李海超

（西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司，陜西 西安 710065）

1 先進(jìn)復(fù)合材料在無人機(jī)上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 重量輕

不可否認(rèn)，無論是在強(qiáng)度還是剛度等性能上，復(fù)合材料都比普通材料具有更大的優(yōu)勢(shì)，且復(fù)合材料的可塑性相對(duì)較強(qiáng)，目前已經(jīng)在航空領(lǐng)域得到了非常重要的應(yīng)用，例如在我國(guó)的民用飛機(jī)B-787中，其復(fù)合材料含量已經(jīng)高達(dá)50%。其中，復(fù)合材料的重量輕是其得到廣泛應(yīng)用的重要優(yōu)勢(shì)之一。重量會(huì)在很大程度上限制飛機(jī)的整體性能。無人機(jī)的設(shè)計(jì)中雖然沒有關(guān)于“人”的相關(guān)設(shè)備與裝置，然而其增加了通信與控制中心的重量。與此同時(shí)，目前無人機(jī)的偵察方式已經(jīng)由戰(zhàn)術(shù)型向戰(zhàn)略型轉(zhuǎn)變，從而能夠有效替代有人機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控。減小無人機(jī)重量是提升無人機(jī)使用壽命、續(xù)航時(shí)間的重要措施。相較于有人機(jī)，設(shè)計(jì)人員無需顧慮人類的生理需求，只需最大程度提升飛機(jī)的航行時(shí)間即可，與鋁合金相比，先進(jìn)復(fù)合材料的強(qiáng)度竟高于其十倍，因此，高強(qiáng)度又輕巧的復(fù)合材料是滿足無人機(jī)性能設(shè)計(jì)的最佳選擇。

1.2 提升機(jī)體隱身能力

復(fù)合材料的應(yīng)用能夠在很大程度上提升機(jī)體的隱身能力。首先，由于聚合物不具有導(dǎo)電性，因此，其能夠避免探測(cè)波散射場(chǎng)的形成；其次，復(fù)合材料的應(yīng)用對(duì)于結(jié)構(gòu)與功能有效結(jié)合來說起著非常重要的作用，例如通過對(duì)結(jié)構(gòu)型隱身材料的應(yīng)用，能夠大大降低機(jī)體對(duì)雷達(dá)探測(cè)波的反射；最后，復(fù)合材料的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)機(jī)體的整體性，從而通過光滑、一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到隱身的目的，避免接縫、釘子等不光滑設(shè)計(jì)導(dǎo)致對(duì)探測(cè)波的散射?？偠灾?，這些設(shè)計(jì)有效提升了無人機(jī)的隱蔽性。

1.3 使用壽命長(zhǎng)

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

1.4 減震性能好

當(dāng)材料的比模量平方根越大，則飛機(jī)的自身頻率也越高。相較于普通金屬，復(fù)合材料的自振頻率相對(duì)較高。與此同時(shí)，由于其聚合物與纖維結(jié)構(gòu)間具有強(qiáng)大的振動(dòng)阻尼作用，在相同的作用力條件下，復(fù)合材料能夠在更短的時(shí)間內(nèi)停止振動(dòng)，這能夠在很大程度上確保機(jī)體的平穩(wěn)性，達(dá)到良好的減震作用。尤其對(duì)于部分體積相對(duì)較大的無人機(jī)，復(fù)合材料的減震性能則更為顯著。因此，復(fù)合材料的應(yīng)用對(duì)于無人機(jī)的減震來說起著非常重要的作用，其能夠有效減少震動(dòng)，避免不必要的設(shè)備損壞，減小機(jī)體結(jié)構(gòu)的受力與荷載，最大程度提升無人機(jī)的使用壽命。

2 先進(jìn)復(fù)合材料在無人機(jī)上的應(yīng)用技術(shù)

2.1 低成本復(fù)合材料技術(shù)

在無人機(jī)的技術(shù)研發(fā)中，由于其無需考慮“人”的作用，因此，其在技術(shù)應(yīng)用方面的局限性更少，相關(guān)技術(shù)也更加先進(jìn)。在最初，復(fù)合材料的生產(chǎn)難度較大，且成本較高，這在很大程度上阻礙了復(fù)合材料的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。然而低成本復(fù)合材料技術(shù)的研發(fā)有效擴(kuò)大了復(fù)合材料應(yīng)用范圍，使其成為目前無人機(jī)上應(yīng)用最為廣泛的材料。根據(jù)西科斯基公司的研發(fā)成果表明，通過知識(shí)工程、結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)等技術(shù)生產(chǎn)出來的復(fù)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(shù)也是有效降低無人機(jī)造價(jià)的主要手段之一，例如美國(guó)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(zhǎng)度，制造出了“全球鷹”的大型結(jié)構(gòu)。然而該種方法也不可避免存在一定的缺點(diǎn)，該項(xiàng)技術(shù)的成本較高、消耗較大，且還會(huì)在很大程度上受到成型設(shè)備形狀的影響，尤其對(duì)于部分體積較大的零部件，例如機(jī)翼等，因此，一些已經(jīng)成型的熱壓罐則遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足其生產(chǎn)需求。目前，我國(guó)的復(fù)合材料生產(chǎn)主要有固化電子束成型、液態(tài)成型等方式，電子束成型法即通過電子束與纖維同時(shí)作業(yè)，一邊固化，一邊纏繞，從而達(dá)到成型的目的。近些年來，我國(guó)低成本復(fù)合材料的重點(diǎn)主要在于研發(fā)低造價(jià)的纖維與樹脂材料，例如低（80～90℃）、中（120℃）溫的樹脂材料的應(yīng)用，如表1所示，其不僅能夠在很大程度降低材料成型時(shí)的耗能，且原材料、工具的價(jià)格也相對(duì)較低，從而有效提升零部件的設(shè)計(jì)精度，減小產(chǎn)品成型過程中的受力。

