縱觀國外無人機(jī)（包括中、高空無人偵察機(jī)、無人作戰(zhàn)飛機(jī)等），無一例外地大量使用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，有些甚至是全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，因此以復(fù)合材料為核心的無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)/ 制造技術(shù)是影響無人機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。
一、國內(nèi)外無人機(jī)發(fā)展?fàn)顩r 無人機(jī)的發(fā)展有著較長的歷史，世界上第一架無人機(jī)是英國于1917年研制成功的。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前世界上30 余個(gè)國家和地區(qū)已研制出了50 多種無人機(jī)，無人機(jī)型號超過300 余種，有55 個(gè)國家裝備了無人機(jī)，但發(fā)展最快、水平最高的主要是美國、以色列和俄羅斯。
美軍擁有的近20 種型號約250架無人機(jī)。機(jī)型主要包括陸軍的“獵犬（Hunter）”、“指針（Pointer）”和“影子200（Shadow200）”無人機(jī)，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的“龍眼（Dragon Eye）”和“先鋒（Pioneer）”無人機(jī)，空軍的“全球鷹（Global Hawk）”和“捕食者（Predator）”無人偵察機(jī)以及X-45、X-47 新型無人攻擊機(jī)。另外，還包括其他幾種小型的無人機(jī)系統(tǒng)，用于支援特種作戰(zhàn)需求。
我國研制無人機(jī)已有40 多年的歷史，先后研制成功長空一號無人靶機(jī)系列、長虹高空高速無人偵察機(jī)、T-6 通用型無人機(jī)、Z-5 系列無人偵察機(jī)、BZK-002 型無人偵察機(jī)、ASN系列無人機(jī)等。新近又開發(fā)了“翔龍”、“翼龍”無人偵察機(jī)、WZ-2000無人偵察機(jī)和“暗箭”等型號無人機(jī)。
研究的機(jī)構(gòu)主要是大學(xué)、研究所和一些企業(yè)，包括北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所、成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)、貴航集團(tuán)和株洲無人機(jī)公司。近年來，隨著國家的重視, 國內(nèi)掀起了研制無人機(jī)的高潮。
二、復(fù)合材料在無人機(jī)上的應(yīng)用
1、復(fù)合材料在無人機(jī)上應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)與有人飛機(jī)相比，無人飛機(jī)（UAV）在機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中既不需要考慮機(jī)動(dòng)飛行過程中人的生理承受能力限制，也不需要因?yàn)樘貏e強(qiáng)調(diào)人的生存性而對隱身及抗彈傷能力的結(jié)構(gòu)和材料作特殊考慮。不過由于無人機(jī)機(jī)載設(shè)備技術(shù)先進(jìn)，要求高，因此也要求無人機(jī)有相當(dāng)好的機(jī)體結(jié)構(gòu)性能，這使無人飛機(jī)在結(jié)構(gòu)選材上具有一些有別于有人飛機(jī)的新特點(diǎn)。無人機(jī)遂行任務(wù)的特殊性，也使其成為采用新型結(jié)構(gòu)材料的極好的平臺。
和傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、抗疲勞能力和抗振能力強(qiáng)的特點(diǎn)，將它應(yīng)用于無人機(jī)結(jié)構(gòu)中可以減重25％ ~30％。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上各種先進(jìn)無人機(jī)的復(fù)合材料用量一般占機(jī)體結(jié)構(gòu)總重的60％ ~80％，復(fù)合材料的總用量可達(dá)90％以上。在無人機(jī)上大量采用復(fù)合材料的益處是多方面的。
首先，復(fù)合材料本身具有可設(shè)計(jì)性，在不改變結(jié)構(gòu)重量的情況下，可根據(jù)飛機(jī)的強(qiáng)度剛度要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；在設(shè)計(jì)制造技術(shù)上滿足了大多數(shù)無人機(jī)在高度翼身融合結(jié)構(gòu)所需的大面積整體成形這一特點(diǎn)。其次，聚合物基復(fù)合材料具有特殊的電磁性能，改性后有希望滿足無人機(jī)結(jié)構(gòu)/ 功能一體的高隱身技術(shù)要求。復(fù)合材料的耐腐蝕性能，可滿足無人機(jī)惡劣環(huán)境下長儲存壽命的特殊要求，降低使用維護(hù)的壽命周期成本。
再次，復(fù)合材料易植入芯片或合金導(dǎo)體形成智能材料、結(jié)構(gòu)。
