符長青

本文闡述油電混合動力無人機總體設(shè)計、氣動布局、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，并介紹旋翼無人機的類型，以及油電混合動力復(fù)合式無人機的類型和飛行原理。

油電混合動力無人機是典型的高復(fù)雜度、技術(shù)密集型產(chǎn)品，總體設(shè)計須要在性能、功能、安全性、研制和運行成本、研制風險等方面尋求平衡，更深入地集成氣動、控制、結(jié)構(gòu)、動力、復(fù)合材料等專業(yè)技術(shù)，并在設(shè)計細化的過程中找到盡可能優(yōu)化的技術(shù)方案和實施路徑。

油電混合動力無人機總體設(shè)計

不論是電動無人機還是油動無人機，它們的能量來源都是單一物質(zhì)。油電混合動力無人機的能源系統(tǒng)將電能和熱能組合在一起。因此，油電混合動力無人機的總體設(shè)計必須考慮這一特點，充分發(fā)揮這兩類不同性質(zhì)能源的優(yōu)勢。

與航空器傳統(tǒng)的燃油動力系統(tǒng)相比，電推進系統(tǒng)具有一定程度的功率相對尺度無關(guān)性。電動無人機和油電混合動力兩類無人機的總體設(shè)計可突破航空器傳統(tǒng)架構(gòu)的限制，具有廣闊的設(shè)計空間；另一方面，受限于電池等部件的功率密度水平，與采用傳統(tǒng)燃油動力裝置和常規(guī)布局的航空器相比，其電推進系統(tǒng)會影響飛行器的航程和任務(wù)載荷等指標。因此，電動和油電混合動力無人機對總體結(jié)構(gòu)/推進系統(tǒng)一體化設(shè)計和氣動布局創(chuàng)新設(shè)計提出了許多新的需求。

對于油電混合動力無人機而言，其總體結(jié)構(gòu)/推進系統(tǒng)一體化設(shè)計技術(shù)要求對油電混合動力無人機的燃油發(fā)動機、發(fā)電機、電動機、旋翼或螺旋槳、機翼、短艙等部件開展綜合權(quán)衡分析和迭代優(yōu)化設(shè)計，綜合考慮油電混合動力無人機的尺寸、氣動力、重量、動力系統(tǒng)等參數(shù)，開展關(guān)鍵參數(shù)的敏感性分析與協(xié)調(diào)，進行方案評估，支撐布局方案選型。

油電混合動力無人機總體設(shè)計采用總體結(jié)構(gòu)/推進系統(tǒng)一體化設(shè)計方法，既能克服油動無人機動力裝置與機體結(jié)構(gòu)分開設(shè)計方式的缺點，又能發(fā)揮電動無人機氣動布局、推進系統(tǒng)設(shè)計具有較高自由度且高度耦合的優(yōu)點，有效提高無人機的飛行性能。

旋翼無人機的類型

常見的不同總體結(jié)構(gòu)旋翼無人機詳見圖1。發(fā)動機驅(qū)動旋翼旋轉(zhuǎn)，旋翼給周圍空氣以扭矩，根據(jù)物體作用力與反作用力的物理學基本原理，空氣必定以大小相等、方向相反的扭矩作用于旋翼，這種反扭矩繼而傳遞到機體，如果不采取補償措施，反扭矩將使機體發(fā)生逆向旋轉(zhuǎn)。為了消除旋翼反扭矩作用，保持旋翼無人機機體的航向，可以采用不同的補償方式，在設(shè)計層面就出現(xiàn)了不同類型的旋翼無人機。

（1）單旋翼帶尾槳式無人直升機

該型無人直升機只有一個主旋翼，采用尾槳推力來平衡主旋翼反扭矩。這種類型是傳統(tǒng)直升機中最流行的型式，詳見圖1（a），其結(jié)構(gòu)比雙旋翼無人直升機簡單，但要多付出尾槳的功率消耗。

