聂俊
亿航智能设备（广州）有限公司
摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，本文介绍了先进树脂基复合材料的优点及在无人机领域的发展现状，包括复合材料在军用无人机、民用无人机的使用情况。分别分析了复合材料在无人机机身、机翼部件中结构与其功能之间的关系，以及该设计的必要性。介绍了不同复合材料无人机部件的制造工艺，展示出了复合材料在无人机领域应用的主要优势及必要性。
关键词：复合材料；无人机；结构；功能；制造工艺
引言
近年来，无人机以其体积孝任务灵活等独特优势占据了军用、民用无人机市常在军用方面，无人机已广泛应用于侦察监视、通信中继、空中预警、电子干扰、火炮校射、攻击格斗等诸多军事行动中。在高技术局部战争的推动下，未来战争的作战环境和作战模式都将发生突飞猛进的变化，无人机的生存能力和作战效能也需要进一步提高。在民用方面，无人机应用于公共安全、海洋、气象、公路巡检、农业和通信中继等。在上述无人机中，均大量使用各类性能优异的复合材料来提升无人机的核心性能。飞机发展的历史表明，"一代材料，一代飞机"，未来无人机的研制，应用复合材料无疑将是其发展趋势。虽然先进结构复合材料得到了广泛的应用，但是相关的结构设计方法、制造技术、维修维护技术却未能跟上材料发展的步伐。对于无人机这样的复杂结构系统，为进一步降低无人机结构重量系数，提升无人机结构性能，如何更好的提升结构设计、制造工艺和维修维护仍是一个值得研究的课题。
1复合材料的结构与功能及在无人机领域的应用
典型的无人机用复合材料主要的结构有层合板结构及夹芯结构。机身一般由蒙皮、加强筋、横向框所组成。其中，蒙皮一般为复合材料夹芯结构，加强筋为复合材料层合板结构。机翼多为层合板梁结构、层合板墙结构、全高度泡沫夹芯结构、层合板空腔结构等。蒙皮的复合材料夹芯结构一般由外面版、内面板、芯材组成。其中：（1）内、外面板由连续纤维增强热固性复合材料层合板组成，为整个车身提供力学性能。同时，通过对其进行合理的树脂体系选择赋予车身良好的物理性能（阻燃、耐紫外线、耐候性等）；通过对其进行纤维种类、铺层方式、层数的选择，赋予机身较好的强度、刚度、抗冲击等力学性能。常用的增强纤维有碳纤维、玻璃纤维或2种纤维的混杂等，常用的树脂体系有环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰胺树脂等。（2）夹芯结构的引入降低了机身的重量、提高了机身的刚度，同时也赋予机身降噪、隔热、隔音、阻尼等性能。对强度、刚度要求相对较低、形状规则、大曲面的部件通常使用蜂窝夹芯结构，如低速无人机前翼、垂尾等。而对形状复杂、小曲面的部件通常使用泡沫夹芯结构，如无人机升降舵、方向舵等。对强度要求高一些的部件可以使用轻木夹芯结构。对强度、刚度要求均比较高的部件可使用复合材料层合板结构做T型梁、L型梁，如无人机的机翼挡板、尾翼挡板、整流罩、机身龙骨等。为了增加机身、机翼的防撞性、刚度、抗扭转等力学性能，经常采用"厚蒙皮加筋"的设计理念。即在垂直于机身蒙皮或机翼的方向使用加强筋条，以提高结构的承载能力。因此，对机翼而言，对强度、刚度要求比较高时常采用层合板梁结构或层合板墙结构。同时，对机身而言，加强筋条也起到与机身各部件连接装配的作用。机身的内、外面板纤维大部分铺层都以对称方式进行堆叠，正反表面都为±45°方向的纤维，中间纤维方向以0°为主，这样的铺层设计可以更好地发挥纤维的物理性能，提高侧向刚度及强度，防侧撞表现会更优异。±45°纤维铺放在表层，提高了结构抗扭、冲击性能。其中，受制造工艺影响，纤维体积分数可在40%至60%之间。而加强筋或梁、墙结构纤维大部分以0°为主，这样的铺层设计可以更有效的提高结构的轴向强度、刚度。但在某些情况下，可以与±45°纤维以对称方式堆叠提高结构的抗扭、疲劳性能。
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2 复合材料结构与功能及在无人机领域的应用
2.1低成本复合材料技术
