先進復合材料在無人機上的應用及關鍵技術

李海超

（西安愛生技術集團公司，陜西 西安 710065）

1 先進復合材料在無人機上的應用優勢

1.1 重量輕

不可否認，無論是在強度還是剛度等性能上，復合材料都比普通材料具有更大的優勢，且復合材料的可塑性相對較強，目前已經在航空領域得到了非常重要的應用，例如在我國的民用飛機B-787中，其復合材料含量已經高達50%。其中，復合材料的重量輕是其得到廣泛應用的重要優勢之一。重量會在很大程度上限制飛機的整體性能。無人機的設計中雖然沒有關于“人”的相關設備與裝置，然而其增加了通信與控制中心的重量。與此同時，目前無人機的偵察方式已經由戰術型向戰略型轉變，從而能夠有效替代有人機，實現對區域的實時監控。減小無人機重量是提升無人機使用壽命、續航時間的重要措施。相較于有人機，設計人員無需顧慮人類的生理需求，只需最大程度提升飛機的航行時間即可，與鋁合金相比，先進復合材料的強度竟高于其十倍，因此，高強度又輕巧的復合材料是滿足無人機性能設計的最佳選擇。

1.2 提升機體隱身能力

復合材料的應用能夠在很大程度上提升機體的隱身能力。首先，由于聚合物不具有導電性，因此，其能夠避免探測波散射場的形成；其次，復合材料的應用對于結構與功能有效結合來說起著非常重要的作用，例如通過對結構型隱身材料的應用，能夠大大降低機體對雷達探測波的反射；最后，復合材料的應用可以實現機體的整體性，從而通過光滑、一體化的結構設計達到隱身的目的，避免接縫、釘子等不光滑設計導致對探測波的散射。總而言之，這些設計有效提升了無人機的隱蔽性。

1.3 使用壽命長

相較于有人機，無人機的存儲時間應該更長，因此，這要求制造材料需要具有較強的防腐蝕性、剛度以及強度等。與一般材料相比，復合材料的性能則更加優異，例如環氧基體，這是在無人機中應用最為廣泛的材料之一，其具有非常強大的抗酸性、耐堿性以及抗溶性等，且強度與剛度等性能也遠高于普通金屬材料，例如碳纖維復合材料的密度僅為鋼的五分之一，但強度卻是其五倍，是鋁的四倍。大量使用復合材料能夠大大減少飛機的日常維護費用，降低金屬腐蝕概率，從而有效提升無人機的使用壽命。

1.4 減震性能好

當材料的比模量平方根越大，則飛機的自身頻率也越高。相較于普通金屬，復合材料的自振頻率相對較高。與此同時，由于其聚合物與纖維結構間具有強大的振動阻尼作用，在相同的作用力條件下，復合材料能夠在更短的時間內停止振動，這能夠在很大程度上確保機體的平穩性，達到良好的減震作用。尤其對于部分體積相對較大的無人機，復合材料的減震性能則更為顯著。因此，復合材料的應用對于無人機的減震來說起著非常重要的作用，其能夠有效減少震動，避免不必要的設備損壞，減小機體結構的受力與荷載，最大程度提升無人機的使用壽命。

2 先進復合材料在無人機上的應用技術

2.1 低成本復合材料技術

在無人機的技術研發中，由于其無需考慮“人”的作用，因此，其在技術應用方面的局限性更少，相關技術也更加先進。在最初，復合材料的生產難度較大，且成本較高，這在很大程度上阻礙了復合材料的進一步推廣應用。然而低成本復合材料技術的研發有效擴大了復合材料應用范圍，使其成為目前無人機上應用最為廣泛的材料。根據西科斯基公司的研發成果表明，通過知識工程、結構數字化設計等技術生產出來的復合材料，其成本更低，甚至只有原來的50%。另外，低成本的成型技術也是有效降低無人機造價的主要手段之一，例如美國Aurora公司的熱壓罐成型法，其就通過2.4米的直徑與7.8米的長度，制造出了“全球鷹”的大型結構。然而該種方法也不可避免存在一定的缺點，該項技術的成本較高、消耗較大，且還會在很大程度上受到成型設備形狀的影響，尤其對于部分體積較大的零部件，例如機翼等，因此，一些已經成型的熱壓罐則遠遠無法滿足其生產需求。目前，我國的復合材料生產主要有固化電子束成型、液態成型等方式，電子束成型法即通過電子束與纖維同時作業，一邊固化，一邊纏繞，從而達到成型的目的。近些年來，我國低成本復合材料的重點主要在于研發低造價的纖維與樹脂材料，例如低（80～90℃）、中（120℃）溫的樹脂材料的應用，如表1所示，其不僅能夠在很大程度降低材料成型時的耗能，且原材料、工具的價格也相對較低，從而有效提升零部件的設計精度，減小產品成型過程中的受力。

