倪楠楠, 卞 凱, 夏 璐, 顧偉凱, 溫月芳

（1．江蘇三強復合材料有限公司，江蘇 常州 213127；2．浙江大學，杭州 310013）

無人機（unmanned aerial vehicle，UAV）是利用無線電遙控設(shè)備和程序控制裝置操縱的不載人飛機，與有人飛機相比，對無人機通常有低成本、輕結(jié)構(gòu)、高隱身、長航時、高存儲壽命等要求，對于無人戰(zhàn)機來說還有高機動和大過載的要求[1]。近年來，軍用無人機和民用無人機都進入了井噴式發(fā)展的歷史時期，軍用無人機具有零傷亡、隱蔽性能好、續(xù)航時間長、生存能力強、作戰(zhàn)環(huán)境要求低、起降簡單、操作靈活、不怕單調(diào)、超越極限等優(yōu)點，廣泛應用于偵察監(jiān)視、通信中繼、空中預警、電子干擾、火炮校射、攻擊格斗等諸多軍事行動中。為適應不同戰(zhàn)場需求，各類軍用無人機層出不窮，如偵察與監(jiān)視無人機、反潛無人機、無人作戰(zhàn)飛機、偵察/打擊一體化無人機等[2]。美國國防部的觀點認為，無人機主要在三個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，如“枯燥任務(wù)領(lǐng)域、惡劣環(huán)境任務(wù)領(lǐng)域和危險任務(wù)領(lǐng)域（the dull，the dirty，and the dangerous）”[3]。民用無人機在航拍、海洋、氣象、勘探、通信、農(nóng)業(yè)、邊境巡邏、緝毒緝私、治安反恐等領(lǐng)域都有良好的應用前景。

減重是飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計永恒的主題。無人機對減重有特殊的需求，只有將結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)控制在30%以下才能騰出質(zhì)量空間讓給燃油、有效載荷、補償隱身帶來的增重[4]。復合材料具有比強度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、抗疲勞能力和阻尼性強以及結(jié)構(gòu)與材料的可設(shè)計性強、易于整體成型等特點；因此，在無人機上大量使用復合材料是必然選擇，復合材料應用于無人機結(jié)構(gòu)可以減重 20%～30%[5]。目前，無論是各種大中型無人機還是微型無人機，復合材料用量一般占機體結(jié)構(gòu)總重的60%～80%，應用比例明顯超過有人飛機，甚至出現(xiàn)很多全復合材料無人機（復合材料用量達到 90%以上），比如美國通用原子公司制造的中空飛行續(xù)航時間長的多用途無人機“捕食者”（2002），主要用于偵察、監(jiān)視、目標指定、電子戰(zhàn)和實彈攻擊。除機身主梁外，“捕食者”無人機結(jié)構(gòu)幾乎全部采用復合材料，包括碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維復合材料以及蜂窩、泡沫、輕木等夾層結(jié)構(gòu)，用量約為結(jié)構(gòu)總重的 92%[6]。此外，以色列AAI公司研制的“影子”多用途無人機機體結(jié)構(gòu)95%為復合材料：碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料機身，碳纖維或芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料尾翼，機翼則采用碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料面板-蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造[7]。

國內(nèi)先進樹脂基復合材料在大型無人機上的應用才剛剛開始，與國外先進技術(shù)相比還存在不小差距，本文對先進復合材料在國內(nèi)外無人機上應用情況和關(guān)鍵技術(shù)，包括低成本制造、整體化設(shè)計制造、結(jié)構(gòu)功能一體化成型、3D增材制造、低成本工裝、快速修補等技術(shù)進行總結(jié)，為促進我國無人機行業(yè)的快速發(fā)展提供借鑒。

1 無人機的國內(nèi)外發(fā)展歷程

無人機的發(fā)展有著較長的歷史，世界上第一架無人機是英國于 1917年研制成功的。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前世界上30余個國家和地區(qū)已研制出了上百種無人機，無人機型號超過1000多種，有60多個國家裝備了無人機，但發(fā)展最快、水平最高的是美國和以色列[8]。

1.1 美國無人機發(fā)展情況

美國無人機發(fā)展處于世界領(lǐng)先水平，其無人機技術(shù)先進，種類多，既有戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)各層次的無人偵察機，也有能夠?qū)崿F(xiàn)察打一體的攻擊型無人機和用于運輸?shù)臒o人機。主要型號包括諾斯羅普·格魯門公司的RQ-4B全球鷹、MQ-4C 海神、MQ-8C火力偵察兵、X47B；洛克西德馬丁公司的RQ-170 哨兵、RQ-3 暗星、P175 臭鼬、MFX-2 “柔性蒙皮”變形無人機、鸕鶿水下無人機；通用原子公司MQ-9A死神、MQ-1B捕食者、MQ-1C灰鷹、CQ-10B雪雁；波音公司的A160T蜂鳥、RQ-21黑杰克、X45C鬼鰩、垂直起降的蜻蜓無人機、液氫燃料無人機PhantomEye鬼眼等。此外，根據(jù)美國《無人系統(tǒng)路線圖（2013-2038）》的數(shù)據(jù)，美軍還裝備了 RQ-11“烏鴉”、RQ-14A/B“龍眼/雨燕”、RQ-15“海王星”、RQ-20A“美洲豹”、RQ-16“雷鷹”、“黑色大黃蜂”、黑寡婦、微星、指針等多種型號的小、微型無人機。

此外，美國海軍計劃在2018～2019年間完成MQ-25型艦載隱身無人機“黃貂魚”在航母上的部署，如圖1所示，屆時，MQ-25艦載無人機將主要擔負空中加油機的任務(wù)。作為一款全新研制的隱身無人機，波音MQ-25的許多設(shè)計細節(jié)從很大程度上能說明美國在戰(zhàn)機隱身技術(shù)上的新技術(shù)和新成果。MQ-25型無人機可以看作是X-47B型無人機的改良放大版，在美軍進行的測試中，X-47B已成功驗證了自主著艦、空中加油等項目，在技術(shù)上已相當成熟[9]。

圖 1 MQ-25型艦載隱身無人機“黃貂魚”Fig. 1 MQ-25 type ship-borne stealth UAV “Stingray”

1.2 以色列無人機發(fā)展情況

以色列作為世界主要軍事技術(shù)強國，也是世界無人機研發(fā)和制造的佼佼者，在世界無人機市場上具有舉足輕重的地位。IAI公司的“蒼鷺”、“偵察兵 Scout”、“獵手 Hunter”、“搜索者Searcher”、“黑豹Panther”、“哈洛普”；埃爾比特系統(tǒng)公司的“赫爾墨斯Hermes900”、“云雀Skylark”、“麻雀 Sparrow”、“藍色地平線BlueHorizon2”；馬扎拉特公司的“先鋒Pioneer”、“ 馴犬MastiffMk3”；航空防御公司的“斗牛士Picador”、“盤旋者Oribiter”等多個型號都是國際航展上的亮眼產(chǎn)品，裝備以色列國防軍后又在中東復雜戰(zhàn)場環(huán)境下積累了豐富的作戰(zhàn)經(jīng)驗，形成了技術(shù)研發(fā)與實戰(zhàn)檢驗相互促進的良好局面。