（2）雙旋翼共軸式無人直升機

該無人直升機如圖1(b)所示，其兩副旋翼在同一軸線上，相逆旋轉(zhuǎn)，因此反扭矩彼此抵消。這種型式無人直升機外形尺寸較小，但其傳動和操縱機構(gòu)復(fù)雜。

（3）雙旋翼縱列式無人直升機

圖1(c)是雙旋翼縱列式無人直升機，其兩副旋翼縱向前后布置，相逆旋轉(zhuǎn)，反扭矩彼此抵消。這種型式的優(yōu)點是，機身寬敞，容許機體重心位置移動較大；缺點是后旋翼的空氣動力效能較差。

圖1 不同類型的旋翼無人機示意圖。

（4）雙旋翼橫列式無人直升機

雙旋翼橫列式無人直升機的兩副旋翼分別安裝在左右支臂或固定在左右機翼上，相逆旋轉(zhuǎn)，反扭矩彼此抵消，如圖1(d)所示。這種型式的優(yōu)點是，構(gòu)造對稱，穩(wěn)定性和操縱性較好；缺點是迎面空氣阻力較大。

（5）多旋翼無人機

多旋翼無人機的旋翼數(shù)量多達4個或4個以上，通常分為4、6、8、12、16、18、24、36……旋翼無人機。每兩副旋翼相逆旋轉(zhuǎn)，因而反扭矩彼此抵消，如圖1(e)所示。

（6）其他型式

為了提高旋翼飛行器的任務(wù)載荷、前飛速度、實用升限和航程等指標，人們設(shè)計研制出復(fù)合式、涵道風扇式、傾轉(zhuǎn)機翼式以及圖1(f)的傾轉(zhuǎn)旋翼式等一些特殊型式的旋翼飛行器。

油電混合動力復(fù)合式無人機氣動布局

油電混合動力無人機氣動布局設(shè)計方案多種多樣，它們大多具有固定翼和旋翼布局，是一種新構(gòu)型無人機。

什么是復(fù)合？復(fù)合就是混合，是兩種或多種不同的物質(zhì)混合在一起，從而產(chǎn)生出一種新的物質(zhì)。例如，復(fù)合材料就是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的物質(zhì)經(jīng)固化而成為一種多相固體材料，它既保持了原組分材料的主要特點，又具備原組分材料所沒有的新性能。在生物學上，復(fù)合稱之為雜交，例如雜交水稻。

常規(guī)旋翼無人機具有垂直起降功能，可完成低空高機動飛行，應(yīng)用范圍廣。但是，受前行槳葉波阻和后行槳葉失速的限制，其飛行速度不高，巡航速度很難超過400km/h。相比之下，固定翼無人機既省油又飛得快，但起降須要跑道，使用不方便。如何將這兩種布局無人機的優(yōu)點結(jié)合起來？

圖2 數(shù)架多旋翼載客無人機同時在城市上空飛行。

圖3 不同總體結(jié)構(gòu)的復(fù)合式無人機。

通過一系列理論研究和分析后，人們開始實踐，設(shè)計復(fù)合式布局，以融合這兩種無人機的優(yōu)點，使復(fù)合式無人機既具有固定翼無人機的飛行性能和優(yōu)點，如續(xù)航時間長、飛行速度快、飛行效率高和任務(wù)載荷重量大等，又具有旋翼無人機的飛行性能和優(yōu)點，如垂直升降、空中懸停、原地回轉(zhuǎn)和低空樹梢高度飛行等。當然，任何事物并不都是完美無缺，兩者混合的結(jié)果，必然也會繼承各自前輩的一些缺點。例如，復(fù)合式無人機與固定翼無人機相比，具有飛行速度低、耗油量較高、航程較短等缺點；與旋翼無人機相比，其垂直升降、空中懸停性能，以及穩(wěn)定性和安全性常會略遜一籌。

