無人機(jī)復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)

劉利江　張立健　劉本勝　李磊

【摘 要】針對(duì)復(fù)合材料在無人機(jī)上的應(yīng)用，進(jìn)行了簡要介紹，并結(jié)合無人機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)詳細(xì)說明無人機(jī)設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵技術(shù)。通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)和資料，了解復(fù)合材料在無人機(jī)上應(yīng)用的研究現(xiàn)狀，敘述了復(fù)合材料在無人機(jī)上的應(yīng)用前景，并對(duì)復(fù)合材料在設(shè)計(jì)制造加工中遇到的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行說明。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī)；復(fù)合材料；設(shè)計(jì)；制造

中圖分類號(hào)： V229.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）08-0047-002

【Abstract】This paper briefly introduces the application of composite materials on drones，and describes the key technologies of drone design and manufacture in combination with the structural features of drones.By reviewing the relevant literature and data，the research status of the application of composite materials in drones is described，the application prospects of composite materials on drones are described， and the technical difficulties encountered in the design， manufacture and processing of composite materials are described.

【Key words】UAV；Composites；Design Manufacturing

0 導(dǎo)言

眾所周知，現(xiàn)階段無人機(jī)在許多國家中的多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，尤其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。作為無人飛行員駕駛的飛機(jī)，可以通過地面指揮中心實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的控制，完成復(fù)雜危險(xiǎn)的軍事任務(wù)，無人機(jī)發(fā)揮了十分重要的作用。在無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，如何提高無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性能、續(xù)航能力以及無人機(jī)的使用周期是較為關(guān)鍵的技術(shù)問題。傳統(tǒng)的無人機(jī)制造材料體積較大、重量大、使用周期短，導(dǎo)致無人機(jī)的使用性能差，續(xù)航能力不夠，無法滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需求。隨著復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，研究人員嘗試將復(fù)合材料應(yīng)用到無人機(jī)的設(shè)計(jì)制造過程中，并取得了良好的應(yīng)用效果。

復(fù)合材料具有密度小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗疲勞能力強(qiáng)、硬度高等優(yōu)點(diǎn)，且復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)，無人機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)可以通過復(fù)合材料所獨(dú)具的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，此外，復(fù)合材料的表面可以十分容易的涂抹隱身材料，在制造隱形無人機(jī)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。此外，由于復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，還可以在復(fù)合材料中植入相應(yīng)的傳感器用于檢測(cè)無人機(jī)的形變、溫度等數(shù)據(jù)，更好的監(jiān)測(cè)無人機(jī)的狀態(tài)。由于復(fù)合材料具有上述優(yōu)點(diǎn)，因此，本文針對(duì)復(fù)合材料在無人機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 無人機(jī)研究現(xiàn)狀

無人機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)不用考慮人的因素，通常無人機(jī)的設(shè)計(jì)只需考慮空氣動(dòng)力學(xué)的影響，因此無人機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)飛機(jī)機(jī)身的溫度和強(qiáng)度要求較低，只需滿足飛機(jī)正常飛行時(shí)的要求即可。由于復(fù)合材料的質(zhì)量較輕，無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)機(jī)身承受的負(fù)載較小，飛行所需的動(dòng)力較小，機(jī)身可以根據(jù)需求安裝更大的油箱，儲(chǔ)存更多的燃油，因此，使用先進(jìn)復(fù)合材料制造的無人機(jī)的續(xù)航能力較強(qiáng)。無人機(jī)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛，英國是最早開展無人機(jī)研究的國家，目前世界上有超過50個(gè)國家在研究并使用無人機(jī)，其中無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用最成熟的是美國，美國擁有二十多種無人機(jī)型號(hào)，最著名是代號(hào)為全球鷹（Global Hawk）的無人機(jī)。除此之外，美軍還擁有多種小型無人機(jī)，用于支援特殊部隊(duì)的作戰(zhàn)。

我國研究無人機(jī)的時(shí)間較短，僅僅四十多年，但我國無人機(jī)的技術(shù)卻并不落后，長虹高空高速無人機(jī)的研制成功，代表我國無人機(jī)事業(yè)的巨大進(jìn)步。近幾年，我國又成功研發(fā)了“翼龍”、“翔龍”等無人機(jī)，又進(jìn)一步提高了我國在無人機(jī)領(lǐng)域的地位。除了在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，在民用方面，國內(nèi)大疆科技的無人機(jī)技術(shù)最為成熟，除了用于航拍的多旋翼無人機(jī)外，用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)田管理、農(nóng)藥噴灑的無人機(jī)也廣泛應(yīng)用在生態(tài)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

2 復(fù)合材料在無人機(jī)上的應(yīng)用

為了滿足軍事上的需求，無人機(jī)的材料由傳統(tǒng)的金屬材料逐步向復(fù)合材料發(fā)展，無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，通常周圍的環(huán)境比較惡劣，此外還要防止敵方對(duì)無人機(jī)的攻擊，無人機(jī)需要有一定的自我保護(hù)能力。為了滿足無人機(jī)執(zhí)行軍事任務(wù)的需要，復(fù)合材料在無人機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在無人機(jī)機(jī)身上使用的復(fù)合材料占機(jī)身總質(zhì)量的百分之五十以上，最高可達(dá)百分之九十。圖1為“全球鷹”無人機(jī)上由復(fù)合材料制造的天線外罩。