目前，復(fù)合材料在無人機(jī)領(lǐng)域已成為主要結(jié)構(gòu)材料，如碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、蜂窩夾層復(fù)合材料等。通常，無人機(jī)除機(jī)身的龍骨、梁和隔框、起落架等結(jié)構(gòu)件采用鋁合金外，機(jī)翼、尾翼及各種天線罩、護(hù)板、蒙皮等結(jié)構(gòu)件均大量使用復(fù)合材料。另外，在中小型無人機(jī)上，木質(zhì)材料、輕型塑料、塑料薄膜等非金屬材料也得到大量使用。復(fù)合材料的應(yīng)用對無人飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、小型化和高性能化已經(jīng)起到了至關(guān)重要的作用。
2、復(fù)合材料在高空長航時(shí)無人機(jī)上應(yīng)用
“全球鷹”作為世界上最為著名的高空長航時(shí)無人偵察機(jī)，是由美國諾斯羅譜· 格魯門公司為美空軍研制的，由沃特（Vought）飛機(jī)工業(yè)公司生產(chǎn)。其采用大展弦比下單翼，細(xì)長機(jī)身，V 形尾翼，前三點(diǎn)起落架布局，機(jī)翼1/4 弦長處后掠5°54′，V 形尾翼（上反角50°）。復(fù)合材料機(jī)翼長達(dá)35m，復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的65％。沃特（Vought）飛機(jī)工業(yè)公司生產(chǎn)改進(jìn)型“全球鷹”RQ-4B 飛機(jī)機(jī)翼時(shí)，使用了商用復(fù)合材料和環(huán)氧材料。新機(jī)翼更增至39.9m，重約1814kg。“全球鷹”的活動(dòng)半徑為5500km，航程26000km，續(xù)航時(shí)間達(dá)到42h，實(shí)用升限19.8km，整機(jī)起飛重量11640kg，燃油重量6727kg，超過總重量的一半，具有從美國本土起飛對全球任何地點(diǎn)進(jìn)行戰(zhàn)略偵察和戰(zhàn)術(shù)偵察的能力，是目前世界上最先進(jìn)的高空長航時(shí)無人偵察機(jī)，它代表了目前高空長航時(shí)無人機(jī)發(fā)展的水平和趨勢。
中國“翔龍”無人機(jī)2006 年珠海航展上首次亮相。由成都飛機(jī)工業(yè)公司制造，初期采用金屬機(jī)翼，翼展25m，機(jī)身長度14.3m，巡航速度750km/h，最大任務(wù)載荷650kg，最大續(xù)航時(shí)間9.3h。
可以看出：“全球鷹”無人機(jī)的航程是“翔龍”的3 倍，翼展較“翔龍”多10m，任務(wù)載荷多250kg。比較國內(nèi)、外高空長航時(shí)無人機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)：影響我國無人機(jī)性能的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)制造并使用大展弦比復(fù)合材料柔性機(jī)翼。根據(jù)使用環(huán)境（通常高空）和性能要求（通常續(xù)航時(shí)間大于24h 和一定的任務(wù)載荷），高空長航時(shí)無人機(jī)需要攜帶盡量多的燃油（可以提高航程）和使用大展弦比柔性機(jī)翼（可以提高升力）。利用樹脂基復(fù)合材料密度小、比強(qiáng)度、比剛度大和可剪裁的優(yōu)點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出大展弦比柔性機(jī)翼；利用復(fù)合材料整體化設(shè)計(jì)/ 制造技術(shù)，可以在機(jī)翼上設(shè)置整體油箱，提高無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間和航程。由此可見，無人機(jī)大展弦比復(fù)合材料柔性機(jī)翼整體化設(shè)計(jì)/制造技術(shù)是提高我國高空長航時(shí)無人機(jī)各種性能，特別是高空、長航時(shí)性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。
3、復(fù)合材料在攻擊無人機(jī)上應(yīng)用
美國已經(jīng)開始以X-45A、X-47A的概念驗(yàn)證基礎(chǔ)上發(fā)展空／海軍通用的無人戰(zhàn)斗機(jī)。為了盡可能地降低結(jié)構(gòu)重量，無人戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是大量應(yīng)用復(fù)合材料，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過有人戰(zhàn)斗機(jī)的應(yīng)用水平。
波音公司X-45A 翼展10.3m，弦長8m，空重3640kg，搭載有效載荷的能力為680kg。復(fù)合材料占X-45A結(jié)構(gòu)重量的45％。其機(jī)身由高速切削的鋁合金龍骨、梁及隔框覆以復(fù)合材料蒙皮構(gòu)成。將美國先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)開發(fā)的LTM45EL 長壽命機(jī)織碳／環(huán)氧低溫固化預(yù)浸帶采用鋪層方式制造蒙皮、進(jìn)氣道及艙門，工裝由Janicki 工業(yè)公司提供。低溫固化預(yù)浸料的固化應(yīng)用了該公司的兩個(gè)船形模具。該機(jī)身上部蒙皮約9m×3.7m，被鋪成一個(gè)整體件，而下部蒙皮則被加工成兩個(gè)4.5m×3.7m的部分。噴管部分的上、下蒙皮將分別采用Cytec 公司的BMI-5250.4 碳纖維／雙馬樹脂制造。它的固化溫度范圍處于177℃ ~204℃，使用溫度在59℃ ~204℃之間。依據(jù)美國國防部合同，波音獲準(zhǔn)放棄X-45B 的開發(fā)，將該項(xiàng)目的有效載荷、航程及目標(biāo)并入目前正在開發(fā)的J-UCAS 計(jì)劃中的X-45C，X-45C 弦長11m，翼展14.6m，飛行重量達(dá)l5900kg。
