6.4 先进复合材料在无人机上的使用


重量轻、小型化、长航时、高隐蔽和高安全性等特性是无人机区别于有人机的显著特点和技术发展方向。在材料选择方面复合材料无疑是最佳选择。纵观世界上各种无人机,包括军、民用无人侦察机、无人作战飞机以及微型无人机等,均无一例外地大量使用了复合材料结构,有些甚至是全复合材料机体。因此以复合材料为核心的无人机机体结构及制造技术应是无人机发展的关键技术之一。

▼ 比强度、比模量高

▼ 热膨胀系数小

▼ 抗疲劳能力和减振能力强

▼ 结构可设计性好

▼ 吸波隐蔽性好

ACM 具有特殊的电磁性能,一方面,在ACM 内部加入具有吸波、透波性能的纤维材料( 如PBO 纤维) 和无机颗粒( 如铁氧体、BaTiO3等纳米颗粒) ,或者在其表面喷涂隐身涂料,从而可以减少UAV 的雷达、红外线、光电等观测特征,提高UAV 的生存力和作战效能; 另一方面,通过对UAV 的机体构造进行优化设计,在机体中引入各种特殊的异型吸波、透波复合结构,或在机身表面及各连接处进行光滑处理,降低雷达散射截面值( RCS) ,提高UAV 的电磁隐蔽性。2011 年,美国诺斯罗普·格鲁曼公司和美国海军联合试飞了X-47B 舰载无人攻击机,其外翼由铝合金部件和碳纤维/环氧复合材料蒙皮组成,由于采用了符合空气动力学的棱角和舵面设计,并将副翼、襟翼等各种传动面都制成了综合面,减少了机体的表面缝隙,因此X-47B 具备优异的雷达和红外低可视特征,表现出良好的隐身性能和战场生存能力。


与有人机相比,无人机在机体结构设计中既不需要考虑机动飞行过程中人的生理承受能力限制,也不需要因为特别强调人的生存性而对隐身及抗弹伤能力结构和材料作特殊考虑。

不过由于无人机机载设备技术先进,要求高,因此也要求无人机有相当好的机体结构性能,这使无人飞机在结构选材上具有一些有别于有人机的新特点。

与传统金属材料相比,复合材料具有比强度和比刚度高、热膨胀系数小、抗疲劳能力和抗振能力强的特点,将它应用于无人机结构中可以减重25%~30%。据统计,目前世界上各种先进的无人机复合材料的用量一般占机体结构总重的60%~80% ,即复合材料的用量可达90%以上。在无人机上大量采用复合材料的优点是多方面的。

(1) 复合材料本身具有优异的可设计性,在不改变结构重量的情况下,可根据飞机的强度和刚度要求进行优化设计;在设计制造技术上满足了大多数无人机高度翼身融合结构所需的大面积整体成型这一特点。

(2) 聚合物基复合材料具有特殊的电磁性能, 研究改性后有望满足无人机结构/功能一体的高隐身技术要求。复合材料的耐腐蚀性可满足无人机恶劣环境下长储存寿命的特殊要求, 降低使用维护的寿命周期成本。

(3) 复合材料中易植入芯片或合金导体,形成智能材料、结构。

目前,复合材料在无人机领域已成为主要结构材料,如碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、蜂窝夹层复合材料等。通常,无人机除机身的龙骨、梁和隔框、起落架等结构件采用铝合金外,机翼、尾翼及各种天线罩、护板、蒙皮等结构件均大量使用复合材料。另外,在中小型无人机上,木质材料、轻型塑料、塑料薄膜等非金属材料也得到大量使用。复合材料的应用对无人飞机结构轻质化、小型化和高性能化已经起到了至关重要的作用。


(1) 侦察/监视型无人机

(2) 无人战斗机

(3) 民用太阳能无人机

国外目前常规在制、在研的无人机均以复合材料和传统铝合金的混合结构为主,如美国的“暗星”无人机机体采用复合材料外加吸波涂层,满足其高隐身性能的要求。

作为最为著名的高空侦察无人飞机,美国诺斯罗谱·格鲁门公司为美空军研制的“全球鹰”高空长航时无人侦察机,采用翼身融合布局,起飞重量11640kg,燃油重量6727kg,超过总重量的一半。除机身主结构为铝合金外,其余均用复合材料制成,包括机翼、尾翼、后机身、雷达罩、发动机整流罩等,其中机翼和尾翼用石墨/环氧复合材料制造, 复合材料机翼长达35m,复合材料占结构总重量的65%。沃特(Vought)飞机工业公司在生产改进型“全球鹰”RQ-4B飞机机翼时,使用了商用复合材料和环氧材料。新机翼的长度增至39.9m,重约1814kg。

诺斯罗谱·格鲁门飞机公司为美海军研制的无人攻击机X-47A 是一架高度翼身融合的无尾飞翼布局飞机,翼展8.5m,弦长8.5m,飞机空重1743kg。整个机体除一些接头采用铝合金外,几乎全部采用了复合材料,堪称全复合材料飞机。机体结构由4部分组成,沿机体中心线上、下各两大部分,典型地发挥了复合材料大面积整体成型的优点。

在制造过程中,X-47A采用室温固化碳/环氧专用复合材料,因而取消了热压罐,设计方法也围绕低温固化树脂开展了复合材料结构设计以利于快速制造,结果是首次概念设计仅用了12个月。

美国NASA 于1994 年启动ERAST计划,研制赫里阿斯(Helios)太阳能无人机,该机 空重600kg,有效载荷282kg,全机几乎都用复合材料制造,其展长为75m,远远超过B747 的展长,弦长为2.44m,主结构由碳/环氧复合材料制成,全翼均匀分成6段, 每个对接点处有一个复合材料舱,装载有效载荷。太阳能片布满整个上翼面,驱动14台电动发动机,各带动一个双叶螺旋桨。2001年8月曾创下了飞行高度29516m的世界纪录,飞行了17h。可以想像若没有先进复合材料的应用就没有这一纪录。

阳光动力2号太阳能飞机,是一架长航时、不必耗费一滴燃油便可昼夜连续飞行的太阳能飞机,飞行所需能量完全由太阳能电池提供。其翼展达到72米,仅次于体积最大的商用客机A380(79.75米),但重量只有约2300公斤,与一辆家用汽车相当。

2015年3月9日,阳光动力2号太阳能飞机从阿联酋首都阿布扎比起程,开始环球飞行。目前阳光动力2号在6月29日从日本中部城市名古屋起飞,经过118小时不间断飞行后,于当地时间7月3日降落在美国夏威夷檀香山机场。先前单一飞行员连续飞行时间最长的世界纪录是由美国探险家史蒂夫·福塞特2006年创造,当时他驾驶一架飞机连续飞行76小时45分钟。这次阳光动力2号太阳能飞机创造了新的世界记录

阳光动力2号的机翼及机身主框架均由碳纤维复合材料制成,其中机身主体是由碳纤维复合材料管构成的复合材料桁架结构。这类复合材料桁架机身通常由预先制备的复合材料管和复合材料接头通过胶接拼装而成。其机翼主梁为碳纤维复合材料箱型薄壁结构,由三段组成,每段20 m 长,通过首尾相连得到总长为61 m 的机翼主梁。120 条翼肋均为碳纤维复合材料制成,每条重量小于100 g,分为前后两部分,分别与箱型主梁进行连接。


   复合材料的优点有哪些?

2   复合材料结构的减重优势来自于哪里?

3   复合材料的可设计性体现在哪里,如何实现?

4   无人机上复合材料结构的典型应用有哪些?

  目前无人机结构上应用复合材料的不足还有哪些?