但不管怎么說，復(fù)合式無人機的優(yōu)勢仍然存在，近年來取得了很多突破性進展。現(xiàn)在，無人機的發(fā)展速度之快確實無法想象，無人機的應(yīng)用已深入到人們生活和工作的各個領(lǐng)域。復(fù)合式無人機越來越智能，優(yōu)勢越來越明顯，發(fā)展速度越來越快。

油電混合動力復(fù)合式無人機的類型與飛行原理

為了得到一種飛行速度快、飛行高度高、任務(wù)載荷重量大、省油的垂直起降無人機，人們絞盡腦汁，想出了一個又一個辦法，設(shè)計出許多不同構(gòu)型的復(fù)合式無人機方案，而且制造出各種復(fù)合式無人機。復(fù)合式無人機主要有如下6種構(gòu)型。

（1）噴氣式垂直起降無人機

垂直起降（VTOL）無人機按照動力裝置類型，可分為噴氣式和螺旋槳（旋翼）式兩大類。其中，噴氣式垂直起降無人機采用噴氣式發(fā)動機提供垂直起降所須的升力。產(chǎn)生升力的方法有三種，一是偏轉(zhuǎn)發(fā)動機的噴管產(chǎn)生升力；二是直接使用升力發(fā)動機提供升力；三是前兩種方法的組合，同時使用升力發(fā)動機和主發(fā)動機提供升力。噴氣式垂直起降無人機的缺點是，造價和使用成本高，通常不在民用領(lǐng)域應(yīng)用。軍用噴氣式垂直起降無人機的飛行原理與軍用有人機（如美國F-35B）相同。噴氣式垂直起降無人機在垂直起降時，其發(fā)動機尾噴管從向后方向轉(zhuǎn)為垂直向下，無人機在空中由平飛轉(zhuǎn)向懸停狀態(tài)，最后完成垂直降落。

（2）傾轉(zhuǎn)旋翼無人機

傾轉(zhuǎn)旋翼無人機是一種同時具有旋翼無人機和固定翼無人機特點的復(fù)合式無人機。其飛行原理與傾轉(zhuǎn)旋翼有人機（如美國V-22傾轉(zhuǎn)旋翼有人機）相同。當其旋翼處于垂直位置時，傾轉(zhuǎn)旋翼無人機類似于雙旋翼橫列式無人機，可懸停、側(cè)飛、后飛、垂直起降，此時它的單位功率起降重量接近典型旋翼機。當其旋翼處于水平位置時，傾轉(zhuǎn)旋翼無人機相當于固定翼無人機，飛行速度快，能完成遠程飛行。

（3）傾轉(zhuǎn)機翼無人機

傾轉(zhuǎn)機翼無人機是一種整個機翼都可以傾轉(zhuǎn)的復(fù)合式無人機，這是它與傾轉(zhuǎn)旋翼無人機最大的區(qū)別，因為傾轉(zhuǎn)旋翼無人機的機翼固定不動，僅傾轉(zhuǎn)安裝在機翼上的旋翼。根據(jù)不同的傾轉(zhuǎn)模式，傾轉(zhuǎn)機翼無人機所處的飛行模式也不相同，當傾轉(zhuǎn)機翼處于垂直狀態(tài)時，傾轉(zhuǎn)機翼無人機可完成懸停、側(cè)飛、后飛、垂直起降等飛行動作。當傾轉(zhuǎn)機翼處于水平狀態(tài)時，傾轉(zhuǎn)機翼無人機相當于固定翼無人機，飛行速度快，完成遠程飛行。

其實，在V-22傾轉(zhuǎn)旋翼有人機問世之前，美國已經(jīng)研制出有人駕駛傾轉(zhuǎn)機翼運輸機XC-142。該型運輸機于1964年9月首飛，采用4臺T64-GE-1型發(fā)動機提供動力，可搭載2名機組人員，最大起飛重量20t。它的主機翼和水平尾翼都能進行旋轉(zhuǎn)切換，而且機尾安裝有一副旋翼，以保證機身的整體平衡。由于機翼改平時的狀態(tài)，出現(xiàn)了發(fā)動機功率過剩的情況。另一方面，航程為6000km的垂直起降運輸機能承擔的任務(wù)，許多其他運輸機也能完成，而且效費比更高。于是，美國三大軍種陸續(xù)對XC-142運輸機喪失了興趣。最終，5架XC-142僅有1架保存下來。