1.3 我國無人機發(fā)展情況

我國研制無人機已有50多年的歷史，經(jīng)歷了“進口-仿制-自主研發(fā)”三個階段，先后研制成功長空一號無人靶機系列、長虹高空高速無人偵察機、BZK-002型無人偵察機、ASN系列無人機、翔鳥、WZ-3、WD100、V750無人直升機等。近年來，尤其是隨著“翔龍”、BZK-005“長鷹”、WZ2000等偵察無人機，“彩虹”、“翼龍”、“云影”、“利劍”、“撲天雕TB”、“WJ600”等系列察打一體的固定翼無人機，WZ-6、T333、“戰(zhàn)狼”AV500W、“金雕”CR500、“沒羽箭”HA等察打一體無人直升機研制成功，標志著中國自主研發(fā)設(shè)計軍用無人機的水平已經(jīng)邁入了國際先進水平，如圖2所示。

目前，中國無人機的研究機構(gòu)主要是大學、研究所和一些企業(yè)，包括北京航空航天大學、南京航空航天大學、西北工業(yè)大學、成都飛機設(shè)計研究所、成都飛機工業(yè)集團、貴航集團、洪都集團、沈陽飛機設(shè)計研究所、哈飛集團、航天科工三院無人機技術(shù)研究所、航天科技八院、航天科技九院、航天科技十一院彩虹公司、總參60所、602所、株洲無人機公司、北航天宇長鷹公司、愛生技術(shù)集團公司、中航智公司、四川騰盾公司等。近年來，隨著國家的重視，國內(nèi)掀起了研制無人機的高潮，但客觀來講，中國和美國、以色列在無人機的譜系和應用上還存在一定的差距。

圖 2 我國無人機的最新型號圖片 （a）翔龍；（b）翼龍II；（c）翼龍I-D；（d）BZK-05；（e）云影；（f）彩虹5；（g）AV500戰(zhàn)狼；（h） T333；（i）HAFig. 2 The latest model of UAV in China （a）Soar Dragon；（b）Wing Loong II；（c）Wing Loong I-D；（d）BZK-05；（e）Yunying；（f）Rainbow 5；（g） AV500 War Wolf；（h） T333；（i）HA

2 復合材料在無人機上應用

與有人飛機相比，復合材料在無人機上應用優(yōu)點在于機體結(jié)構(gòu)設(shè)計中不需要考慮機動飛行過程中人的生理承受能力和安全性的限制。一方面無人機材料的選擇多樣性更大，對強度要求相對較低。這使材料選擇可以更多地著眼于“輕質(zhì)”的要求，采用更多密度更低的材料，如泡沫塑料、航空層板等。另一方面，外形、尺寸和性能上更加多樣，如微型無人機和高超聲速無人機就屬于無人機特有的類型。此外，由于無人機風險較小，對可靠性要求低于有人機，故無人機在設(shè)計、材料等領(lǐng)域成為新技術(shù)的驗證平臺，復合材料的應用比例明顯高于有人飛機。

復合材料在固定翼無人機機體上的應用發(fā)展經(jīng)歷了從整流罩，到承載小的部件，例如飛機翼面的前緣、后緣壁板，到翼面的操縱面或操縱面的后緣等次承力結(jié)構(gòu)，到主承力結(jié)構(gòu)，進而到翼面盒段、翼身融合等整體一體化成型的發(fā)展歷程[10]。在垂直起降的直升機上最初應用在旋翼等動部件和機身蒙皮、后蓋等部位，近年來在機身主框架和槳轂、起落架等主承力部件上的應用越來越多[11]。

2.1 中高空長航時無人機復合材料應用

中高空長航時無人機典型代表是諾斯羅普·格魯門公司為美國空軍研制，Vought飛機工業(yè)公司生產(chǎn)的 RQ-4“全球鷹”，這也是全世界最先進的無人機之一。機身主結(jié)構(gòu)為鋁合金，機翼、尾翼、發(fā)動機短艙、后機身采用碳纖維復合材料制造，雷達罩、整流罩采用玻璃纖維復合材料制造，復合材料的用量約為結(jié)構(gòu)總重的65%，如圖3（a）所示。其中為滿足長達35.4 m的翼展彎曲剛度的要求，諾格公司采用4個“工”形梁式承扭盒加蒙皮的結(jié)構(gòu)，蒙皮由單向帶預浸料制造，翼展方向鋪層占50%，其余鋪層占50%，用于提供扭轉(zhuǎn)剛度；“工”形梁采用Cytec公司提供的M46J/7714A環(huán)氧預浸料制造。翼內(nèi)則為整體油箱，前后緣均為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，采用Hexcel公司提供的Nomex蜂窩芯制造。所有機翼復合材料在鋁模具上鋪疊，121 ℃熱壓罐固化成型，生產(chǎn)過程中分別采用FiberSIM軟件、格勃自動下料機、激光投影技術(shù)進行鋪層模式的設(shè)計、預浸料的裁剪和輔助鋪層定位。梁和蒙皮分別固化后采用Hysol室溫膠黏劑進行二次膠接，減少了緊固件用量并防止?jié)B透，整個機翼分成3段，一個15 m長橫跨機身的翼盒，兩個10 m長的外翼和翼尖組合件，彼此之間采用機械連接，表面固化有防雷擊的銅網(wǎng)[12]。

圖 3 RQ-4“全球鷹” （a）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）復合材料機翼；（c）翼尖[12-13]Fig. 3 RQ-4“Global Hawk ” （a）structural schematic diagram；（b）composite wing；（c） wing tip

圖 4 “捕食者”MQ-1 （a）材料分布示意圖；（b）復合材料V尾[14-15]Fig. 4 MQ-1 Predator （a）Sketch map of material distribution；（b）composite V tail[14-15]

改進型“全球鷹”RQ-4B機翼增至39.9 m，重約1814 kg，是Vought達拉斯工廠交付的最長機翼，如圖3（b）所示。其結(jié)構(gòu)形式與RQ-4基本相同，但組合方式不同，并在一些區(qū)域增加了鋪層以提高結(jié)構(gòu)強度和剛度。整個機翼分為4段，兩個大的翼盒在機身中心對接，兩端各一個翼尖組合件，兩個復合材料結(jié)構(gòu)在機身中線對接可以提高氣動效率[13]。

需要特別說明的是，翼尖部分的制造采用了 Radius Engineering 公司開發(fā)的 SQRTM（same qualified resin transfer molding）技術(shù)。它是一種閉模成型方法，結(jié)合預浸料工藝和液態(tài)成型技術(shù)，可以生產(chǎn)真正的凈成型且高度組合的航天航空零部件?？傊?，SQRTM不使用熱壓罐，但可以生產(chǎn)出具有熱壓罐質(zhì)量的部件，屬于低成本的制造技術(shù)。新設(shè)計的翼尖包含3個主要部分：一個承扭盒，一個內(nèi)翼肋（用于連接翼尖和主翼）和一個翼尖帽型件。每個承扭盒均包含 6 根層合復合材料桁條，機翼前后緣和外翼肋組成一個整體結(jié)構(gòu)。相比較每個承扭盒由兩根蜂窩夾層結(jié)構(gòu)桁條和多根翼肋組成的原始的設(shè)計，利用SQRTM 技術(shù)僅用3個模具就能完成左、右翼尖所有零部件的制備。SQRTM技術(shù)做到了簡化制件結(jié)構(gòu)，集成零部件和不使用熱壓罐，因此，幫助制造商大大降低了制備成本。而且用這種技術(shù)制造的復合材料纖維體積分數(shù)可達58%，孔隙率小于 0.5%，所以通過 SQRTM 技術(shù)制造的翼尖能滿足或超過諾斯羅普·格魯門公司對“全球鷹”機翼性能的要求，其質(zhì)量還比原來降低了5%，這意味著“全球鷹”將能夠攜帶更多的有效載荷。

