無人機結構用復合材料及其制造技術綜述

摘要：在無人機制造方面，復合材料等先進材料的應用比例不斷加大。基于這種認識，本文對無人機結構用復合材料及其制造技術進行了綜述，從而為關注這一話題的人們提供參考。

關鍵詞：無人機結構；復合材料；材料制造技術

作為擁有熱膨脹系數小、可設計性強、抗疲勞能力強、比剛度高等諸多優勢的材料，復合材料在無人機結構設計與制造中得到了較好的應用。面對復合材料應用日漸廣泛的發展趨勢，還要加強無人機結構用復合材料及其制造技術的研究，以便更好的了解該種材料。

1 無人機結構用復合材料綜述

1.1 偵察/監視無人機結構用復合材料

偵察/監視無人機結構設計有較高的減震性、耐疲勞性、比強度、比剛度要求，而復合材料的使用能夠滿足這些要求。例如，美國的“大烏鴉”無人機機身采用Kevlar纖維增強復合材料制造，具有較強的抗沖擊性、強度和剛度，可供排級部隊用于戰地偵察。現階段，全球飛行時間最長、距離最遠的無人偵察機為美國空軍“全球鷹”，總體結構的65%為先進復合材料，除機身主體結構為鋁合金，包含機翼、尾翼等結構在內均采用石墨/環氧復合材料，后機身等部分采用碳纖維/環氧復合材料。美國“捕食者”結構總量92%為碳纖維織物/Nomex蜂窩夾芯結構加筋壁板，內部的碳纖維梁等結構可以保證結構剛度。我國的“翔龍”無人偵察機機身尾部裝有ACM發動機機艙，機身曲線光滑、連續，隱身性能良好[1]。而ASN105B無人偵察機機體結構基本為玻璃鋼材料，為國內第一款使用復合材料的大型無人機。

1.2 無人戰斗機結構用復合材料

無人戰斗機大量采用了碳纖維復合材料，以降低結構質量。美國的X47A“飛馬”無人攻擊機為高度翼身融合且無垂尾的UAV，除機體部分接頭采用鋁合金，其余結構均采用先進復合材料，被稱之為全復合材料飛機。英國的高科技隱形UAV“雷電之神”造價2.5億美元，曾經承擔深入阿富汗進行縱深打擊的任務?！袄纂娭瘛睓C身除主梁與發動機機艙外，全部采用石墨、碳纖維等復合材料。由歐洲多國聯合開發的“神經元”無人機以金屬為骨架，外部大量使用碳纖維/環氧樹脂等ACM，可探測性較低。

1.3 民用無人機結構用復合材料

在民用無人機領域，我國小型無人機屬于世界領先地位。機體以碳纖維復合材料為主，能夠在復雜地形作業，用于農田邊界測繪等。美國“赫利俄斯”太陽能全復合材料民用無人機采用了先進輕質高強復合材料，飛行時能夠使機翼小幅度變形，其主體結構全部為碳纖維/環氧復合材料，曾經連續飛行長達17小時，創造了無人機飛行記錄。

2 無人機結構用復合材料制造技術綜述

2.1 傳統制造技術

在無人機結構用復合材料制造方面，傳統制造方法主要包含熱壓罐成型、模壓成型和真空袋成型等。采用熱壓罐成型制造技術，費用較為昂貴，但成型構件質量好。如美國“全球鷹”就是采用該種制造技術，利用Nomex芯材在121℃下進行熱壓罐固化成型，以實現機翼制造。采用真空袋成型制造技術，可以減少投資，并且操作便利，但是成型質量標準不高，所以主要在民用無人機結構制造上得到應用。模壓成型制造對上述兩種技術進行了兼顧，國內中型無人機機翼和尾翼采用該種制造技術進行玻璃鋼蒙皮泡沫夾芯結構制造，可以保證翼形精度和外觀質量。

2.2 整體化制造技術

復合材料之所以能夠在無人機結構上得到應用，主要是由于材料具有大面積整體成型優勢。因此在材料制造技術上，整體化制造技術成為了材料發展的關鍵技術。利用該技術，可以通過縮短制造周期和減少裝配費用降低成本，并通過減少零件、緊固件減輕結構重量，此外也能通過形成光滑復雜曲面實現隱身功能?，F階段，采用整體化制造技術，需要通過共固化、膠接等技術，同時配合采用纖維鋪設成型工藝技術。

2.3 低成本制造技術

從國外無人機結構制造上來看，采用的復合材料大多占據機體結構總重的80%以上。大量使用復合材料，就需要完成低成本、高效的復合材料制造技術的研發，以滿足項目經濟性要求。從先進復合材料構件成本來看，材料費僅占20%左右，制造費卻占據70%左右，因此需要研發低成本制造技術。而低溫成型技術近年來作為低成本制造技術得到了廣泛使用，其能在6080℃范圍內進行低溫聚合樹脂的固化成型，成型產品性能與120180℃固化產品相當，因此在波音無人機等無人機結構制造中得到了運用，可以降低制造成本40%。

2.4 3D打印制造技術

不同于傳統機械加工制造技術，3D打印制造技術被稱之為增材制造技術，以數字模型文件為基礎，利用絲、塊、粉等形狀的塑料或金屬，通過粘合材料或熱源進行逐層堆疊累積，從而完成物體構造[2]。SULSA為世界第一架采用3D打印制造技術得到的無人駕駛飛機，參照最新無人機實現了基本配置，飛行時速能夠達到160km/h，而SULSA的機身、機翼等結構完全采用ABS塑料打印制成。已經成功試飛，成為了無人機制造進入3D打印時代的標志。此外，洛馬P175無人機也采用3D打印技術進行結構制造，利用激光對碳納米管和基體粉末進行燒結成型，以得到復合材料結構成型機體。

3 結論

通過研究可以發現，在無人機結構設計與制造中，復合材料已經得到了廣泛應用，能夠滿足無人機制造的長航時、隱身功能等需求。而伴隨著復合材料制造技術的發展，無人機結構制造成本和各種高性能要求將能得到滿足，繼而使復合材料在無人機結構上得到更好的應用。

參考文獻：

[1]袁立群，單杭英，楊忠清，等.復合材料在無人機上的應用與展望[J].玻璃纖維，2017（06）：3036.

[2]駱晨，劉明，張藝瑩，等.環境因素對長航時無人機機體結構復合材料的影響[J].裝備環境工程，2017，14（11）：3336.

作者簡介：張恩奮（1989），男，漢族，廣東佛山人，機械結構工程師，研究方向：飛行器及掛載的結構設計及優化。