊固件，簡化了密封和裝配工藝。整個機翼分3段，一個 15m長橫跨機身的翼盒，兩個10m長的外翼和翼尖組合件，彼此之間用機械方式連接，表面固化有防雷擊的通網(wǎng)。RQ-4B 機翼增至39.9 m，在一些區(qū)域增加了鋪層以提高結(jié)構(gòu)強度和剛度。整個機翼分為 4 段，兩個大的翼盒在機身中心對接，兩端各一個翼尖組合件，兩個復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在機身中線對接可以提高氣動效率。需要特別說明的是，翼尖部分的制造采用了 Radius Engineering 公司開發(fā)的 SQTM (same qualified resin transfer molding) 技術(shù)。它是一種閉模成型方法，結(jié)合預(yù)浸料工藝和液態(tài)成型技術(shù)，可以生產(chǎn)真正的凈成型且高度組合的航天航空零部件?？傊?， SQRTM 不使用熱壓罐，但可以生產(chǎn)出具有熱壓罐質(zhì)量的部件，屬于低成本的制造技術(shù)。新設(shè)計的翼尖包含 3 個主要部分: 一個承扭盒，一個內(nèi)翼肋( 用于連接翼尖和主翼) 和一個翼尖帽型件。每個承扭盒均包含 6 根層合復(fù)合材料桁條，機翼前后緣和外翼肋組成一個整體結(jié)構(gòu)。相比較每個承扭盒由兩根蜂窩夾層結(jié)構(gòu)桁條和多根翼肋組成的原始的設(shè)計，利用 SQRTM 技術(shù)僅用 3 個模具就能完成左、右翼尖所有零部件的制備。? ? ? 美國 AAI 公司研制的 “RQ-7影子”多用途無人機機體結(jié)構(gòu) 95% 為復(fù)合材料: 碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料機身，碳或芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料尾翼，機翼則采用碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料面板-蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造。? ? ? BAI 航空系統(tǒng)公司的 “敢死蜂”無人機機翼、可動控制面及垂尾均用聚苯乙烯和玻璃纖維制成的硬殼式復(fù)合材料制成，方向舵和機身采用泡沫夾層結(jié)構(gòu)，發(fā)動機冷卻罩及艙門口蓋均用熱塑真空成型，玻璃鋼螺旋槳整流罩采用模壓成型。? ? ? 諾·格公司研制的著名的 “全球鷹”無人偵察機，翼展達到 35.4m，超過波音 747 飛機，除機身主結(jié)構(gòu)為鋁合金外，其余均為復(fù)合材料制成，包括機翼、尾翼、后機身、雷達罩、發(fā)動機整流罩等，復(fù)合材料用量約為結(jié)構(gòu)總重的 65%。? ? ? 德國的空中無人系統(tǒng)探索項目 “梭魚”無人技術(shù)驗證機在 Augsburg 使用 EADS 的真空輔助制造專利技術(shù)，僅用一個月就制造出了全碳纖維復(fù)合材料機身，全碳纖維復(fù)合材料的機翼則在西班牙Getafe制造，該機僅有的金屬部件是翼梁、主起落架支架和安裝架。? ? ? 我國的 “翔龍”無人偵察機機身尾部裝有ACM 發(fā)動機機艙，機身曲線光滑、連續(xù)，隱身性能良好，而 ASN-105B 無人偵察機機體結(jié)構(gòu)基本為玻璃鋼材料，為國內(nèi)第一款使用復(fù)合材料的大型無人機。哈飛與北航聯(lián)合設(shè)計的遠程無人偵察機BZK-05 機身受力骨架采用常規(guī)鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)，蒙皮及整流罩采用玻璃纖維、碳纖維、Nomex紙蜂窩等復(fù)材結(jié)構(gòu)，機翼也由全復(fù)合材料構(gòu)成。? ? ? 此外，翼龍無人機是由中航工業(yè)研制的一種中低空、軍民兩用、長航時多用途無人機。機體結(jié)構(gòu)選用鋁合金材料，天線罩采用透波復(fù)合材料，機翼為蜂窩夾心復(fù)合材料。國產(chǎn) “彩虹 4”無人機機翼翼展 18 m，最大起飛質(zhì)量超過 1300 kg，機體除了主梁，其他部分都是由復(fù)合材料制成。“彩虹 5” 翼下設(shè)有 6 個復(fù)合材料掛架，一次可掛載 16 枚不同類型的空地導(dǎo)彈，最大載荷達 1 噸。