表1 部分低溫固化復(fù)合材料的應(yīng)用

2.2 一體化制造技術(shù)

目前，國(guó)際上的無人機(jī)一般都使用翼身一體化結(jié)構(gòu)，其中包括“全球鷹”、“神經(jīng)元”等非常知名的機(jī)型。美國(guó)自上個(gè)世紀(jì)80年代后便開始專注于翼身結(jié)構(gòu)的研究，當(dāng)時(shí)其重點(diǎn)以有人機(jī)為研究對(duì)象。復(fù)合材料的應(yīng)用有助于無人機(jī)的一體化設(shè)計(jì)，例如V-47A，如圖1所示，其機(jī)翼與機(jī)身都能夠長(zhǎng)達(dá)8.5米，且整體形狀呈現(xiàn)為“菱形”，且整塊材料以中心線作為分割點(diǎn)分成四塊，整體光滑，這在很大程度上減弱了雷達(dá)的反射區(qū)域，并達(dá)到明顯的隱身、減重與降低成本的目的。目前，無人機(jī)的一體化設(shè)計(jì)一般通過固化、膠接等方式進(jìn)行，例如在機(jī)翼盒段的制造中，其將翼梁和下蒙皮進(jìn)行固化，而上蒙皮則利用泡沫夾層提升機(jī)翼的抗壓能力與穩(wěn)定性，在生產(chǎn)過程中，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員尤其應(yīng)該重視各大零部件的受力問題。

2.3 隱身設(shè)計(jì)

無人機(jī)機(jī)身的雷達(dá)吸波材料主要有涂敷型與結(jié)構(gòu)型兩大種類。結(jié)構(gòu)型材料可以吸收雷達(dá)波的頻率范圍相對(duì)較廣，且其承載能力也相對(duì)較強(qiáng)，目前該種材料已經(jīng)受到了設(shè)計(jì)人員的高度重視。反之，涂敷型材料吸收的雷達(dá)波頻率范圍相對(duì)較小，且重量較大，使用壽命較短，維護(hù)工作的費(fèi)用與精力也相對(duì)較大。相較于普通金屬，復(fù)合材料能夠有效降低雷達(dá)波散射場(chǎng)的形成，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)隱身的目的。除此之外，設(shè)計(jì)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(qiáng)隱身效果。在無人機(jī)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(jié)構(gòu)組成，其在美國(guó)B-2戰(zhàn)斗機(jī)中就發(fā)揮了非常良好的隱身作用。另外，復(fù)合材料與RCS外形的結(jié)合能夠?qū)o人機(jī)的隱身性能發(fā)揮到極致，其能夠有效減小隱身設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)身造成的重量壓力，例如在軍事無人機(jī)中，其就通過飛翼型結(jié)構(gòu)，利用復(fù)合材料的大面積成型，最大程度減小零部件的接縫區(qū)域，在重量不增加的前提條件下，最大程度實(shí)現(xiàn)隱身的目的。并且利用創(chuàng)新型的設(shè)計(jì)，有效提升了材料的利用效率。

2.4 先進(jìn)連接技術(shù)

雖然復(fù)合材料能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)大面積成型，然而在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，是不可能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的整體成型的，因此，為了運(yùn)輸、生產(chǎn)方便，其往往通過零部件生產(chǎn)，再組裝，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的制造，所以，零部件之間的組裝與連接則不可避免。根據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，無人機(jī)60%～80%的結(jié)構(gòu)損壞主要產(chǎn)生于銜接位置，尤其復(fù)合材料的應(yīng)用，弱化了緊固件的作用。而在機(jī)體設(shè)計(jì)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(qiáng)對(duì)這些區(qū)域連接顯得尤為重要。目前，我國(guó)復(fù)合材料主要通過膠接、機(jī)械連接以及混合連接三類方式進(jìn)行連接。在一般情況下，膠接的承載能力相對(duì)較弱，而機(jī)械連接則更強(qiáng)。當(dāng)下，我國(guó)主要通過間隙連接的方式進(jìn)行復(fù)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(yīng)力分布也不均勻。在無人機(jī)應(yīng)用時(shí)，極其容易由于撞擊而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損壞，因此，其要求相關(guān)的設(shè)計(jì)人員需要采取更加先進(jìn)的連接技術(shù)。從而提升復(fù)合材料的承載能力與機(jī)體的使用壽命。在上個(gè)世紀(jì)80年代后，國(guó)際上眾多公司都對(duì)連接技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究，根據(jù)研究結(jié)果顯示，利用干涉連接，能夠有效改善連接區(qū)域的疲勞狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力的合理分布，大大提升無人機(jī)的使用壽命。

圖1 V-47A“天馬”無人作戰(zhàn)飛機(jī)

3 結(jié)論

綜上所述，先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用對(duì)于無人機(jī)的改進(jìn)來說起著非常重要的作用，因此，這要求航天公司加強(qiáng)對(duì)復(fù)合材料與相關(guān)技術(shù)的探究，提升其應(yīng)用水平。另外，相關(guān)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該加強(qiáng)技術(shù)突破，使得無人機(jī)能夠在更加嚴(yán)峻、苛刻的環(huán)境下，發(fā)揮良好的作用，全面提升無人機(jī)的整體性能。