在无人机的技术研发中，由于其无需考虑"人"的作用，因此，其在技术应用方面的局限性更少，相关技术也更加先进。在最初，复合材料的生产难度较大，且成本较高，这在很大程度上阻碍了复合材料的进一步推广应用。然而低成本复合材料技术的研发有效扩大了复合材料应用范围，使其成为目前无人机上应用最为广泛的材料。根据西科斯基公司的研发成果表明，通过知识工程、结构数字化设计等技术生产出来的复合材料，其成本更低，甚至只有原来的50%。另外，低成本的成型技术也是有效降低无人机造价的主要手段之一，例如美国Aurora公司的热压罐成型法，其就通过2.4米的直径与7.8米的长度，制造出了"全球鹰"的大型结构。然而该种方法也不可避免存在一定的缺点，该项技术的成本较高、消耗较大，且还会在很大程度上受到成型设备形状的影响，尤其对于部分体积较大的零部件。
2.2低成本材料技术
复合材料的原材料主要是纤维、树脂等材料的预浸料。低成本材料技术包括预浸料低成本制造技术、大丝束纤维增强材料的选用、中/低温及快速固化增韧树脂体系的开发、ＲTM树脂体系以及混杂复合材料结构的应用等。在树脂材料方面，优化配方及预浸料制备技术，固化后的材料孔隙含量可得到有效控制，承力结构件的孔隙含量能低于2%。但传统预浸料一般由热压罐成型，由于热压罐设备自身成本较高，所以传统的预浸料技术是一种高成本技术。近年来，热压罐外固化预浸料(OOAprepreg)技术快速发展，OOA预浸料节省了热压罐设备费用，在烘箱内即可完成固化。例如，波音787选用日本东丽公司的3900-2/T800预浸料，选用24k碳纤维，显著降低了材料成本;美国Cytec公司的Cycom5320-1型OOA预浸料固化后性能与热压罐成型相当;国内中航复合材料有限责任公司开发了BA9913系列、LT-03系列等OOA预浸料，已在各种机型上得到广泛应用。尽管取得一系列成果，但是复合材料的高成本依旧是制约无人机企业发展的一个不可忽略因素。
2.3热压罐成型
采用热压罐成型工艺所制造的无人机复合材料构件的相对质量更轻、力学性能出色、内部质量较好且树脂的含量较为均匀。对于速度要求较高的无人机的复合材料构件和主要承重构件多采用热压罐成型工艺进行生产制造。但是热压罐成型技术也存在一定的不足，该工艺对于设备的要求较高，前期投入和加工过程成本都比较高，经济性相对比较差。对于预算有限的无人机生产制造，常常会选择低温低压成型技术代替该技术，但是综合来说热压罐成型工艺仍然是复合材料高性能成型工艺。热压罐成型工艺的辅助材料按照模具、隔离材料、挡块、毛坯、吸胶材料、盖板、透气毡、真空袋和密封胶带的顺序进行装袋。复合材料的热压罐成型过程中树脂的流动、热传递、化学交联和空隙形成等相互影响相互作用，增加了热压罐成型工艺控制的难度，容易出现贫胶、高孔隙率等加工缺陷。为了保证复合材料构件的质量，必须要对热压罐工艺的压力、温度曲线进行良好的控制。目前相关学者和业界技术人员也建立了可以模拟热压罐成型过程中动力学变化、树脂流动以及热传递等现象的模型来对实际生产进行指导。
结语
本文探究了复合材料在无人机领域的应用情况及无人机部件结构与功能的关系。通过论述复合材料部件的生产工艺，对其发展应用进行了思考。复合材料能为无人机降低重量、减少燃油成本，提高飞机的续航能力，同时赋予无人机部件足够的机械性能，产品质量更优。但同时也对相关技术提出了更高的需求，如制造工艺低成本化、制造技术高精度化，结构与功能高匹配化。这需要国家加大这方面的投入，提高自身的科技创新水平，相关企业与个人也要提升科学文化素养。我认为，在不久的将来，复合材料将逐步取代传统材料，在各行各业特别是无人机领域的应用会越来越广。
参考文献
[1]石庆华,曹正华.无人机的聚合物基复合材料设计与关键技术.航空制造技术,2010(24):40-43.
[2]潘荣华,宋国栋,杨学永.无人机复合材料结构和制造工艺[J].南京航空航天大学学报,2009,Vol.41.
论文作者:聂俊
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
标签：无人机论文; 复合材料论文; 结构论文; 技术论文; 纤维论文; 机身论文; 刚度论文; 《中国西部科技》2019年第21期论文;