高空長航時(shí)無人機(jī)平臺是我國急待發(fā)展的重大軍事裝備項(xiàng)目。與金屬材料相比，樹脂基復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)重量輕、復(fù)雜或大型結(jié)構(gòu)易于成型、設(shè)計(jì)空間大、比強(qiáng)度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)小等諸多優(yōu)點(diǎn)。將復(fù)合材料直接應(yīng)用于無人機(jī)結(jié)構(gòu)上對減輕空機(jī)身重量、增加有效載荷、提高安全性和隱身性具有重要的作用。
縱觀國外無人機(jī)（包括中、高空無人偵察機(jī)、無人作戰(zhàn)飛機(jī)等），無一例外地大量使用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，有些甚至是全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，因此以復(fù)合材料為核心的無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)/ 制造技術(shù)是影響無人機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。
三、無人機(jī)用復(fù)合材料設(shè)計(jì)/ 制造關(guān)鍵技術(shù)
1、無人機(jī)用復(fù)合材料設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制定無人機(jī)不需要考慮人的生理承受能力，為充分發(fā)揮復(fù)合材料的性能優(yōu)勢，可以設(shè)計(jì)比有人機(jī)更低的安全系數(shù)，為了達(dá)到更高的靈活機(jī)動(dòng)性能，無人機(jī)可以設(shè)計(jì)較大的過載荷系數(shù)，達(dá)到15~20g ；同樣因?yàn)椴恍枰紤]人員因素，無人機(jī)可以有更大的設(shè)計(jì)空間，采用更為先進(jìn)的氣動(dòng)構(gòu)型，因此要研究制訂一些新的設(shè)計(jì)規(guī)范和計(jì)算準(zhǔn)則, 以指導(dǎo)無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、計(jì)算、試驗(yàn)和驗(yàn)收鑒定等。
2、復(fù)合材料機(jī)翼氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)
以高空長航時(shí)無人機(jī)為背景，國內(nèi)已經(jīng)開展了大展弦比柔性復(fù)合材料機(jī)翼的相關(guān)研究，但這些研究對柔性復(fù)合材料機(jī)翼還缺乏足夠的認(rèn)識，沒能有效揭開結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、氣動(dòng)、控制之間強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，更談不上有效利用大展弦比復(fù)合材料機(jī)翼的柔性來提高飛機(jī)的性能。
高空、超高空長航時(shí)無人偵察機(jī)工作在20~30km 的高度上，空氣稀薄，空氣密度小于海平面空氣密度的8.4%，因此研究這種低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性和升力之間的關(guān)系，是提高機(jī)翼升力的途徑之一。
大展弦比復(fù)合材料柔性機(jī)翼，在飛行載荷作用下，當(dāng)有一個(gè)外部激勵(lì)時(shí)，必將產(chǎn)生一個(gè)非線性的結(jié)構(gòu)變形，同時(shí)結(jié)構(gòu)的非線性變形又對氣動(dòng)產(chǎn)生影響，形成結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)力的耦合作用，這種耦合影響容易導(dǎo)致高空長航時(shí)無人機(jī)氣動(dòng)發(fā)散，無法收斂導(dǎo)致機(jī)翼失效。因此，采用大展弦比機(jī)翼的高空無人機(jī)必須解決這種柔性機(jī)翼的飛行控制問題。
大展弦比復(fù)合材料柔性機(jī)翼為輕結(jié)構(gòu)，要滿足結(jié)構(gòu)具有最小重量和具最大的效率要求，往往要依靠綜合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。由于大展弦比復(fù)合材料柔性機(jī)翼設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，這種綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)需要在多個(gè)層次上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如拓?fù)湫螤顑?yōu)化、尺寸優(yōu)化，而且，這種優(yōu)化是考慮復(fù)雜的氣動(dòng)彈性問題的有多種目標(biāo)、多種約束性質(zhì)、多種多級設(shè)計(jì)變量的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。