圖4 中國航天空氣動力技術(shù)研究院研制的“彩虹”-10 傾轉(zhuǎn)旋翼無人機。

圖5 傾轉(zhuǎn)機翼無人機。

圖6 從地面騰空而起的XC-142傾轉(zhuǎn)機翼運輸機。

（4）單旋翼復(fù)合式無人機

單旋翼復(fù)合式無人機是在固定翼無人機機身上增加一個主旋翼而構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體。它既有固定翼無人機的氣動特性，又有旋翼無人機的氣動特性，因此能夠旋翼無人機模式進行垂直起飛或降落，又能采用固定翼無人機模式，以較高的飛行速度完成巡航飛行。

在垂直起降階段，單旋翼復(fù)合式無人機完全由主旋翼提供升力，相當于直徑比較大的單副旋翼承擔無人機的全部重量；當轉(zhuǎn)入前飛狀態(tài)時，由固定機翼和旋翼共同承擔無人機的重量。單副大直徑主旋翼能夠產(chǎn)生比較大的升力，例如單旋翼帶尾槳無人機的最大起飛重量可超過10t。單旋翼復(fù)合式無人機比較適合森林消防使用，包括空中巡查、火場偵察、燈光照明、火點快速定位、火情確定，以及外掛吊桶直接參與撲滅林火等任務(wù)，其結(jié)構(gòu)形式較適合作為大中型森林消防無人機的設(shè)計方案。

（5）多旋翼復(fù)合式無人機

多旋翼復(fù)合式無人機是在固定翼無人機機體上增加多副旋翼（大多數(shù)為4副旋翼）而構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體。它能夠以旋翼無人機模式進行垂直起飛或降落，又能采用固定翼無人機模式，以較高飛行速度完成巡航飛行。

圖7 單旋翼復(fù)合式無人機。

圖8 多旋翼復(fù)合式無人機。

在垂直起降時，多旋翼復(fù)合式無人機所能承載的重量只相當于多旋翼無人機所能承載的重量，其任務(wù)載荷重量比較小。所以，這種復(fù)合構(gòu)型一般比較適合作為中小型無人機的設(shè)計方案。多旋翼復(fù)合式無人機的飛行原理和過程可分為以下幾個階段。

無人機啟動朝上安裝的所有旋翼電機，依靠所有旋翼產(chǎn)生的升力（合力）進行垂直起飛，此時機頭的拉力螺旋槳（或機尾的推力螺旋槳）電機不工作。

②從懸停轉(zhuǎn)向平飛的階段

多旋翼復(fù)合式無人機依靠多旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生的升力，可穩(wěn)定懸停在特定高度的位置，機頭的拉力螺旋槳（或機尾的推力螺旋槳）電機啟動，進入最大功率狀態(tài)，螺旋槳產(chǎn)生向前的最大拉力（或推力），使多旋翼復(fù)合式無人機在最短時間內(nèi)達到預(yù)定轉(zhuǎn)換的前飛速度，然后，朝上安裝的所有旋翼電機停止工作。

③平飛階段

在平飛階段，多旋翼復(fù)合式無人機像固定翼無人機一樣，由機頭的拉力螺旋槳（或機尾的推力螺旋槳）提供升力進行水平飛行，完成從起飛點至作業(yè)區(qū)的轉(zhuǎn)移飛行、任務(wù)巡航、任務(wù)區(qū)作業(yè)、從任務(wù)區(qū)至著陸點的返航等一系列飛行姿態(tài)和任務(wù)。

