摘要：无人机作为一种新式航空器具有自身的特点，与军用或民用有人飞机相比，无论是使用要求还是任务使命都有所不同。无人机通常具有低成本、轻结构、高隐身、长航时、高存储寿命等要求，对于无人作战飞机来说还有高机动和大过载的要求。为适应无人机的发展，机体结构采用先进复合材料是必然的选择。基于此，本文主要对先进复合材料在无人机上的应用进行分析探讨。
关键词：先进复合材料；无人机；应用
1、复合材料在无人机上的应用概况
AAI公司研制的“影子”多用途无人机机体结构95％为复合材料：碳纤维增强环氧树脂复合材料机身，碳或芳纶纤维增强环氧树脂复合材料尾翼，机翼则采用碳纤维增强环氧树脂复合材料面板一蜂窝夹层结构制造。BAI航空系统公司的“敢死蜂”无人机机翼、可动控制面及垂尾均用聚苯乙烯和玻璃纤维制成的硬壳式复合材料制成，方向舵和机身采用泡沫夹层结构，发动机冷却罩及舱门口盖均用热塑真空成型，玻璃钢螺旋桨整流罩采用模压成型。
波音公司研制的X-45无人战斗机生产型机体结构90％以上采用复合材料，其机身由低温固化预浸料制造，机翼为泡沫夹层结构，采用独特的FMC（FoamMatrixCore）技术，首先成型泡沫芯，再在成型好的泡沫上缠绕纤维，最后将二者一起固化。采用该技术不仅可以大幅降低X-45的制造成本，而且方便拆卸、存放和安装。NASA和比例复合材料公司研发的“猛禽”验证机是美国弹道导弹防御系统计划的一部分，目的是监视并摧毁敌方处于发射阶段的弹道导弹，该机为全复合材料结构，大大提高了续航时间和隐身能力。X-47是诺斯罗谱·格鲁门飞机公司研制的试验型海军无人作战飞机，该机采用隐身设计，为全复合材料结构，同样由比例复合材料公司制造。比例复合材料公司制造的全复合材料飞机还包括“普洛透斯”一一种既可以有人驾驶也可以无人飞行的高空长航时飞行器。
同样是诺·格公司研制的著名的“全球鹰”无人侦察机，翼展达到35．4m，超过波音747飞机，除机身主结构为铝合金外，其余均为复合材料制成，包括机翼、尾翼、后机身、雷达罩、发动机整流罩等，复合材料用量约为结构总重的65％。通用原子航空系统公司的“捕食者”无人机在反恐战争中大显神威，该机除机身大梁外，也全部由复合材料制造。德国的空中无人系统探索项目“梭鱼”无人技术验证机在Augsburg使用EADS的真空辅助制造专利技术，仅用一个月就制造出了全碳纤维复合材料机身，全碳纤维复合材料的机翼则在西班牙Getafe制造，该机仅有的金属部件是翼梁、主起落架支架和安装架。
奥罗拉飞行科学公司研制的“提修斯”高空长航时大气研究无人机主要用于大气对流研究、遥感及飓风探测等，该机采用全复合材料结构，上单翼翼展达42．06m，运输时可将外翼段和尾翼拆除。意大利都灵工业大学研制的HeliPlat高空长航时太阳能无人机机翼管状梁架结构采用M55J碳纤维增强环氧树脂复合材料面板／Nomex蜂窝夹层结构制造，能承受大部分的弯曲、扭转和剪切载荷，翼盒蒙皮则采用M55J碳纤维，环氧预浸带制造。据统计，目前世界上各种先进的无人机复合材料用量一般占机体结构重量的60％一80％，已出现多型全复合材料无人机。
2、先进复合材料在军用无人机上应用的关键技术
目前，ACM在军用UAV上的使用仍然处于起步阶段，在结构设计、制造生产、检测维护等过程中还存在许多亟待解决的问题，尤其是军用UAV在瞬间多变的战场上将要执行各种复杂的战略、战术特种任务，从而对ACM的应用提出了更加严苛的技术要求。具体而言，需要突破以下几个方面的关键技术：
（1）低成本制造技术
