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复合材料在无人机上的应用
发布日期：2011-04-06

1、复合材料在无人机上应用的优点与有人飞机相比，无人飞机（UAV）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[2-3]，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的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飞机的新特点。无人机遂行任务的特殊性，也使其成为采用新型结构材料的极好的平台。和传统金属材料相比，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无人机的复合材料用量一般占机体结构总重的60％ ~80％，复合材料的总用量可达90％以上。在无人机上大量采用复合材料的益处是多方面的。首先，复合材料本身具有可设计性，在不改变结构重量的情况下，可根据飞机的强度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在高度翼身融合结构所需的大面积整体成形这一特点。其次，聚合物基复合材料具有特殊的电磁性能，改性后有希望满足无人机结构/ 功能一体的高隐身技术要求。复合材料的耐腐蚀性能，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。再次，复合材料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。 2、复合材料在高空长航时无人机上应用 “全球鹰”作为世界上最为的高空长航时无人侦察机，是由美国诺斯罗谱· 格鲁门公司为美空军研制的，由沃特（Vought）飞机工业公司生产。其采用大展弦比下单翼，细长机身，V 形尾翼，前三点起落架布局，机翼1/4 弦长处后掠5°54′，V 形尾翼（上反角50°）。复合材料机翼长达35m，复合材料占结构重量的65％。沃特（Vought）飞机工业公司生产改进型“全球鹰”RQ-4B 飞机机翼时，使用了商用复合材料和环氧材料。新机翼更增至39.9m，重约1814kg。“全球鹰”的活动半径为5500km，航程26000km，续航时间达到42h，实用升限19.8km，整机起飞重量11640kg，燃油重量6727kg，超过总重量的一半，具有从美国本土起飞对全球任何地点进行战略侦察和战术侦察的能力，是目前世界上的高空长航时无人侦察机，它代表了目前高空长航时无人机发展的水平和趋势。中国“翔龙”无人机2006 年珠海航展上亮相。由成都飞机工业公司制造，初期采用金属机翼，翼展25m，机身长度14.3m，巡航速度750km/h，任务载荷650kg，续航时间9.3h。可以看出：“全球鹰”无人机的航程是“翔龙”的3 倍，翼展较“翔龙”多10m，任务载荷多250kg。比较国内、外高空长航时无人机各项性能指标，研究发现：影响我国无人机性能的关键是设计制造并使用大展弦比复合材料柔性机翼。根据使用环境（通常高空）和性能要求（通常续航时间大于24h 和一定的任务载荷），高空长航时无人机需要携带尽量多的燃油（可以提高航程）和使用大展弦比柔性机翼（可以提高升力）。利用树脂基复合材料密度小、比强度、比刚度大和可剪裁的优点，可以设计出大展弦比柔性机翼；利用复合材料整体化设计/ 制造技术，可以在机翼上设置整体油箱，提高无人机的续航时间和航程。由此可见，无人机大展弦比复合材料柔性机翼整体化设计/制造技术是提高我国高空长航时无人机各种性能，特别是高空、长航时性能的关键技术之一。 3、复合材料在攻击无人机上应用美国已经开始以X-45A、X-47A的概念验证基础上发展空／海军通用的无人战斗机。为了尽可能地降低结构重量，无人战斗机结构的一个显著特点就是大量应用复合材料，且远远超过有人战斗机的应用水平。波音公司X-45A 翼展10.3m，弦长8m，空重3640kg，搭载有效载荷的能力为680kg。复合材料占X-45A结构重量的45％。其机身由高速切削的铝合金龙骨、梁及隔框覆以复合材料蒙皮构成。将美国先进复合材料集团开发的LTM45EL 长寿命机织碳／环氧低温固化预浸带采用铺层方式制造蒙皮、进气道及舱门，工装由Janicki 工业公司提供。低温固化预浸料的固化应用了该公司的两个船形模具。该机身上部蒙皮约9m×3.7m，被铺成一个整体件，而下部蒙皮则被加工成两个4.5m×3.7m的部分。喷管部分的上、下蒙皮将分别采用Cytec 公司的BMI-5250.4 碳纤维／双马树脂制造。它的固化温度范围处于177℃ ~204℃，使用温度在59℃ ~204℃之间。依据美国国防部合同，波音获准放弃X-45B 的开发，将该项目的有效载荷、航程及目标并入目前正在开发的J-UCAS 计划中的X-45C，X-45C 弦长11m，翼展14.6m，飞行重量达l5900kg。

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