④從平飛轉(zhuǎn)向懸停的階段

當多旋翼復(fù)合式無人機從平飛姿態(tài)轉(zhuǎn)向懸停姿態(tài)時，首先須減速到預(yù)定轉(zhuǎn)換速度，然后啟動朝上安裝的所有旋翼電機，當所有旋翼產(chǎn)生的升力（合力）達到能夠支撐無人機的總重量并符合空中懸停的條件后，機頭的拉力螺旋槳（或機尾的推力螺旋槳）電機關(guān)閉，由多旋翼提供懸停所須的升力。

⑤垂直降落階段

通過技術(shù)研究，研制了一種多功能硫磺皮帶機集成清掃裝置，經(jīng)性能評價驗證，達到了研究目的，滿足現(xiàn)場使用條件，硫磺粉塵質(zhì)量濃度降低至6.1 mg/m3，遠小于未安裝前25.1 g/m3的現(xiàn)場平均粉塵質(zhì)量濃度。形成的多功能硫磺皮帶機集成清掃裝置，可以從最前端將皮帶上黏附的物料處理掉，有效減少硫磺粉塵污染，實現(xiàn)硫磺輸送系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行，為后續(xù)硫磺皮帶機清掃裝置改進提供了指導依據(jù)，對解決皮帶輸送機沿線粉塵污染具有重要意義。研究成果可為國內(nèi)同類型裝置提供借鑒參考。

該階段與垂直起飛階段相反，無人機由多旋翼提供升力，是典型的多旋翼無人機垂直降落方式。

（6）帶索引推進器旋翼無人機

除了上面介紹的5種復(fù)合式無人機之外，另一種更實用、更有發(fā)展前途的方案也獲得不少人的青睞。該型復(fù)合式無人機是一種帶推進器的旋翼無人機，它的構(gòu)型設(shè)計借鑒了世界上飛行速度最快的S-97雙旋翼共軸式直升機，其最大飛行速度超過480km/h。

由圖9可見，該型雙旋翼共軸式無人機的機頭增加了一個水平螺旋槳，該水平螺旋槳是索引器推進，因而這種復(fù)合式無人機稱為雙旋翼共軸式帶索引推進器無人機。其飛行原理是，當無人機垂直起降和懸停時，水平螺旋槳停止工作，無人機處于“雙旋翼共軸式無人機”的工作狀態(tài)。當無人機前飛時，水平螺旋槳啟動工作，開始旋轉(zhuǎn)，為無人機前飛提供拉力（索引力），以提高無人機的前飛速度，無人機處于“復(fù)合式無人機”的工作狀態(tài)。

圖9 雙旋翼共軸式帶推進器無人機。

油電混合動力無人機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計

油電混合動力無人機機體采用高比強度、高比剛度復(fù)合材料制成。復(fù)合材料的使用一方面減輕了整機重量；另一方面，復(fù)合材料擁有優(yōu)異的耐疲勞性能和耐介質(zhì)腐蝕性能，延長了機體壽命和無人機的維修間隔。同時，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、材料和工藝不斷改進，提高了無人機結(jié)構(gòu)強度、性能和效能，使運營成本下降。

所謂設(shè)計，是將人的某種目的轉(zhuǎn)換為一個具體的物體或工具。無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計是指，運用航空器結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)理論與技術(shù)方法，設(shè)計出滿足總體設(shè)計方案要求的無人機。無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計與所選用的結(jié)構(gòu)材料密切相關(guān)，而無人機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計分為兩個互相關(guān)聯(lián)的層次：結(jié)構(gòu)設(shè)計層次和材料設(shè)計層次。這是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計不同于金屬材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要特點之一。

無人機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點

油電混合動力無人機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計目標與通用結(jié)構(gòu)設(shè)計（如金屬材料）目標基本相同，但是復(fù)合材料在性能、失效摸式、耐久性和損傷容限機理，以及制造工藝、質(zhì)量控制等方面與金屬材料有顯著差異。無人機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計具有以下特點。