3、大型復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)整體化制造變形
復(fù)合材料制造的一個(gè)突出的問題是不能類似于金屬構(gòu)件那樣得到精確的幾何或構(gòu)型尺寸，特別是對于大型整體化復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，往往可能因?yàn)橐粋€(gè)較小的局部結(jié)構(gòu)制造變形，最終會造成大型整體化復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的變形，不能用于部件的裝配。典型的大型復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)有高空長航時(shí)無人機(jī)大展弦比柔性復(fù)合材料機(jī)翼、無人攻擊機(jī)翼身融合體大型復(fù)合材料整體構(gòu)件等。在研究這些結(jié)構(gòu)制造過程中，關(guān)注溫度分布不均、壓力分布不均勻、結(jié)構(gòu)非對稱等因素對變形的影響并確定影響變形的關(guān)鍵因素、提出變形控制方法和提供對變形進(jìn)行補(bǔ)償?shù)母鞣N措施，以便合理而有效地解決大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造變形問題。
4、隱身復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)/ 制造技術(shù)
隱身是現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)要求的一項(xiàng)高尖端技術(shù)，無人機(jī)由于經(jīng)常出現(xiàn)在敵方的防空和雷達(dá)監(jiān)測的空域中，對隱身提出了更高的要求?，F(xiàn)代隱身技術(shù)主要有材料隱身、涂層隱身、等離子體隱身、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)隱身等手段。無人機(jī)結(jié)構(gòu)多為復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)隱身的基礎(chǔ)上，作者認(rèn)為可以優(yōu)先開展復(fù)合材料泡沫或蜂窩夾層結(jié)構(gòu)隱身設(shè)計(jì)和制造技術(shù)研究，在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造層次上解決無人機(jī)復(fù)合材料隱身技術(shù)。
5、RTM 和RFI成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能評估技術(shù)
低成本、高效費(fèi)比是無人機(jī)的顯著特點(diǎn)。采用整體化成形技術(shù)對于減少復(fù)合材料部件結(jié)構(gòu)數(shù)量、降低使用和維護(hù)費(fèi)用、節(jié)約成本、提高效率具有重要的作用。近年來，工程上，已經(jīng)能夠用RTM 和RFI 成型工藝方法制造復(fù)合材料構(gòu)件，但是國內(nèi)尚沒有將這種成型工藝方法制造復(fù)合材料構(gòu)件批量應(yīng)用到具體型號上。究其原因，作者認(rèn)為是對RTM 和RFI成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件（如編織復(fù)合材料構(gòu)件）設(shè)計(jì)、力學(xué)性能、構(gòu)型和力學(xué)性能之間的關(guān)系尚未認(rèn)識清楚。國內(nèi)盡管部分對RTM 和RFI 成型復(fù)合材料構(gòu)件力學(xué)性能進(jìn)行了研究，但這種研究是不系統(tǒng)和不完整的。因此進(jìn)一步深入研究評估RTM 和RFI成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能是實(shí)現(xiàn)低成本、高效費(fèi)比無人機(jī)結(jié)構(gòu)平臺的設(shè)計(jì)/ 制造的有力保證。
另外，還有低成本制造技術(shù)（低成本材料、自動(dòng)化制造、結(jié)構(gòu)連接技術(shù)等）、快速復(fù)合材料無損檢測技術(shù)、智能材料設(shè)計(jì)/ 制造技術(shù)等。
先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在國外無人機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用，為復(fù)合材料的發(fā)展迎來了嶄新的發(fā)展機(jī)遇。國內(nèi)先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在無人機(jī)上的應(yīng)用才剛剛開始，積極地開展復(fù)合材料在無人機(jī)上各種關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用，必將推動(dòng)無人機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)邁上一個(gè)新臺階。
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