小型無人機泡沫填充式機翼工藝研究

目前，小型電動長航時無人機、便攜式筒式發射無人機等新型非常規無人機的快速發展，對無人機結構提出了新的要求。小型無人機由于低風險、低成本及總體尺寸較小的特點，使一些新材料、新式構型與新型結構設計應用成為可能，飛機結構在滿足強度、剛度的前提下，還應滿足重量輕、成本低、工藝性好等要求。利用先進復合材料實現結構/功能一體化、采用泡沫夾芯的整體式結構、減少機體內部骨架支持的結構形式，可以提高機體耐沖擊特性，增提升可修復性，便于實現復合材料結構/功能一體化。

機翼是小型無人駕駛飛機的一個重要部件，具有產生升力、承載氣動力的雙重作用，不但要有足夠的強度、剛度和較輕的重量，而且要有光滑流線、準確的外形。因此，一個性能優異的機翼需從材料、結構及制造工藝進行綜合考慮。

小型無人機新構型與新結構設計

隨著小型無人機應用的快速發展，新構型不斷出現，泡沫填充的整體機翼結構形式逐漸得到應用。本文以手拋式小型電動無人機和筒式發射無人機作為研究對象，以體現泡沫填充機翼的多樣性。

手拋式小型電動無人機具有翼載荷小、氣動效率高的特點，要求具備一定的彈性，筒式發射無人機作為可多次重復使用的無人機，要求具有良好的快速修復性，某些機型還要求能夠承受一部分的沖擊過載。圖1為美國陸軍的RQ-11手拋式無人機。

筒式發射無人機具有翼載荷中等、機翼超薄、展弦比一般很大、飛行速度高等特點，必須承受筒式發射、空中展開、空中機動的大過載，因此，要求具有足夠的剛度、強度，降低成本以滿足一次性使用。圖2為筒式發射無人機。

采用泡沫填充整體構型，結構重量輕，具有較大的彎曲剛度和強度。泡沫夾層結構是承載效率較高的結構形式，泡沫夾層結構由復合材料面板和膠粘劑組成，膠粘劑將面板和芯材膠接成一個整體，面板主要承受面內拉伸、壓縮和面內剪切；芯材支持面板承受垂直于面板的壓縮應力，并能防止面板在側壓載荷下產生屈曲（芯材承受壓縮和剪切載荷）。泡沫夾層結構薄復合材料面板根據載荷大小可選用玻璃布、碳纖維、凱夫拉等。圖3為典型泡沫填充機翼結構。

玻璃布成本低，粘接成型工藝性好，可在常溫下進行粘接固化，但強度性能相對較差，適用于載荷較小、重量/剛度要求較低的部件；碳纖維成本相對較高，需高溫高壓固化、成型，工藝復雜，但碳纖維強度、剛度較高，適用于載荷較大、重量/剛度要求高的部件；凱夫拉纖維強度高、韌性好，耐沖擊，適用于具備一定彈性、載荷大、有一定防割、防磨要求的部件。

可供實用的泡沫材料主要有聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）、聚苯乙烯和聚丙烯混合（EPO）、聚丙烯（EPP）、聚氨脂（PU）：

（1）在相同密度下，PMI泡沫是強度和剛度最高的泡沫材料。各向同性，平面和橫向、法向都有較高的剪切模量，橫向、法向變形小；可機械加工，但加工成本較高。

（2）硬質PU泡沫注射填充在已成型的復合材料層壓板蒙皮內，不用加工芯材外形，缺點是發泡性能不穩定，注射填充時泡沫芯材密度不易控制，容易超重，影響結構的重心分布和結構剛度。

（3）EPP泡沫具有最好的韌性，但強度較低，機加工精度不高，易于手工切割，同時，發泡工藝尚可。

泡沫填充機翼工藝過程

成型工藝流程如圖4所示。手拋式小型電動無人機機翼采用凱夫拉纖維布、EPP彈性泡沫先進復合材料；筒式發射無人機機翼采用碳纖維布、PMI剛性泡沫復合材料。這兩種無人機都是根據圖4所示工藝過程制成。