UAV相对于有人机的一大技术优势就是制造成本低，因此从UAV的结构设计和制造生产出发，大力发展低成本材料技术、低成本设计技术以及尤为重要的低成本制造技术，将会显著地扩大ACM在UAV上的应用范围。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆目前，国内外UAV研制厂家已经普遍地将关注点由ACM的性能转入到低成本制造技术，由此也开发出自动带料铺层、自动纤维缠绕、树脂传递模塑（RTM）、预浸料技术、电子束固化等低成本制造技术。美国波音公司研制的X-45A无人战斗机中，机身采用了低温固化预浸料，而机翼采用了泡沫树脂夹芯（FoamMatrixCore，FMC）技术，大大降低了机翼的生产制造成本，较常规方法可降低一半。
（2）结构设计一体化集成技术
在UAV的设计中要综合考虑外形构造、机械强度、气动特性、安全性能等多方面之间的交叉耦合关系，从而在UAV的设计、制造、测试、使用和维护等诸多方面需要开展多个层次上的一体化集成结构设计，以便保证UAV不仅具有良好的空气动力学性能，而且还具有稳定的电磁兼容性和较高的雷达隐身特性。ACM在军用UAV上的使用，一方面为结构设计一体化的实现提供了更加广阔的操作空间，这是因为基于数字化和自动化技术，可以对ACM进行气动弹性剪裁设计和大面积整体化成型；另一方面，结构ACM和功能ACM可以进一步复合成结构／阻尼、结构／隐身、结构／防热等结构／功能一体化ACM，并且还可在ACM的内部嵌人智能材料，提高UAV的自诊断、自适应和自修复的能力。
（3）损伤容限失效评估技术
相比于有人机，UAV尽管不需要考虑人的生理承受能力，可以设计较低的安全系数（1～1．5），并且还可以设计较大的过载荷系数（15—209），但是对于以ACM为主体结构的UAV，尤其是大面积整体化ACM的使用，往往容易发生由微观损伤演变成宏观失效，并且由于成型工艺的不稳定性，加大了ACM的质量控制难度，因此建立ACM的损伤容限失效评估模式，确定ACM的疲劳寿命和UAV的使用寿命，积累相关的性能数据和使用经验，以及制订新的计算准则和设计规范，将对UAV的结构设计、生产制造、试飞验证等诸多方面具有积极的指导作用。
3、先进复合材料的运用前景
（1）无人机结构的复合材料化趋势
鉴于各国对复合材料在无人机应用上的重视，复合材料的采用量已达到35％左右，甚至出现了全复合材料制造的无人机。在军事上无人机的小巧实用使得其量化程度大，所耗费的复合材料也会相对增多，无人机结构开始走向复合材料化趋势。
（2）设计鉴定规范化与设计制造一体化
设计鉴定与设计制造的标准化、文件化、规范化，能够有效降低风险，降低成本。国外在复合材料应用过程中将试验和分析结合起来，编制了全行业的技术标准，以便于最终产品一致性的改进。
（3）制造技术的自动化
采用自动铺放技术，实现部分机体构件的机械化和自动化，进而有利于提高生产效率，降低废物率，起到很好的降低制造成本的作用。
（4）降低制造成本
大力发展复合材料本身就是在追求低成本制造，但由于目前相关制造技术依然不够完善，在其运用和制造中依旧存在着浪费的现象，可采用RTM（树脂转移模塑成型技术）技术尽量将浪费降低到最小。
4、结语
被称为“空中机器人”的无人机，可代替有人机完成繁重和危险的任务，必将在未来战场上发挥不可替代的重要作用，复合材料作为无人机上使用的主要结构材料，面临的机遇与挑战并存。只有充分发挥复合材料的比较优势，始终注重基础技术积累与新的关键技术突破，才能不断满足未来新型无人机复杂使用环境的严苛要求，进而促进飞行器性能的不断提升。
参考文献：
[1]宋超，李勇，还大军．先进复合材料在无人机上的应用[c]／／航空航天科技创新与长三角经济转型发展论坛论文集，2012．
[2]陈绍杰．浅谈复合材料与整体成型技术[J]．高科技纤维与应用，2005（1）：6—9，20．
论文作者:徐国祥
论文发表刊物:《基层建设》2018年第8期
论文发表时间:2018/5/28
标签：复合材料论文; 无人机论文; 结构论文; 技术论文; 机翼论文; 碳纤维论文; 机身论文; 《基层建设》2018年第8期论文;