圖4（a）是美國通用原子公司制造的中空長航時無人偵察機“捕食者”MQ-1 無人機的材料分布圖。全機除機身大梁采用金屬外，幾乎全部采用復合材料，包括碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維復合材料以及蜂窩、泡沫等夾層結(jié)構(gòu)，用量約為結(jié)構(gòu)總重的92%[14]。其中，機身大量采用了碳纖維織物/Nomex蜂窩夾層加筋壁板結(jié)構(gòu)，內(nèi)部關(guān)鍵位置有碳纖維梁和肋以保證足夠的剛度。雷達罩采用玻璃纖維復合材料制造。成型工藝上，主要機體部分采用碳纖維/環(huán)氧預浸料手工鋪疊/熱壓罐工藝制造，主梁以及尾翼梁、起落架支柱采用碳纖維織物閉模成型，并使用氣囊輔助壓實[15]。

改進型MQ-9B是“捕食者”的加大型，又名“狩獵者”、“死神”，一方面增大了飛 機尺寸，另一方面全復合材料垂尾由倒V形改為V形，改善了飛行高度、速度、任務(wù)載荷和航程等性能，如圖4（b）所示。主要機體仍然采用碳纖維單向帶預浸料及織物預浸料與Nomex 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造。為了進一步提高性能并達到減重的效果，MQ-9B機翼盒型梁頂端上采用了一種新型的混雜纖維預浸料，即SPECIALITY MATERIALS 公司生產(chǎn)的Hy-Bor?硼纖維/碳纖維/環(huán)氧預浸料。由于B纖維的模量達到400 GPa，且壓縮強度是拉伸強度的將近2倍，達到6900 MPa，將B纖維與碳纖維按一定比例進行剪裁設(shè)計比單一的增強材料具有更高的彎曲和壓縮性能，并且可以提高開孔強度，在考慮壓縮應力的設(shè)計中還可以通過減少碳纖維的數(shù)量達到減重的效果。標準的Hy-Bor?預浸料是采用三菱麗陽的MR-40石墨纖維和直徑為0.1 mm的硼纖維以及121～149 ℃固化的NCT301環(huán)氧樹脂制成的。此外，Hy-Bor? 預浸料還可以與其他任何商業(yè)化的石墨預浸料結(jié)合使用[16]。

我國無人機研制中采用復合材料的比例和技術(shù)水平較國外存在一定差距，國內(nèi)在航天航空領(lǐng)域采用碳纖維復合材料處于起步階段，而國外已經(jīng)成熟應用。

AAI 公司研制的“影子”多用途無人機機體結(jié)構(gòu)95%為復合材料：碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料機身，碳纖維或芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料尾翼，機翼則采用碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料面板-蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造。BAI 航空系統(tǒng)公司的“敢死蜂”無人機機翼、可動控制面及垂尾均用聚苯乙烯和玻璃纖維制成的硬殼式復合材料制成，方向舵和機身采用泡沫夾層結(jié)構(gòu)，發(fā)動機冷卻罩及艙門口蓋均用熱塑真空成型，玻璃鋼螺旋槳整流罩采用模壓成型[17]。

波音公司研制的 X-45 無人戰(zhàn)斗機生產(chǎn)型機體結(jié)構(gòu) 90%以上采用復合材料，其機身由低溫固化預浸料制造，機翼為泡沫夾層結(jié)構(gòu)，采用獨特的FMC（foam matrix core）技術(shù)，首先成型泡沫芯，再在成型好的泡沫上纏繞纖維，最后將二者一起固化。采用該技術(shù)不僅可以大幅降低 X-45 的制造成本，而且方便拆卸、存放和安裝[18]。

國內(nèi)無人機除機身的龍骨、梁和隔框、起落架等結(jié)構(gòu)件采用鋁合金或鈦合金外，機翼、尾翼及各種天線罩、護板、蒙皮等結(jié)構(gòu)件也開始大量使用復合材料。西安愛生技術(shù)集團于20世紀90年代研制的ASN-105B無人偵察機，機體幾乎全部使用玻璃鋼材料，是我國第一款大量使用復合材料的大型無人機。哈飛與北航聯(lián)合設(shè)計的遠程無人偵察機BZK-05機身受力骨架采用常規(guī)鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)，蒙皮及整流罩采用玻璃纖維、碳纖維、Nomex紙蜂窩等復材結(jié)構(gòu)，機翼也由全復合材料構(gòu)成?！跋椠垺盪AV 是我國新一代高空長航時無人偵察機，全機長15 m，翼展25 m，結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了罕見的菱形聯(lián)翼布局，使得該機具有結(jié)構(gòu)結(jié)實、抗墜毀能力強、抗顫振能力好、飛行阻力小、航程遠等優(yōu)點?！跋椠垺贝罅坎捎昧讼冗M復合材料，機身上曲線連續(xù)而光滑，機身尾部背鰭上裝有復合材料發(fā)動機艙，具有較高的隱身性能。

此外，翼龍無人機是由中航工業(yè)研制的一種中低空、軍民兩用、長航時多用途無人機。采用正常式氣動布局，大展弦比中單翼，V型尾翼，機身尾部裝有一臺活塞式發(fā)動機，機翼帶襟翼和襟副翼，V尾沒有方向/升降舵，采用前三點式起落架，具有收放和剎車功能，機體結(jié)構(gòu)選用鋁合金材料，天線罩采用透波復合材料，機翼為蜂窩夾心復合材料。國產(chǎn)“彩虹4”無人機機翼翼展18 m，最大起飛質(zhì)量超過1300 kg，機體除了主梁，其他部分都是由復合材料制成，質(zhì)量比例超過80%，大大減輕了機體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，有效載荷可達345 kg。改進型“彩虹5”復合材料用量更大，翼展達21 m，起飛質(zhì)量超過3噸，與死神接近。它延續(xù)了“彩虹4”的成熟氣動布局，但采用了更大展弦比和升阻比的翼型，并采用襟翼增升技術(shù)，使其起飛升力提高了30%，此外，“彩虹5”翼下設(shè)有6個復合材料掛架，一次可掛載16枚不同類型的空地導彈，最大載荷達1噸。

2.2 高機動攻擊戰(zhàn)斗機復合材料應用

自20世紀末起，無人戰(zhàn)斗機一直是世界各國的研究關(guān)注熱點。目前世界上的主要航空大國都已經(jīng)認識到無人戰(zhàn)斗機是未來航空武器裝備的一個重要發(fā)展趨勢。為了盡可能地降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量并提高機動性能，無人戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)的一個顯著特點是大量應用復合材料，特別是碳纖維復合材料，且遠遠超過有人戰(zhàn)斗機的應用水平。