機翼模具工藝設計

使用代木初步加工機翼陽模，包括機身與機翼連接部位等，采用人工打磨方式提高表面光滑度。飛行器飛行時對部件氣動外形要求較高，對于精度要求較高的部位，采用原子灰填補，而后經過粗砂打磨、精砂打磨和精砂水磨等工序，使其表面足夠光滑，達到機翼的陽模要求。

首先，留出用于模具定型、定位的邊緣寬度；然后，選好合模邊界與粘結面（要充分考慮合模和拆模的便捷性與可行性，符合工程原理的分離工藝面），將機翼陽模的一半置于基體中，填住分離工藝面以下所有部分，并盡量保證平臺光滑、平整，預留出陽模模具的一半外形。最后，用卡具或擋板圈固住基體邊緣，制作出倒模區，完成準備翻制工作。圖5為翻制中的模具。

在陰模表面依次涂抹脫膜蠟、噴涂光漆、刷涂易打磨膠衣樹脂，待膠衣干后，用環氧樹脂膠鋪設一層厚0.13mm的高強玻璃布，一層厚0.25mm的固化碳纖維。之后再使用厚0.4mm的無堿玻璃布封裝所有材質，確定內部表面。陰模處理完后，在陰模上鋪設一層脫膜布，用毛刷反復刷壓，使脫模布吸附環氧樹脂膠水并自定位。在恒定溫度下加熱固化8h。圖6為手拋式小型電動無人機模具成品。

零部件工藝試制及試驗

手拋式無人機

某手拋式小型電動無人機采用的主材為凱夫拉、EPP彈性泡沫先進復合材料，在失速著陸時，不僅緩沖包能夠進行緩沖，機翼的主要受力位置加入高強纖維，增強其剛度與強度，并且連同機身與機翼形成彈性體，增強對機載設備的防護，具有機體自身的抗沖擊性能。在試制階段采用人工切割EPP泡沫的方式，EPP泡沫切割余留1mm的模壓成型壓縮量。

在硬質地面，使用3kg的鋼棒，在距離地面高1m處自由下落，對機翼結構進行抗損傷試驗，通過對聚氨酯發泡機翼、彈性泡沫機翼進行對比試驗。對比的試驗項目包括抗損性、損后結構連續性、可修復性等。對比試驗發現，彈性泡沫機翼抗損性遠超過聚氨酯泡沫，且受損后機翼主體結構連續性保持良好，具備快速修復的基礎。圖7為不同泡沫材質機翼抗沖擊試驗對比。

筒式發射無人機

在某型筒式發射無人機中采用的主材為碳纖維、PMI剛性泡沫。PMI泡沫采用三軸數控機床精密銑切加工，機翼的主要受力部位加入碳條，對應的泡沫芯附近增加了硬質填料，在展弦比為11、相對厚度不足6%的機翼結構上實現了剛性布置，在地面進行了出入筒折疊展開沖擊測試、100g過載沖擊試驗臺測試和拄地膛壓發射試驗，驗證了空中飛行的空氣動力學性能，試驗結果達到了各項指標要求。

工藝過程控制

在工程試制階段，主要在以下方面進行控制：

（1）采用成型與裝配一體的模具結構，模具整體上下對模；

（2）機翼整體的裝配放于成型模上，保證制造依據的一致性；

（3）在整機膠接前，壁板先進行預裝配，確保各點間隙均勻；

（4）工藝上采取在模具上直接噴膠衣樹脂的方式，在未完全固化前就鋪壁板。膠衣樹脂較好地彌補了泡沫的缺陷。

重量是決定無人機性能高低的關鍵，而重量控制的關鍵在于含膠量的控制，其工藝上通過以下工序進行控制：

（1）壁板蒙皮的膠量控制；

（2）壁板與泡沫膠接的膠量控制；

（3）壁板與機身外蒙皮的膠接、膠量控制；

（4）在預裝配過程中將所有配合間隙控制在0.2mm范圍內。

結束語

通過對整體機翼結構、材料的分析，經過工藝試制及綜合試驗，獲得了較為完善的泡沫填充式整體機翼的結構、工藝方案，并成功應用于不同類型的小型無人機上，可以在不同程度和層次上滿足翼展小于2m的微小型無人機新構型的發展需求。

（楊國松，中國電子科技集團公司第二十七研究所）