3.2

復(fù)合材料在察打一體無人機結(jié)構(gòu)應(yīng)用

無人戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)使用的復(fù)合材料主要為碳纖維復(fù)合材料，極大地降低了機身的整體重量，使得戰(zhàn)斗機可以更加靈敏、高速。波音公司研制的 X-45 無人戰(zhàn)斗機生產(chǎn)型機體結(jié)構(gòu) 90%以上采用復(fù)合材料，其機身由低溫固化預(yù)浸料制造，機翼為泡沫夾層結(jié)構(gòu)，采用獨特的 FMC (Foam Matrix Core) 技術(shù)，首先成型泡沫芯，再在成型好的泡沫上纏繞纖維，最后將二者共固化。采用該技術(shù)不僅可以大幅降低 X-45 的制造成本，而且方便拆卸、存放和安裝。
? ? ? 美國波音公司制造的 X-45A 無人戰(zhàn)斗機翼展10.3 m，弦長 8 m，質(zhì)量 3640 kg，搭載有效載荷680 kg，復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)質(zhì)量的45% 。其機身蒙皮由碳纖維預(yù)浸帶采用鋪層方式制成，機身上部蒙皮約 9 m 長，3.7 m 寬，是個整體件，機身下部蒙皮則由兩塊 4.5m × 3.7 m 的兩部分組成。X-45A無人戰(zhàn)斗機噴管的上下蒙皮則采用了Cytec公司制造的 BMI-5250-4型碳纖維預(yù)浸料，其固化溫度處于 177℃～204℃，使用溫度在-59℃～204 ℃之間。? ? ? 美國為確保在西太平洋的霸主地位，研制出的X-47B 無人戰(zhàn)斗機，可以在我國研制的反艦導(dǎo)彈射程之外攻擊中國沿海的導(dǎo)彈部隊。X-47B 無人戰(zhàn)斗機的外翼由鋁合金部件和碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料組成，90%機體表面由碳纖維復(fù)合材料制造，機翼具有折疊功能，節(jié)省了在航母中所占據(jù)的空間；以色列 “偵察兵”無人戰(zhàn)斗機可以從一個機載監(jiān)視平臺和一個移動戰(zhàn)斗情報微波數(shù)據(jù)鏈接接受視頻、遙測和數(shù)據(jù)廣播，整體采用碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成，空載重量可達 76 公斤，負載重量可達118 公斤。中國的“利劍”由洪都飛機廠制造，機長約 10 m，翼展 13.8 m，采用碳纖維夾芯鋁蜂窩制造。? ? ? 美國通用原子公司制造的中空長航時無人偵察機 “捕食者”MQ-1 無人機的材料分布，全機除機身大梁采用金屬外，幾乎全部采用復(fù)合材料，包括碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維復(fù)合材料以及蜂窩、泡沫等夾層結(jié)構(gòu)，用量約為結(jié)構(gòu)總重的92%。其中，機身大量采用了碳纖維織物/Nomex 蜂窩夾層加筋壁板結(jié)構(gòu)，內(nèi)部關(guān)鍵位置有碳纖維梁和肋以保證足夠的剛度。雷達罩采用玻璃纖維復(fù)合材料制造。成型工藝上，機體主要部分采用碳纖維/環(huán)氧預(yù)浸料手工鋪疊/熱壓罐工藝制造，主梁以及尾翼梁、起落架支柱采用碳纖維織物閉模成型，并使用氣囊輔助壓實。? ? ? 騰盾公司和三強公司聯(lián)合研制的 HA 無人察打一體機除中機身骨架外，全部采用碳纖維及玻璃纖維復(fù)合材料制備，圖 9 和圖 10 分別是 HA 無人機的多梁式泡沫夾層共固化垂尾和滑橇式起落架。圖9? HA 無人機碳纖維復(fù)合材料垂尾
圖10? HA 無人機碳纖維復(fù)合材料滑橇式起落架