2002年，美國波音公司研發(fā)的翼身融合的X-45A無人機，翼展10.3 m，弦長8 m，空重 3640 kg，搭載有效載荷能力為680 kg，復合材料占X-45A結(jié)構(gòu)質(zhì)量的45%。其機身由高速切削的鋁合金龍骨、梁及隔框覆以復合材料蒙皮構(gòu)成，如圖5（a）所示。2011年2月首飛的 X-47B 是諾斯羅普·格魯曼公司開發(fā)的一種低可探測的艦載無人空戰(zhàn)系統(tǒng)。該無人機是世界上首架陸基和航空母艦都能使用的無人駕駛偵察攻擊機。機長11.64 m，翼展18.92 m，空重6350 kg，最大起飛質(zhì)量20215 kg，實用升限12192 m，可實現(xiàn)超音速飛行。全機80% 的結(jié)構(gòu)由GKN航宇公司設(shè)計制造，其中機身骨架結(jié)構(gòu)采用鈦合金和鋁合金制造，機身蒙皮、機背口蓋和活動艙門等采用復合材料結(jié)構(gòu)，90% 機體表面由碳纖維復合材料制造，外翼由鋁合金部件和碳纖維/環(huán)氧復合材料蒙皮組成，其尺寸大約為4.88 m × 1.22 m，每個機翼均裝有副翼，并擁有高度集成的電子和液壓管路。機翼設(shè)計還包括折疊功能，這樣可以使飛機在航母上占有更小的空間。圖4（b）為X-47B無人戰(zhàn)斗機機身結(jié)構(gòu)測試圖[19]。

圖 5 （a）X45A無人機和（b）X-47B機身結(jié)構(gòu)驗證測試[13]Fig. 5 （a）X45A UAV and（b）X-47B fuselage structure verification test[13]

2010年，英國BAE系統(tǒng)公司推出了一款高科技隱形UAV—“雷電之神（unmanned combat aerial vehicle，UCAV）”，“雷電之神”機長9.3 m，翼展12.5 m，起飛質(zhì)量6500 kg，整個機身除主梁和發(fā)動機機艙使用金屬材料外，其他部分均由碳纖維和石墨纖維復合材料構(gòu)成。2011年，“神經(jīng)元”無人機由法國牽頭，歐洲多國合作開發(fā)?！吧窠?jīng)元”UAV采用了飛翼布局，以鈦、鋁合金為骨架，外層則大量使用了碳纖維/環(huán)氧樹脂之類的先進復合材料（advanced composites materials，ACM），具有高度的低可探測性。中國的“利劍”無人機由沈陽飛機設(shè)計所設(shè)計，洪都飛機廠制造，機長約10 m，翼展約13.8 m，采用碳纖維夾芯鋁蜂窩制備，最大作戰(zhàn)半徑1200 千米。從數(shù)據(jù)看，“利劍”比“神經(jīng)元”和“雷電之神”稍大，比X-45C和X-47B小。作為“空軍某重點型號無人機平臺”的驗證機項目，“利劍”已圓滿完成項目驗收，實現(xiàn)了我國高端無人機技術(shù)的重大創(chuàng)新。

2.3 垂直起降無人直升機上復合材料應用

無人直升機最早出現(xiàn)于20世紀50年代，之后數(shù)十年中沒有太大發(fā)展。世界上較早開展無人直升機研制的國家有美國、英國、加拿大、德國等。近年來，隨著復合材料、動力系統(tǒng)、傳感器等新技術(shù)發(fā)展，無人直升機再次得到迅速發(fā)展。

直升機結(jié)構(gòu)通常分為以旋翼系統(tǒng)為代表的動部件結(jié)構(gòu)和機體結(jié)構(gòu)兩大類。與固定翼飛機相比，直升機在復合材料應用技術(shù)特點上有一定區(qū)別，主要表現(xiàn)在：(1) 結(jié)構(gòu)形式不同。旋翼是直升機特有的結(jié)構(gòu)，旋翼系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)不僅動部件多，受力方式也不同；機身存在較多薄壁復雜曲面，大量采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。(2) 材料體系不同。直升機以織物為主，固定翼飛機采用單向預浸料較多。直升機旋翼連接件基于疲勞及減重的考慮，采用了鋁基復合材料。(3) 性能要求不同。由于結(jié)構(gòu)形式和使用環(huán)境的區(qū)別，使得固定翼飛機所獲取的設(shè)計性能數(shù)據(jù)不能直接應用到直升機上；且對于旋翼系統(tǒng)等直升機特有的動部件，還要求復合材料具有優(yōu)異的高周疲勞特性[20]。

國外無人直升機復合材料的應用也是從次要結(jié)構(gòu)開始逐漸發(fā)展到主承力結(jié)構(gòu)，材料體系從玻璃纖維增強復合材料逐漸過渡到玻璃纖維、碳纖維和芳綸混雜使用的復合材料。近年來，隨著直升機旋翼系統(tǒng)、機身結(jié)構(gòu)等部位應用復合材料的比例進一步增加，材料體系拓展到碳纖維、玻璃纖維和芳綸增強的樹脂基復合材料、鋁基復合材、陶瓷基復合材料等，并發(fā)展了復合材料整體化和模塊化設(shè)計技術(shù)及低成本成型工藝，直接推動了全復合材料機身結(jié)構(gòu)、共軸剛性槳葉、無軸承旋翼等先進無人直升機技術(shù)的發(fā)展。

美國波音公司研制的A-160T機身長10.7 m，旋翼直徑11 m，最大任務(wù)載荷454 kg，最大飛行速度259 km/h，采用渦輪發(fā)動機，把滯空時間延長了40 h，機身大部分采用先進的碳纖維/環(huán)氧、芳綸/環(huán)氧和蜂窩芯材，占機體結(jié)構(gòu)質(zhì)量分數(shù)的50%以上，巧妙布設(shè)油箱，增加燃油攜帶量，從而使其最大起飛質(zhì)量達到3噸，成為當今世界無人直升機中的巨無霸。尾梁等采用碳纖維/芳綸混雜面板的蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)，垂尾采用芳綸/碳纖維束鋪放共固化成型，旋翼槳葉由碳纖維復合材料大梁帶和玻璃鋼蒙皮制造，槳葉厚度從根部到尖部逐漸降低，雙葉尾槳的槳葉則由聚氨酯泡沫和玻璃鋼蒙皮制造。

俄羅斯卡-137 無人直升機采用球形基體布局，共軸雙旋翼結(jié)構(gòu)和四輪支撐桿起落架。旋翼直徑5.3 m。球形機體分上下兩個功能部分。上部裝活塞式發(fā)動機，下半部裝置任務(wù)系統(tǒng)。它最大起飛質(zhì)量280 kg，續(xù)航時間為4 h。機身采用大量的復合材料，因此有一定的隱身能力。