（1）材料性能的可設(shè)計性

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計已從各向同性材料（如金屬材料）結(jié)構(gòu)設(shè)計，轉(zhuǎn)化為單層基本力學性能為正交異性的鋪層剪裁優(yōu)化設(shè)計。充分利用復(fù)合材料性能可設(shè)計性的特點，選擇適當?shù)睦w維取向、鋪層比例和鋪層順序，發(fā)揮沿纖維方向的優(yōu)良性能優(yōu)勢，并避免使用弱橫向性能和剪切性能，即通過剪裁材料和優(yōu)化鋪層來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

（2）設(shè)計與制造一體化

為保證結(jié)構(gòu)成形與材料形成同時完成，復(fù)合材料部件的制造工藝方法選擇和質(zhì)量控制至關(guān)重要。一體化設(shè)計與制造技術(shù)可以實現(xiàn)設(shè)計和結(jié)構(gòu)組織的協(xié)同制造及流程協(xié)同，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量。結(jié)構(gòu)成形工藝方法不僅應(yīng)保證增強纖維取向、鋪層比例和鋪層順序達到設(shè)計確定的要求，還應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)尺寸和構(gòu)型對工藝設(shè)備、模具以及質(zhì)量穩(wěn)定的要求。

（3）材料的缺陷敏感性

復(fù)合材料對缺口、裂紋、分層等缺陷具有敏感性，復(fù)合材料破壞模式多樣，損傷擴展往往缺乏規(guī)律性。因此，設(shè)計值通常以初始缺陷/損傷對結(jié)構(gòu)的影響為基礎(chǔ)，并考慮結(jié)構(gòu)、載荷、破壞模型等按靜力覆蓋疲勞的原則而確定。針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，須注意對某些敏感區(qū)的局部鋪層設(shè)計，例如，連接區(qū)、局部沖擊、應(yīng)力集中點、開口附近等處的鋪層應(yīng)進行局部調(diào)整和加強；結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)外形的突變區(qū)須要設(shè)計鋪層過渡；采取相應(yīng)措施解決層壓復(fù)合材料的某些區(qū)域易產(chǎn)生分層，以及可能引發(fā)的結(jié)構(gòu)承載能力下降或失效的問題。

（4）結(jié)構(gòu)的整體性

復(fù)合材料具有整體化成形的優(yōu)點，可制造大型復(fù)雜部件。在無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在不增加工裝復(fù)雜程度的情況下，應(yīng)盡量減少零件數(shù)量而設(shè)計整體部件，如大型機翼整體壁板。這樣可不用緊固件或減少緊固件的數(shù)量，減輕結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)效率，并減少鉆孔、裝配和由孔引起的應(yīng)力集中等問題，以及降低制造成本。

（5）承載路徑的連續(xù)性

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件與金屬結(jié)構(gòu)件不同，除具有一定的形狀外，還具有不同的層級組織。為了保證結(jié)構(gòu)件中各元件之間的正常載荷傳遞路徑，蒙皮和桁、冀肋、翼梁等構(gòu)件之間，以及各構(gòu)件中的梁的緣條和腹板之間的承載路徑應(yīng)盡量連續(xù)。連接的形式和方法應(yīng)與傳遞載荷的性質(zhì)（拉壓、剪切等）和方向相適應(yīng)，盡量避免偏心和切口效應(yīng)。同一部件須要拼接時，其纖維取向也應(yīng)連續(xù)。

（6）良好的工藝性

無人機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)工藝性主要指固化成形工藝性和裝配工藝性。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮工藝分離面劃分、成形工藝方法和整體化成形的可行性。不同成形工藝方法，結(jié)構(gòu)工藝性考慮的重點不同。裝配工藝性設(shè)計考慮的重點在于配合精度、連接技術(shù)和組裝方法。為了保證制造出高質(zhì)量和低成本復(fù)合材料，在成形和裝配時，應(yīng)盡量避免可能出現(xiàn)的各種缺陷。