表1 部分低溫固化復合材料的應用

2.2 一體化制造技術

目前，國際上的無人機一般都使用翼身一體化結構，其中包括“全球鷹”、“神經元”等非常知名的機型。美國自上個世紀80年代后便開始專注于翼身結構的研究，當時其重點以有人機為研究對象。復合材料的應用有助于無人機的一體化設計，例如V-47A，如圖1所示，其機翼與機身都能夠長達8.5米，且整體形狀呈現為“菱形”，且整塊材料以中心線作為分割點分成四塊，整體光滑，這在很大程度上減弱了雷達的反射區域，并達到明顯的隱身、減重與降低成本的目的。目前，無人機的一體化設計一般通過固化、膠接等方式進行，例如在機翼盒段的制造中，其將翼梁和下蒙皮進行固化，而上蒙皮則利用泡沫夾層提升機翼的抗壓能力與穩定性，在生產過程中，相關的設計人員尤其應該重視各大零部件的受力問題。

2.3 隱身設計

無人機機身的雷達吸波材料主要有涂敷型與結構型兩大種類。結構型材料可以吸收雷達波的頻率范圍相對較廣，且其承載能力也相對較強，目前該種材料已經受到了設計人員的高度重視。反之，涂敷型材料吸收的雷達波頻率范圍相對較小，且重量較大，使用壽命較短，維護工作的費用與精力也相對較大。相較于普通金屬，復合材料能夠有效降低雷達波散射場的形成，進一步實現隱身的目的。除此之外，設計人員還可以在材料中添加納米材料，使其承載能力提升，且增強隱身效果。在無人機的夾層材料中，其總共有三層，包括透波層、吸收層以及反射層。吸收層主要是由混雜纖維、粒子等材料形成，或者是由波紋板的格柵結構組成，其在美國B-2戰斗機中就發揮了非常良好的隱身作用。另外，復合材料與RCS外形的結合能夠將無人機的隱身性能發揮到極致，其能夠有效減小隱身設計對機身造成的重量壓力，例如在軍事無人機中，其就通過飛翼型結構，利用復合材料的大面積成型，最大程度減小零部件的接縫區域，在重量不增加的前提條件下，最大程度實現隱身的目的。并且利用創新型的設計，有效提升了材料的利用效率。

2.4 先進連接技術

雖然復合材料能夠在一定程度上實現大面積成型，然而在實際的生產過程中，是不可能實現無人機的整體成型的，因此，為了運輸、生產方便，其往往通過零部件生產，再組裝，實現無人機的制造，所以，零部件之間的組裝與連接則不可避免。根據相關調查數據顯示，無人機60%～80%的結構損壞主要產生于銜接位置，尤其復合材料的應用，弱化了緊固件的作用。而在機體設計中，部分零部件之間的銜接位置需要承載很大的壓力，因此，加強對這些區域連接顯得尤為重要。目前，我國復合材料主要通過膠接、機械連接以及混合連接三類方式進行連接。在一般情況下，膠接的承載能力相對較弱，而機械連接則更強。當下，我國主要通過間隙連接的方式進行復合材料的組裝，然而該種方式效率不高，且連接處受力較為集中，應力分布也不均勻。在無人機應用時，極其容易由于撞擊而導致結構產生損壞，因此，其要求相關的設計人員需要采取更加先進的連接技術。從而提升復合材料的承載能力與機體的使用壽命。在上個世紀80年代后，國際上眾多公司都對連接技術進行了相關的研究，根據研究結果顯示，利用干涉連接，能夠有效改善連接區域的疲勞狀態，并實現對應力的合理分布，大大提升無人機的使用壽命。

圖1 V-47A“天馬”無人作戰飛機

3 結論

綜上所述，先進復合材料的應用對于無人機的改進來說起著非常重要的作用，因此，這要求航天公司加強對復合材料與相關技術的探究，提升其應用水平。另外，相關設計人員還應該加強技術突破，使得無人機能夠在更加嚴峻、苛刻的環境下，發揮良好的作用，全面提升無人機的整體性能。