國內(nèi)在研的無人機直升機也大量采用復合材料，主要應用部位有旋翼槳葉中的大梁、蒙皮、墊布、后緣條等，機體結(jié)構(gòu)中的機身蒙皮、動力艙整流罩、全復合材料尾梁、平尾、垂尾、武器掛梁整流罩，此外還有起落架和復合材料油箱等。中國602所研制的AV500W 察打無人直升機采用桁架式結(jié)構(gòu)設(shè)計，全復合材料蒙皮，復合材料槳葉，具有良好的飛行性能，可靠性高。騰盾公司和三強公司聯(lián)合研制的HA無人察打一體機除中機身骨架外全部采用碳纖維及玻璃纖維復合材料制備，圖6（a）和（b）是分別是HA無人機的多梁式泡沫夾層共固化垂尾和滑橇式起落架。

圖 6 HA無人機碳纖維復合材料垂尾 （a）和HA無人機碳纖維復合材料滑橇式起落架（b）Fig. 6 HA UAV CFRP vertical tail （a）and HA UAV CFRP skid landing gear（b）

圖 7 美國 NASA的“赫利俄斯”太陽能全復合材料無人機Fig. 7 Solar powered all composite UAV, Helios, made by NASA

圖 8 中國一飛院“啟明星”太陽能全復合材料民用無人機Fig. 8 Solar powered composite civil UAV, Star, made by China First Flight Academy

2.4 其他無人機上復合材料應用

美國NASA的“赫利俄斯”太陽能全復合材料民用無人機在2001年試飛時連續(xù)飛行時間長達17 h，創(chuàng)造了無人機連續(xù)飛行時間記錄。如圖7所示，這架飛機的翼展75.3 m，遠超波音747的翼展長，弦長2.44 m，主結(jié)構(gòu)由碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料制成，全機均勻分為6段，每段連接處都有一個復合材料艙，用來裝載有效載荷。日前中國航空工業(yè)一飛院自主研發(fā)的超長航時太陽能無人機總裝下線，飛機命名為“啟明星”，如圖8所示，全身采用碳纖維復合材料，使用太陽能作為飛行動力，實現(xiàn)“超長待機”，也是我國太陽能無人機的開山之作，為今后開拓市場奠定堅實基礎(chǔ)。這款啟明星型號的無人機翼展20 m，弦長1.1 m，它可以在2萬米的高空，以130 km/h的速度飛行半年。

圖9是意大利都靈工業(yè)大學研制的HeliPlat高空長航時太陽能無人機機翼管狀梁架結(jié)構(gòu)。采用M55J碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料面板/Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造，能承受大部分的彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切載荷，翼盒蒙皮則采用M55J碳纖維/環(huán)氧預浸帶制造[21]。

圖 9 意大利都靈工業(yè)大學研制的 HeliPlat高空長航時太陽能無人機機翼骨架[21]Fig. 9 Wing structure of high altitude long endurance solar UAV, HeliPlat, developed by Italy Turin Industrial University[21]

2014年美國哈佛大學的科學家們在昆蟲的啟發(fā)下，研制出如蒼蠅般大小的機器人，成為世界上最小的無人機，其小巧程度也成為了無人機研發(fā)領(lǐng)域中的最新突破。該無人機的主體由碳纖維制成，質(zhì)量僅106 mg。所以，這也是世界上最為小巧和輕便的無人機，如圖10所示[22]。

3 無人機復合材料的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

3.1 低成本復合材料制造技術(shù)

圖 10 哈佛大學蒼蠅無人機[22]Fig. 10 Harvard University fly UAV[22]

高昂制造成本是限制復合材料大規(guī)模應用的關(guān)鍵因素之一。與有人機相比，無人機一個重要的優(yōu)勢就是成本相對較低，因此，無論哪種類型的無人機要大面積采用復合材料，都必須解決低成本材料、低成本設(shè)計和低成本成型三個難題。

3.1.1 低成本材料技術(shù)

中低速靶機或微型無人機速度較低，機身和機翼承受載荷不高，故在材料選擇上更加強調(diào)“輕質(zhì)價廉”。最典型的就是木質(zhì)膠合板、泡沫塑料等輕質(zhì)材料的應用。泡沫塑料是目前最輕的材料，密度低至0.9 g/cm3，但泡沫塑料剛度較低，在有人機中很少使用。而在無人機中，泡沫塑料與玻璃鋼復合而成的夾層結(jié)構(gòu)被廣泛應用于多種無人機的機翼結(jié)構(gòu)中。如美國海軍陸戰(zhàn)隊使用的三角翼電子干擾無人機的機翼結(jié)構(gòu)為泡沫塑料夾層玻璃布蒙皮+聚苯乙烯泡沫芯[23]。

對于中高速大型無人偵察機或察打一體機，隨著飛機速度的提高，機體載荷增大，無人機骨架一般采用鋁合金或鈦合金，其他部位大量采用玻璃纖維或碳纖維增強樹脂基復合材料。復合材料的主要原料主要包括增強纖維和樹脂兩部分。增強纖維方面可以選擇大絲束纖維。目前世界碳纖維市場的態(tài)勢是產(chǎn)大于銷，48～60 K大絲束纖維價格約150～200元/公斤，僅是T3003 K纖維價格的1/4左右，同時其性能和工藝性在逐漸改善，建議可在無人機上推廣試用大絲束碳纖維。同時大力發(fā)展環(huán)境友好型循環(huán)使用碳纖維，促進碳纖維材料的回收和利用。從飛機和其他設(shè)備中回收和循環(huán)利用使用過的碳纖維，將其與塑料混合，這種材料價格比同強度的不可回收材料低30%多。關(guān)于基體樹脂一方面應控制其成型溫度、發(fā)展低溫固化高溫使用的樹脂體系，這樣不僅能降低固化成型時的能耗，而且可以采用耐熱要求不高、價格便宜的工裝模具和輔助材料，并能夠提高尺寸精度、降低整體成型時的內(nèi)應力。另一方面發(fā)展能夠擺脫高耗能的熱壓罐的成型技術(shù)的樹脂體系。在此應用需求下，出現(xiàn)了適應VBO（vacuum-bag-only）技術(shù)的OoA（out-of autoclave）樹脂和預浸料體系[24-28]。

OoA材料體系可采用恒溫爐固化而不必使用熱壓罐，前者購置成本僅為后者的1/10，使用成本通常為后者的1/4，在目前制造成本占復材產(chǎn)品成本大部分比例的情況下，這意味著采用OoA材料體系最終產(chǎn)品的成本可大幅降低。目前，世界知名的復合材料生產(chǎn)廠商都推出了自己的OoA材料體系，如ACG公司的MTM系列預浸料（如面向民機結(jié)構(gòu)的MTM44系列、面向美國軍用領(lǐng)域的MTM45系列和面向AGATE項目應用的MTM46系列等）、Cytec公司的 Cycom5320預浸料、Hexcel公司的HexPly-M56預浸料表、東麗公司的2510樹脂預浸料。表1列出了國內(nèi)外典型VBO復合材料體系[29]。

表 1 典型VBO樹脂體系及應用[29]Table 1 Typical VBO resin system and its application[29]

