無人機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料及其制造技術(shù)綜述

摘要：在無人機制造方面，復(fù)合材料等先進(jìn)材料的應(yīng)用比例不斷加大。基于這種認(rèn)識，本文對無人機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料及其制造技術(shù)進(jìn)行了綜述，從而為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

關(guān)鍵詞：無人機結(jié)構(gòu)；復(fù)合材料；材料制造技術(shù)

作為擁有熱膨脹系數(shù)小、可設(shè)計性強、抗疲勞能力強、比剛度高等諸多優(yōu)勢的材料，復(fù)合材料在無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造中得到了較好的應(yīng)用。面對復(fù)合材料應(yīng)用日漸廣泛的發(fā)展趨勢，還要加強無人機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料及其制造技術(shù)的研究，以便更好的了解該種材料。

1 無人機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料綜述

1.1 偵察/監(jiān)視無人機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料

偵察/監(jiān)視無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計有較高的減震性、耐疲勞性、比強度、比剛度要求，而復(fù)合材料的使用能夠滿足這些要求。例如，美國的“大烏鴉”無人機機身采用Kevlar纖維增強復(fù)合材料制造，具有較強的抗沖擊性、強度和剛度，可供排級部隊用于戰(zhàn)地偵察。現(xiàn)階段，全球飛行時間最長、距離最遠(yuǎn)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(jìn)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，后機身等部分采用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料。美國“捕食者”結(jié)構(gòu)總量92%為碳纖維織物/Nomex蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)加筋壁板，內(nèi)部的碳纖維梁等結(jié)構(gòu)可以保證結(jié)構(gòu)剛度。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[1]。而ASN105B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。

1.2 無人戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料

無人戰(zhàn)斗機大量采用了碳纖維復(fù)合材料，以降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。美國的X47A“飛馬”無人攻擊機為高度翼身融合且無垂尾的UAV，除機體部分接頭采用鋁合金，其余結(jié)構(gòu)均采用先進(jìn)復(fù)合材料，被稱之為全復(fù)合材料飛機。英國的高科技隱形UAV“雷電之神”造價2.5億美元，曾經(jīng)承擔(dān)深入阿富汗進(jìn)行縱深打擊的任務(wù)。“雷電之神”機身除主梁與發(fā)動機機艙外，全部采用石墨、碳纖維等復(fù)合材料。由歐洲多國聯(lián)合開發(fā)的“神經(jīng)元”無人機以金屬為骨架，外部大量使用碳纖維/環(huán)氧樹脂等ACM，可探測性較低。

1.3 民用無人機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料

在民用無人機領(lǐng)域，我國小型無人機屬于世界領(lǐng)先地位。機體以碳纖維復(fù)合材料為主，能夠在復(fù)雜地形作業(yè)，用于農(nóng)田邊界測繪等。美國“赫利俄斯”太陽能全復(fù)合材料民用無人機采用了先進(jìn)輕質(zhì)高強復(fù)合材料，飛行時能夠使機翼小幅度變形，其主體結(jié)構(gòu)全部為碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，曾經(jīng)連續(xù)飛行長達(dá)17小時，創(chuàng)造了無人機飛行記錄。

2 無人機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料制造技術(shù)綜述

2.1 傳統(tǒng)制造技術(shù)

在無人機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料制造方面，傳統(tǒng)制造方法主要包含熱壓罐成型、模壓成型和真空袋成型等。采用熱壓罐成型制造技術(shù)，費用較為昂貴，但成型構(gòu)件質(zhì)量好。如美國“全球鷹”就是采用該種制造技術(shù)，利用Nomex芯材在121℃下進(jìn)行熱壓罐固化成型，以實現(xiàn)機翼制造。采用真空袋成型制造技術(shù)，可以減少投資，并且操作便利，但是成型質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不高，所以主要在民用無人機結(jié)構(gòu)制造上得到應(yīng)用。模壓成型制造對上述兩種技術(shù)進(jìn)行了兼顧，國內(nèi)中型無人機機翼和尾翼采用該種制造技術(shù)進(jìn)行玻璃鋼蒙皮泡沫夾芯結(jié)構(gòu)制造，可以保證翼形精度和外觀質(zhì)量。

2.2 整體化制造技術(shù)

復(fù)合材料之所以能夠在無人機結(jié)構(gòu)上得到應(yīng)用，主要是由于材料具有大面積整體成型優(yōu)勢。因此在材料制造技術(shù)上，整體化制造技術(shù)成為了材料發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。利用該技術(shù)，可以通過縮短制造周期和減少裝配費用降低成本，并通過減少零件、緊固件減輕結(jié)構(gòu)重量，此外也能通過形成光滑復(fù)雜曲面實現(xiàn)隱身功能。現(xiàn)階段，采用整體化制造技術(shù)，需要通過共固化、膠接等技術(shù)，同時配合采用纖維鋪設(shè)成型工藝技術(shù)。

2.3 低成本制造技術(shù)

從國外無人機結(jié)構(gòu)制造上來看，采用的復(fù)合材料大多占據(jù)機體結(jié)構(gòu)總重的80%以上。大量使用復(fù)合材料，就需要完成低成本、高效的復(fù)合材料制造技術(shù)的研發(fā)，以滿足項目經(jīng)濟(jì)性要求。從先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成本來看，材料費僅占20%左右，制造費卻占據(jù)70%左右，因此需要研發(fā)低成本制造技術(shù)。而低溫成型技術(shù)近年來作為低成本制造技術(shù)得到了廣泛使用，其能在6080℃范圍內(nèi)進(jìn)行低溫聚合樹脂的固化成型，成型產(chǎn)品性能與120180℃固化產(chǎn)品相當(dāng)，因此在波音無人機等無人機結(jié)構(gòu)制造中得到了運用，可以降低制造成本40%。

2.4 3D打印制造技術(shù)

不同于傳統(tǒng)機械加工制造技術(shù)，3D打印制造技術(shù)被稱之為增材制造技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，利用絲、塊、粉等形狀的塑料或金屬，通過粘合材料或熱源進(jìn)行逐層堆疊累積，從而完成物體構(gòu)造[2]。SULSA為世界第一架采用3D打印制造技術(shù)得到的無人駕駛飛機，參照最新無人機實現(xiàn)了基本配置，飛行時速能夠達(dá)到160km/h，而SULSA的機身、機翼等結(jié)構(gòu)完全采用ABS塑料打印制成。已經(jīng)成功試飛，成為了無人機制造進(jìn)入3D打印時代的標(biāo)志。此外，洛馬P175無人機也采用3D打印技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)制造，利用激光對碳納米管和基體粉末進(jìn)行燒結(jié)成型，以得到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型機體。

3 結(jié)論

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，在無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造中，復(fù)合材料已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，能夠滿足無人機制造的長航時、隱身功能等需求。而伴隨著復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展，無人機結(jié)構(gòu)制造成本和各種高性能要求將能得到滿足，繼而使復(fù)合材料在無人機結(jié)構(gòu)上得到更好的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁立群，單杭英，楊忠清，等.復(fù)合材料在無人機上的應(yīng)用與展望[J].玻璃纖維，2017（06）：3036.

[2]駱晨，劉明，張藝瑩，等.環(huán)境因素對長航時無人機機體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的影響[J].裝備環(huán)境工程，2017，14（11）：3336.

作者簡介：張恩奮（1989），男，漢族，廣東佛山人，機械結(jié)構(gòu)工程師，研究方向：飛行器及掛載的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化。