3.3

復(fù)合材料在民用無人機結(jié)構(gòu)應(yīng)用

? ? ? 意大利都靈工業(yè)大學(xué)研制的 HeliPlat 高空長航時太陽能無人機機翼管狀梁架結(jié)構(gòu)采用 M55J 碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料面板/Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造，能承受大部分的彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切載荷，翼盒 蒙 皮 則 采 用 M55J 碳 纖 維/環(huán)氧預(yù)浸帶制造。? ? ? 奧羅拉飛行科學(xué)公司研制的 “提修斯”高空長航時大氣研究無人機主要用于大氣對流研究、遙感及颶風(fēng)探測等，該機采用全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，上單翼翼展達 42.06 m，運輸時可將外翼段和尾翼拆除。HALE-UAV 驗證機全復(fù)合材料機翼骨架如圖 11 所示。
圖11? HALE-UAV 驗證機全復(fù)合材料機翼骨架
? ? ? 美國 NASA 的 “赫利俄斯”太陽能全復(fù)合材料民用無人機在 2001 年試飛時連續(xù)飛行時間長達17 h，創(chuàng)造了無人機連續(xù)飛行時間記錄。如圖 12 所示，這架飛機的翼展 75. 3 m，遠超波音 747 的翼展長，弦長 2. 44 m，主結(jié)構(gòu)由碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成，全機均勻分為 6 段，每段連接處都有一個復(fù)合材料艙，用來裝載有效載荷。
圖12? 美國NASA 的“赫利俄斯”太陽能全復(fù)合材料無人機
? ? ? 日前中國航空工業(yè)一飛院自主研發(fā)的超長航時太陽能無人機總裝下線，飛機命名為 “啟明星”，如圖 13 所示，全身采用碳纖維復(fù)合材料。民用無人機主要采用真空袋成型制造工藝技術(shù)，降低了無人機的制造成本，這種工藝操作性簡便，而且在技術(shù)要求上標(biāo)準(zhǔn)性不高。

圖13? 中國一飛院“啟明星”太陽能全復(fù)合材料民用無人機

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無人機復(fù)合材料共固化結(jié)構(gòu)設(shè)計

? ? ? 想要更好的減重，增加任務(wù)載荷，延長續(xù)航時間，復(fù)合材料的輕量化設(shè)計是現(xiàn)代無人機設(shè)計的趨勢，而輕量化趨勢就是結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計與制造。? ? ? 隨著復(fù)合材料用量的增大，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度不斷攀升，能夠充分發(fā)揮復(fù)合材料的潛力、大幅降低重量，進一步簡化裝配關(guān)系的整體化結(jié)構(gòu)，縮短生產(chǎn)工序，顯得非常有意義。無人機結(jié)構(gòu)一般采用板、梁、肋結(jié)構(gòu)分別成型，然后通過室溫膠接裝配，首先膠接單側(cè)板件與骨架，其次與另外一個板件進行室溫膠接，膠接質(zhì)量無法監(jiān)測。本項目擬通過摸索，建立一種壁板與梁膠接共固化一次成型(中溫固化)，粘接強度更大，可靠性更高，部件裝配的周期更短，成本大幅度降低，而且能夠減少連接件的使用。? ? ? 共固化設(shè)計與制造技術(shù)具有先進性，能夠更好的發(fā)揮復(fù)合材料可設(shè)計性強、比強度大、比模量高的優(yōu)勢，能夠進一步進行輕量化設(shè)計，從而達到系統(tǒng)減重、任務(wù)載荷增加，續(xù)航時間延長等目的。? ? ? 復(fù)合材料的應(yīng)用部位已由非承力部件及次承力部件發(fā)展至主承力部件。發(fā)展方向也趨向大型化、整體化和低成本化，復(fù)合材料整體成型技術(shù)通過減少復(fù)雜、大型結(jié)構(gòu)的零部件裝配和緊固件數(shù)量來實現(xiàn)復(fù)合材料制件的輕質(zhì)、高效、低成本。復(fù)合材料整體成型技術(shù)中優(yōu)先選擇共固化成型技術(shù)，該技術(shù)制造的復(fù)合材料制件結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、變形量小。

來源：段國晨,趙景麗,趙偉超.先進復(fù)合材料在無人機結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[J].纖維復(fù)合材料,2022,39(02):105-114.

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