ACG是開發(fā)低溫成型預浸料的先驅(qū)。他們的LTM?低溫成型預浸料在幾個重要項目中得到應用，如著名的波音X45A和X34及諾斯羅普·格魯門公司的X47A無人戰(zhàn)機。在航空領(lǐng)域最受歡迎的是ACG的中溫固化預浸料（MTM），固化溫度約為90 ℃。例如，MTM45-1是一種第二代增韌環(huán)氧樹脂體系，在90 ℃固化后，再進行后固化處理，Tg可達185 ℃。這種材料已經(jīng)用于維珍銀河/Scaled Composites公司的“太空船二號”和“白色騎士二號”，據(jù)說是采用OoA固化的最大航空結(jié)構(gòu)件。制品的孔隙率小于0.5%[30]。

本文作者認為目前針對無人機材料的研究主要還集中于材料本身，并沒有結(jié)合不同無人機的特點和需求，將“無人機材料”作為一個材料門類加以深入探索，充分發(fā)揮無人機設(shè)計靈活，風險低的優(yōu)勢進行先進材料的實驗，譬如超輕型材料、智能材料、先進功能材料（如形狀記憶合金、自修復材料）和微電子、微器件等實驗驗證等，這必將極大推動無人機應用技術(shù)的蓬勃發(fā)展，提高完善無人機的性能，最終也能降低無人機、甚至整個航空工業(yè)的技術(shù)成本。

3.1.2 低成本設(shè)計技術(shù)

為達到降低成本的目的，在綜合考慮外形構(gòu)造、機械強度、氣動特性、安全性能等多方面之間的交叉耦合關(guān)系情況下，無人機的復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計應力求簡單化，并著重于在設(shè)計、制造、測試、使用和維護等諸多方面開展一體化集成結(jié)構(gòu)設(shè)計[31]，要相應發(fā)展數(shù)字化、自動化的設(shè)計技術(shù)，單獨的軟件雖已發(fā)展到一定的水平，但不能充分發(fā)揮作用。波音集成了Patran、Nastran和FiberSim形成DMAPS（design for manufacturing and productivity simulation），同時建立了VR（virtual reality）模型，從設(shè)計到模擬裝配，便于做出適當更改，并可實現(xiàn)“design any where， build any where”。無人機的安全系數(shù)比有人機的要低，可能在1～1.5之間適當選取，UCAV的過載系數(shù)可能要高，可達15～20 g，無人機使用壽命短，損傷容限和耐久性要求也相對較低，由此給結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度分析會帶來許多質(zhì)的變化，比如需更加關(guān)注基于概率的結(jié)構(gòu)分析方法，開展復合材料結(jié)構(gòu)高設(shè)計許用值研究，充分挖掘復合材料結(jié)構(gòu)的后屈曲承載能力，以及開展復合材料結(jié)構(gòu)復雜高應力區(qū)的壽命評定方法研究，以進一步地提高結(jié)構(gòu)效率和可靠性，并制定出適用于無人機復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析計算準則與相關(guān)規(guī)范[32]。從長遠看，還應注意研究可靠性設(shè)計方法，以補充和完善安全系數(shù)法的不足。本文作者建議無人機的低成本設(shè)計還應與低成本的成型工藝相結(jié)合，譬如針對VBO工藝對制件的厚度敏感的特性，應在復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中充分利用結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性，減少局部區(qū)域的厚度（譬如共固化區(qū)域），從而保障產(chǎn)品經(jīng)過VBO工藝能夠獲得良好的產(chǎn)品合格率和質(zhì)量穩(wěn)定性。再譬如進行設(shè)計分離面選擇時應充分考慮工藝分離的難度和可靠性，選擇工藝容易批量穩(wěn)定實現(xiàn)的分離面作為設(shè)計分離面，并根據(jù)工藝需要進行局部的結(jié)構(gòu)調(diào)整，從而實現(xiàn)總制造成本的下降。

3.1.3 低成本的成型技術(shù)

降低復合材料制造成本另一個重要舉措就是發(fā)展低成本的成型工藝。目前，熱壓罐成型仍然是很多無人機復合材料結(jié)構(gòu)成型的主要方法，比如美國Aurora公司的大型熱壓罐工作區(qū)直徑達2.4 m，長7.8 m，用來支持“全球鷹”等無人機復合材料結(jié)構(gòu)的制造。眾所周知，熱壓罐成型工藝投資大，能耗驚人，且大型制品還受到成型設(shè)備大小的限制。大中型無人機一些較大的部件往往需要整體成型，比如翼身蒙皮、大展弦比機翼盒段等，已有的熱壓罐尺寸常常無法滿足要求。復合材料低成本制造技術(shù)的主要發(fā)展方向包括纖維自動鋪放、纏繞、拉擠成型技術(shù)、脂傳遞模塑成形技術(shù)（RTM）、樹脂膜滲透技術(shù)（RFI）、真空輔助樹脂滲透成形技術(shù)（VARI）、SQRTM等液態(tài)成型技術(shù)、創(chuàng)新性的固化方法包括電子束高速固化法、超聲波固化法、X射線固化法等。此外，無人機上舵面等泡沫夾芯結(jié)構(gòu)一般都采用模壓成型，模壓工藝兼有熱壓罐成型和真空袋成型的優(yōu)點，具有成型壓力大、成型效率高、經(jīng)濟性好，是生產(chǎn)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)部件的很好的一種成型方法。

意大利Proel公司提出了一種電子束固化結(jié)合纖維纏繞工藝的復合材料制造方法，電子束輻射與纖維纏繞同步進行，在纏繞下一層時，前一層已固化或預固化，稱為“分層電子束固化”[33]。

泰斯金普公司與曼徹斯特大學共同開發(fā)出一種開創(chuàng)性的3D纏繞技術(shù)，這臺纏繞機的技術(shù)核心來自由曼徹斯特大學教授PrasadPotluri提出的9軸自動纏繞理念，實驗預測表明，用這種技術(shù)纏繞一塊飛機翼梁，僅需數(shù)分鐘的時間。這臺3D纏繞機為纏繞技術(shù)在復合材料領(lǐng)域的應用創(chuàng)造了新的突破，尤其是在降本增效方面對量產(chǎn)制造商們帶來了巨大的優(yōu)勢，同時還提升了產(chǎn)品的強度、同一性和產(chǎn)品穩(wěn)定性[34]。

3.2 復合材料整體化設(shè)計與制造技術(shù)

易于大面積整體成型是復合材料的一大優(yōu)勢，無人機采用整體化復合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)點主要包括：隱身，減重和降低裝配成本。因此，發(fā)展整體化設(shè)計與制造技術(shù)一直是無人機復合材料結(jié)構(gòu)研究的主要方向。目前無人機復合材料整體化設(shè)計制造最典型的應用是飛翼式總體布局的翼身融合結(jié)構(gòu)，如 X-45系列、X-47系列無人機。如圖11以 X-47A為例，其翼展達 8.47 m，機身長 8.5 m，整個外形呈“菱形”，整體復合材料蒙皮沿中心線分為四大塊，兩塊上蒙皮和兩塊下蒙皮，都是一體化成型，故此翼身光滑過渡，大大減小了雷達反射面積[1]。