無人機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計過程

油電混合動力無人機綜合設(shè)計思想是，在最大限度滿足無人機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計實質(zhì)性要求的前提下，按照無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計各項基本要求及復(fù)合材料的特性，對結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行綜合評估，并將綜合評估的結(jié)果以權(quán)值方式融入無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計中。無人機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計過程大致分為4個階段。

（1）設(shè)計要求

無人機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足空氣動力學，強度、剛度和重量，結(jié)構(gòu)力學，最小重量，最短傳力路線，耐損性，使用維護和形狀尺寸等要求。

（2）材料設(shè)計

材料設(shè)計包括組分材料選用、結(jié)構(gòu)性能要求、工藝要求，使用環(huán)境要求，以及單層性能確定、層級組織設(shè)計等內(nèi)容。

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計包括結(jié)構(gòu)形式的確定、結(jié)構(gòu)打樣設(shè)計、零構(gòu)件設(shè)計和裝配圖設(shè)計等內(nèi)容。

（4）結(jié)構(gòu)驗證

實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件尺寸和變形控制，不僅要進行分析計算，更重要的是進行必要的工藝試驗，總結(jié)積累經(jīng)驗和教訓。在整個設(shè)計過程中，應(yīng)視不同階段進行相應(yīng)試驗，包括某些工藝試驗。其中復(fù)合材料試樣、零構(gòu)件、組件和部件4個層次驗證試驗，對保證復(fù)合材料滿足無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計要求非常重要。在無人機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的最后階段，還要進行損傷容限的評定，以保證結(jié)構(gòu)滿足完整性要求。

油電混合動力無人機復(fù)合材料組分設(shè)計

材料設(shè)計是無人機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，關(guān)系到結(jié)構(gòu)完整性、結(jié)構(gòu)效率、耐久性、工藝性和成本。油電混合動力無人機復(fù)合材料組分設(shè)計充分反映了復(fù)合材料的性能特點，以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)之間的顯著差異。

無人機復(fù)合材料組分設(shè)計是指，應(yīng)用已知理論與信息，通過計算，預(yù)報新材料的組分與性能，或者說，采用一種理論方法，設(shè)計具有特定性能的新材料方案。根據(jù)設(shè)計對象所涉及的空間尺度，材料組分設(shè)計可劃分為顯微結(jié)構(gòu)層次、原子分子層次和電子層次設(shè)計，以及綜合考慮各個層次的多尺度材料設(shè)計。從工程角度看，材料設(shè)計是依據(jù)產(chǎn)品所須材料的各項性能指標，利用各種有用理論知識和信息，建立相關(guān)模型，設(shè)計出能滿足預(yù)想要求的微觀結(jié)構(gòu)和性能的材料，以及材料生產(chǎn)工藝方法，以滿足特定產(chǎn)品對新材料的需求。

材料設(shè)計的目的是，按指定性能指標要求，確定材料成分或相的組合，按生產(chǎn)要求設(shè)計最佳的制備方法和工藝流程，以制造出滿足產(chǎn)品要求的各種材料。材料設(shè)計包括三方面內(nèi)容。

（1）材料各組分性能研究與設(shè)計

（2）材料使用性能預(yù)測設(shè)計

（3）材料成分結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計

無人機復(fù)合材料選材的基本要求

樹脂基體和增強纖維是無人機復(fù)合材料的主要組成。

復(fù)合材料選材的基本要求與金屬材料大體相同，但必須重點考慮復(fù)合材料特有的性能。選材應(yīng)按無人機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的具體使用部位（如主承力結(jié)構(gòu)還是次承力結(jié)構(gòu)）、承載和工作環(huán)境條件，選擇具有良好環(huán)境適應(yīng)性（耐濕熱、抗沖擊、耐介質(zhì)等）的復(fù)合材料品類型。所選材料的性能應(yīng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計性能要求相匹配，綜合考慮結(jié)構(gòu)完整性、強度、剛度、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)疲勞/耐久性，材料耐腐蝕性、熱性能、力學性能、工藝性、成本、使用經(jīng)驗、材料來源等因素而擇優(yōu)選材。 ■