復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)行較強(qiáng)，設(shè)計(jì)人員可按照無人機(jī)的設(shè)計(jì)意圖優(yōu)化無人機(jī)的結(jié)構(gòu)，在飛機(jī)機(jī)翼上可根據(jù)復(fù)合材料良好的性能實(shí)現(xiàn)一次成型。其次，由于復(fù)合材料特殊的電磁性能，無人機(jī)在與地面指揮中心通訊的過程中也大大提高了無人機(jī)的抗干擾能力，復(fù)合材料的特殊性能使無人機(jī)可長期工作在復(fù)雜惡劣的環(huán)境中。復(fù)合材料內(nèi)部可植入智能芯片或傳感器，無人機(jī)各個(gè)部位的狀態(tài)信息可通過芯片被監(jiān)測(cè)到，保證地面指揮中心可以實(shí)時(shí)了解無人機(jī)的狀態(tài)。地面指揮中心根據(jù)無人機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)無人機(jī)發(fā)送指揮命令，使無人機(jī)按照地面指揮中心的命令執(zhí)行任務(wù)。無人機(jī)的控制系統(tǒng)要由控制系統(tǒng)中的任務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)組成，任務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)又分別由其各自子系統(tǒng)構(gòu)成，經(jīng)過若干級(jí)的劃分，最終由無人機(jī)系統(tǒng)中底層的執(zhí)行單元負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)指令執(zhí)行的任務(wù)。無人機(jī)最重要的功能就是根據(jù)人的需要執(zhí)行任務(wù)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果把數(shù)據(jù)處理后的執(zhí)行命令下發(fā)到無人機(jī)的各個(gè)執(zhí)行件中，保證無人機(jī)的各個(gè)執(zhí)行件按照技術(shù)人員的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果實(shí)時(shí)控制無人機(jī)按照設(shè)定的模式運(yùn)行，保證無人機(jī)的運(yùn)行不受外界環(huán)境的干擾。

3 復(fù)合材料設(shè)計(jì)/制造關(guān)鍵技術(shù)

由于無人機(jī)不需要飛行員的駕駛，因此，以復(fù)合材料制造的無人機(jī)不需要考慮飛行員的安全，可適當(dāng)降低無人機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)使用材料的安全系數(shù)，只需根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，使無人機(jī)按照相應(yīng)的軍事任務(wù)，在復(fù)雜惡劣的環(huán)境中維持自身系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性即可。同時(shí)不考慮人員設(shè)計(jì)的情況下，可適當(dāng)根據(jù)使用需求擴(kuò)大無人機(jī)內(nèi)部的使用空間，更換更大的油箱，提高無人機(jī)的續(xù)航能力。

無人機(jī)最關(guān)鍵的部位時(shí)機(jī)翼部位，為了保持無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性，無人機(jī)的機(jī)翼一般設(shè)計(jì)較長，機(jī)翼與機(jī)身的連接位置在無人機(jī)飛行時(shí)受力復(fù)雜，當(dāng)無人機(jī)受到外界環(huán)境中的較大載荷時(shí)，極易因受到?jīng)_擊而發(fā)生斷裂，因此，對(duì)無人機(jī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)是眾多科研人員研究的重點(diǎn)內(nèi)容。此處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需結(jié)合復(fù)合材料本身的特性，并結(jié)合無人機(jī)在飛行時(shí)的受力情況，從多個(gè)方面對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如拓?fù)湫螤顑?yōu)化、尺寸優(yōu)化，且此優(yōu)化設(shè)計(jì)是結(jié)合了材料、空氣動(dòng)力學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)實(shí)現(xiàn)的。

無人機(jī)的機(jī)身一體結(jié)構(gòu)可以提高無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性能，但由于無人的體積較大，機(jī)身部位曲面形狀較復(fù)雜，任何一個(gè)部位小的缺陷可能導(dǎo)致無人機(jī)整體性能受到影響。因此，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)的一體化，并且保證整體結(jié)構(gòu)的完整性，在無人機(jī)制造時(shí)需要針對(duì)不同的材料進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)的整合，得出材料隨結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律，并提出控制復(fù)合材料變形的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)整體結(jié)構(gòu)精度的控制。針對(duì)不同無人機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用CAD/CAM技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，進(jìn)一步在實(shí)際測(cè)試過程中對(duì)無人機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，保證無人機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中按照預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)運(yùn)行。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對(duì)無人機(jī)的隱身性能提出越來越高的要求，將隱身材料和先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)合起來，制造性能優(yōu)越、隱身性能好的無人機(jī)是未來無人機(jī)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)方向。首先將隱身材料和復(fù)合材料結(jié)合制造無人機(jī)的主體結(jié)構(gòu)，再針對(duì)容易被捕捉到的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)隱身性能的提升。復(fù)合材料的特殊性能提高了無人機(jī)與地面控制中心通訊的抗干擾能力，保證了地面實(shí)時(shí)對(duì)無人機(jī)的控制不受電子干擾系統(tǒng)的干擾，大大提高了無人機(jī)的作戰(zhàn)性能。

4 結(jié)束語

復(fù)合材料在無人機(jī)中的應(yīng)用不僅降低了無人機(jī)的成本，也提高了無人機(jī)的性能，對(duì)于復(fù)合材料在無人機(jī)領(lǐng)域的研究不僅促進(jìn)了材料領(lǐng)域的發(fā)展，也帶動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)的進(jìn)步，研究無人機(jī)技術(shù)和復(fù)合材料技術(shù)對(duì)國家在將來占領(lǐng)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)具有十分重要的意義。復(fù)合材料在無人機(jī)領(lǐng)域的使用價(jià)值、研究價(jià)值和應(yīng)用前景也促使各個(gè)國家在無人機(jī)領(lǐng)域進(jìn)行不斷的投入，保證各自在復(fù)合材料領(lǐng)域和無人機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)性。本文結(jié)合復(fù)合材料在無人機(jī)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的描述，對(duì)無人機(jī)技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用做了詳細(xì)的剖析，相信隨著各科技術(shù)的發(fā)展，未來復(fù)合材料在無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

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