復合材料結(jié)構(gòu)整體化目標主要通過共固化、共膠接或二次膠接等技術(shù)手段結(jié)合先進的纖維鋪設(shè)方法與成型工藝來實現(xiàn)。如圖12所示的復合材料整體機翼盒段，翼梁與下蒙皮共固化，上蒙皮采用泡沫夾層結(jié)構(gòu)以提高受壓穩(wěn)定性，上部夾層壁板與下部整體壁板分別固化后再二次膠接形成整體結(jié)構(gòu)[1]。這種成型方式在很大程度上減小了零件數(shù)量、緊固件數(shù)量及整體質(zhì)量，并能形成連續(xù)過渡的光滑表面，從而起到較好的隱身效果。此外，采用蒙皮與桁條、筋、肋的共固化成型、機翼與油箱的共固化成型、機身與垂尾、平尾的共固化成型在無人機上的應用也越來越普遍。

圖 11 X-47A“天馬”無人作戰(zhàn)飛機[1]Fig. 11 X-47A “Tian Ma”unmanned combat aircraft[1]

圖 12 整體復合材料機翼盒段示意Fig. 12 Integral composite wing box section hint

采用復合材料整體成型技術(shù)的主要難題是所使用的模具較復雜，成本較高，因此要注意分體模和整體模及模具定位組合的合理設(shè)計，還要注意低成本模具材料和制造技術(shù)的應用。然而，復合材料結(jié)構(gòu)的整體化程度需要適度，否則容易增加制造過程中的質(zhì)量風險，造成后期維修的困難，反而不利于成本的降低。

3.3 結(jié)構(gòu)/功能一體化成型技術(shù)

結(jié)構(gòu)功能一體化復合材料主要包括結(jié)構(gòu)吸/透波一體化、結(jié)構(gòu)/防彈一體化、結(jié)構(gòu)/防熱一體化、結(jié)構(gòu)/導電一體化、結(jié)構(gòu)/阻尼一體化、結(jié)構(gòu)/智能一體化等復合材料。通過將結(jié)構(gòu)材料和功能性材料共固化成型，能夠簡化生產(chǎn)流程，降低總工藝成本。針對不同需求的無人機優(yōu)先發(fā)展相應的結(jié)構(gòu)功能一體化技術(shù)。

隨著中高速的無人偵察機和察打一體機隱身性能要求越來越高，除了進行結(jié)構(gòu)隱身設(shè)計外，對結(jié)構(gòu)吸/透波一體化復合材料需求也越來越迫切。目前已經(jīng)發(fā)展了以高強玻璃纖維、石英纖維和芳綸作為增強材料，以環(huán)氧、氰酸酯和雙馬為樹脂基體的輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)/透波一體化復合材料體系，建立了完整的結(jié)構(gòu)/透波一體化復合材料力學性能和透波性能數(shù)據(jù)庫，所制備的天線罩具有較高的雷達波透過率和較小的副瓣，在各種飛行器、地面通訊站、艦船和車輛等領(lǐng)域得到廣泛應用。在結(jié)構(gòu)/吸波一體化功能復合材料研究方面，已經(jīng)形成了層合和夾層結(jié)構(gòu)2大類結(jié)構(gòu)吸波一體化復合材料，長期使用溫度達到170 ℃，并在新型隱身裝備吸波結(jié)構(gòu)中得到大量應用，明顯提高了裝備的生存能力[35]。

結(jié)構(gòu)防彈一體化復合材料具有高的防護效能，適用于造價較高的中高速察打一體無人機。目前得到型號應用的結(jié)構(gòu)防彈材料主要為有機纖維增強樹脂基復合材料，且主要用在坦克、裝甲車和單兵防護上。其中，芳綸纖維增強抗彈復合材料在美國M1系列、俄羅斯T80坦克中得到廣泛應用。超高分子量聚乙烯纖維增強抗彈復合材料更多用于裝甲車輛抗爆轟與二次效應防護內(nèi)襯和人體裝甲。PBO 纖維作為抗彈功能復合材料主要用于裝甲車輛、戰(zhàn)斗機和艦船，美國“橡樹林國家實驗室”還將PBO纖維增強抗彈功能復合材料用于單兵防護服[36]。

對于馬赫數(shù)2以上的高超音速無人機，需要在結(jié)構(gòu)層的外面增加熱防護層以防護機體不受飛行過程中產(chǎn)生的高熱量破壞。此時，采用結(jié)構(gòu)防熱功能復合材料能夠在結(jié)構(gòu)制備時一次性將結(jié)構(gòu)和熱防護層共固化成型。熱防護層一般選用酚醛樹脂體系，目前經(jīng)歷了高硅氧/酚醛、碳/酚醛和先進碳/酚醛3代材料的研發(fā)，并發(fā)展了手糊、預浸料模壓和纏繞3類工藝，基本實現(xiàn)了樹脂基防熱功能復合材料低燒蝕速率和燒蝕形貌控制，滿足了高性能再入飛行器、高超音速戰(zhàn)斗機、無人機甚至高性能固體發(fā)動機等航天航空器的熱防護需求[37]。

結(jié)構(gòu)導電復合材料的研發(fā)主要用于防雷擊和電磁屏蔽。中航復材公司的益小蘇教授提出的層間功能化的思路來制備結(jié)構(gòu)-導電一體化復合材料，在不影響現(xiàn)有的材料體系和成型工藝的情況下，可以同時提高復合材料的導電性和抗沖擊性能，賦予復合材料高韌性和整體高導電性，并且可根據(jù)實際應用易于進行導電性分布設(shè)計和區(qū)域選擇性增韌[38]。結(jié)構(gòu)導電復合材料適合用在高空長航時的無人機上進行防雷擊和靜電防護。

結(jié)構(gòu)/阻尼一體化復合材料是將高阻尼材料添加到結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部形成的一種新型復合材料結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)件既具有較高的剛度和強度，又具有較高的結(jié)構(gòu)阻尼、承重和減振作用。應用實踐表明，將結(jié)構(gòu)/阻尼一體化復合材料技術(shù)應用于航空航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，尤其是直升機的旋翼等高頻動部件上，可有效增大結(jié)構(gòu)的模態(tài)阻尼比，大幅降低其共振響應，極大地改善結(jié)構(gòu)上儀器設(shè)備的工作環(huán)境，對提高裝備的命中精度、延長裝備工作壽命、保障其工作效能有良好的效果[39]。結(jié)構(gòu)/阻尼一體化復合材料適合用在無人直升機的減振。

以智能材料、智能結(jié)構(gòu)為前提的自適應結(jié)構(gòu)技術(shù)目前在國外已進行了多年研究，并明確提出要在未來的U-CAV上應用。這方面的內(nèi)容主要包括復合材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控、智能蒙皮、自適應柔性機翼、顫振主動抑制等項技術(shù)的發(fā)展研究，其中很有應用前景的應是能大幅度提高升阻比的自適應柔性復合材料機翼的發(fā)展研究[40]。

3.43D 打印增材成型技術(shù)

3D打印技術(shù)又叫增材制造或快速成型，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉、絲、塊等形狀的金屬或塑料，并輔以黏合材料或熱源，通過逐層堆疊累積的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。與傳統(tǒng)機械加工在原材料毛坯上做“減法”的加工方式恰恰相反，3D打印技術(shù)是不斷添加原材料做著“加法”，最終得到預期的零部件。美國作為無人機研究領(lǐng)域的急先鋒和集大成者，大到捕食者，小到微星都有 3D打印技術(shù)的參與。其中，在洛馬 P-175復合材料無人機的研制中，碳納米管和基體粉末在輸送過程中由激光燒結(jié)成型機體結(jié)構(gòu)。橡樹嶺國家實驗室正與洛馬合作開發(fā)低成本的熔融沉積成形（FDM）機床，實現(xiàn)大型無人機機翼結(jié)構(gòu)（18～30 m）的增材制造[41]。同時，俄羅斯、以色列、日本、印度等國家也將 3D打印技術(shù)生產(chǎn)制造無人機作為事裝備發(fā)展的重點之一。

3.5 低成本制造工裝技術(shù)

復合材料結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量以及制造成本與其制造工裝密切相關(guān)，理想的復合材料制造工裝特點應該是高精度、高剛度、便于使用，抗高壓、無滲漏，不損壞零件，尤其重要的兩點是工裝材料與零件材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）匹配以及成本低廉。通用的工裝材料主要有鋁、鋼、殷鋼、各類樹脂基復合材料，其中殷鋼和復合材料本身因其較低的CTE，非常適合航空結(jié)構(gòu)件制造，但其制造成本和固化能耗往往不夠理想。

目前在航空復合材料制造領(lǐng)域，針對熱壓罐固化和OoA固化，國外發(fā)展出了多種新工裝材料和新工裝技術(shù)，以改進工藝、減少時間、降低能耗、節(jié)約成本，這些技術(shù)都可以用于并且部分已經(jīng)用于無人機的制造中。美國試金石實驗室開發(fā)了一種電加熱工裝（EHT），一種用于OoA工藝的自加熱泡沫（CFOAM）。實驗結(jié)果表明，無論對于平滑的還是復雜的工裝外形，該工裝的機械屬性都與標準的熱壓罐固化工裝相當[42]。在X-45機翼生產(chǎn)中，按肋條、桁條、電氣線路及其他機翼部件切削加工出模具，然后模塑出整體泡沫芯子。固化后，泡沫芯子纏繞纖維，放入由玻璃纖維E-布制成模具進行樹脂注射，最后固化，機翼從工裝取下進行裝配。

3.6 快速低成本的復合材料結(jié)構(gòu)修理技術(shù)

復合材料由于自身的成型工藝特點，制造過程中不可避免地會產(chǎn)生各種缺陷。此外，在復合材料的加工和使用過程中，也可能產(chǎn)生脫膠、疏松、分層、表面劃傷、孔邊損傷、沖擊損傷、戰(zhàn)傷、裂紋等各類損傷。國內(nèi)外的統(tǒng)計資料表明，在飛機全壽命費用中，使用和維護保障費高達50%以上。軍用無人機的數(shù)量巨大，且在大面積采用復合材料后，常因參戰(zhàn)而出現(xiàn)劃傷、裂紋、斷裂、穿孔等結(jié)構(gòu)損傷現(xiàn)象，嚴重影響其再次出動，降低空軍的戰(zhàn)斗力。無人機上復合材料結(jié)構(gòu)的修理問題變得尤其突出。NASA調(diào)研結(jié)論也指出，阻礙復合材料進一步發(fā)展應用的主要問題之一是復合材料的修理問題，包括修理方法、修理成本、修理用料的供應和貯存等具體問題。

對無人機結(jié)構(gòu)修理的一般要求為：（1）滿足結(jié)構(gòu)強度、剛度和結(jié)構(gòu)完整性；（2）氣動外形變化要小，保證原構(gòu)件表面光滑；（3）修理增重小，操縱舵面滿足質(zhì)量平衡要求;（4）修復使用功能；（5）修理時間短，以滿足使用要求；（6）修理費用成本低。根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷的類型與大小，復合材料構(gòu)件的修理采用不同的方法。最常用的包括機械連接補貼、樹脂注射、材脂灌注和填充、膠接貼補和挖補等[43]。

雖然近30年來，國內(nèi)外許多學者已在復合材料結(jié)構(gòu)修理方面開展了一系列有益的工作，然而仍有很多不如人意的地方，比如工藝復雜不利于外場修理、快速修理技術(shù)成熟度不高、修理強度恢復率低、修復結(jié)構(gòu)評定標準不統(tǒng)一等。這些障礙的逾越有賴于材料、設(shè)計和制造技術(shù)的共同進步，但可以預見的是，隨著復合材料的應用越來越廣泛，復合材料結(jié)構(gòu)修理技術(shù)一定會得到長足的發(fā)展。

4 國內(nèi)無人機復合材料應用存在的問題

目前以實現(xiàn)自動化為目標的自動下料、鋪帶、鋪絲工藝，以減少裝配為目標的整體共固化設(shè)計與成型工藝，以擺脫熱壓罐設(shè)備為目標的液體成型、低溫低壓固化及電子束固化工藝等低成本復合材料技術(shù)在國內(nèi)均做了跟進研究，但鑒于國內(nèi)基礎(chǔ)技術(shù)比較薄弱，設(shè)計應用經(jīng)驗欠缺，并且相關(guān)設(shè)備依賴進口，就目前國內(nèi)情況來看，上述低成本措施還未真正達到低成本目的。國內(nèi)外相關(guān)數(shù)據(jù)對比表明，人工成本、先進設(shè)備和技術(shù)狀態(tài)的差異是導致國內(nèi)外復材產(chǎn)品成本因素差異的重要原因，同時也正是自動化等低成本措施在國內(nèi)收效甚微的原因所在[44]。

國內(nèi)無人機復合材料應用存在的問題主要有：

（1）復合材料應用技術(shù)和數(shù)據(jù)資料主要在集中在體制內(nèi)各單位，彼此嚴格保密，沒有形成必要的交流和共享機制，設(shè)計余量和成型工藝比較保守，以完成型號任務(wù)為首要原則，低成本意識淡薄。

（2）原材料研發(fā)能力弱，抄襲嚴重，品種單一，質(zhì)量不穩(wěn)定，重要原材料依賴進口，采購周期長，成本居高不下。

（3）工藝生產(chǎn)設(shè)備和工裝模具自主開發(fā)能力差，尤其是自動化設(shè)備依賴進口，購置和使用費用高；保定550廠和昌飛公司從法國購買的翼面自動模壓生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)效率大大提高，產(chǎn)品合格率接近100%，但單套設(shè)備就高達2000萬元以上。

（4）對于液體成型、電子束固化和VBO等低成本工藝，目前國內(nèi)預研投入不足，經(jīng)驗欠缺，應用案例相對匱乏，需要進一步加強應用研究。

5 結(jié)束語

先進樹脂基復合材料在國內(nèi)外的無人機上得到了越來越廣泛應用。其中，國內(nèi)的研究和應用水平與國外相比還存在不小差距。從國內(nèi)技術(shù)基礎(chǔ)出發(fā)，在對設(shè)備要求較高的自動化技術(shù)無法達到低成本目標的條件下，積極發(fā)展各種液體成型技術(shù)、

BVO-OoA材料及工藝和傳統(tǒng)模壓工藝的研發(fā)和工程應用實踐、堅持以工藝可行性和穩(wěn)定性為出發(fā)點進行復合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計是降低復合材料結(jié)構(gòu)成本，加快我國復合材料在無人機行業(yè)應用步伐的可行途徑。