高空長航時無人機平臺是我國急待發(fā)展的重大軍事裝備項目。與金屬材料相比，樹脂基復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)重量輕、復(fù)雜或大型結(jié)構(gòu)易于成型、設(shè)計空間大、比強度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)小等諸多優(yōu)點。將復(fù)合材料直接應(yīng)用于無人機結(jié)構(gòu)上對減輕空機身重量、增加有效載荷、提高安全性和隱身性具有重要的作用。
縱觀國外無人機（包括中、高空無人偵察機、無人作戰(zhàn)飛機等），無一例外地大量使用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，有些甚至是全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，因此以復(fù)合材料為核心的無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計/ 制造技術(shù)是影響無人機發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。
復(fù)合材料在無人機上的應(yīng)用
1、復(fù)合材料在無人機上應(yīng)用
復(fù)合材料在無人機上應(yīng)用的優(yōu)點與有人飛機相比，無人飛機（UAV）在機體結(jié)構(gòu)設(shè)計中既不需要考慮機動飛行過程中人的生理承受能力限制，也不需要因為特別強調(diào)人的生存性而對隱身及抗彈傷能力的結(jié)構(gòu)和材料作特殊考慮。不過由于無人機機載設(shè)備技術(shù)先進(jìn)，要求高，因此也要求無人機有相當(dāng)好的機體結(jié)構(gòu)性能，這使無人飛機在結(jié)構(gòu)選材上具有一些有別于有人飛機的新特點。無人機遂行任務(wù)的特殊性，也使其成為采用新型結(jié)構(gòu)材料的極好的平臺。
和傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料具有比強度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、抗疲勞能力和抗振能力強的特點，將它應(yīng)用于無人機結(jié)構(gòu)中可以減重25％ ~30％。據(jù)統(tǒng)計，目前世界上各種先進(jìn)無人機的復(fù)合材料用量一般占機體結(jié)構(gòu)總重的60％ ~80％，復(fù)合材料的總用量可達(dá)90％以上。在無人機上大量采用復(fù)合材料的益處是多方面的。
首先，復(fù)合材料本身具有可設(shè)計性，在不改變結(jié)構(gòu)重量的情況下，可根據(jù)飛機的強度剛度要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；在設(shè)計制造技術(shù)上滿足了大多數(shù)無人機在高度翼身融合結(jié)構(gòu)所需的大面積整體成形這一特點。其次，聚合物基復(fù)合材料具有特殊的電磁性能，改性后有希望滿足無人機結(jié)構(gòu)/ 功能一體的高隱身技術(shù)要求。復(fù)合材料的耐腐蝕性能，可滿足無人機惡劣環(huán)境下長儲存壽命的特殊要求，降低使用維護(hù)的壽命周期成本。
再次，復(fù)合材料易植入芯片或合金導(dǎo)體形成智能材料、結(jié)構(gòu)。目前，復(fù)合材料在無人機領(lǐng)域已成為主要結(jié)構(gòu)材料，如碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、蜂窩夾層復(fù)合材料等。通常，無人機除機身的龍骨、梁和隔框、起落架等結(jié)構(gòu)件采用鋁合金外，機翼、尾翼及各種天線罩、護(hù)板、蒙皮等結(jié)構(gòu)件均大量使用復(fù)合材料。另外，在中小型無人機上，木質(zhì)材料、輕型塑料、塑料薄膜等非金屬材料也得到大量使用。復(fù)合材料的應(yīng)用對無人飛機結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、小型化和高性能化已經(jīng)起到了至關(guān)重要的作用。
2、復(fù)合材料在高空長航時無人機上應(yīng)用
“全球鷹”作為世界上最為著名的高空長航時無人偵察機，是由美國諾斯羅譜· 格魯門公司為美空軍研制的，由沃特（Vought）飛機工業(yè)公司生產(chǎn)。其采用大展弦比下單翼，細(xì)長機身，V 形尾翼，前三點起落架布局，機翼1/4 弦長處后掠5°54′，V 形尾翼（上反角50°）。復(fù)合材料機翼長達(dá)35m，復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的65％。沃特（Vought）飛機工業(yè)公司生產(chǎn)改進(jìn)型“全球鷹”RQ-4B 飛機機翼時，使用了商用復(fù)合材料和環(huán)氧材料。新機翼更增至39.9m，重約1814kg?！叭蝥棥钡幕顒影霃綖?500km，航程26000km，續(xù)航時間達(dá)到42h，實用升限19.8km，整機起飛重量11640kg，燃油重量6727kg，超過總重量的一半，具有從美國本土起飛對全球任何地點進(jìn)行戰(zhàn)略偵察和戰(zhàn)術(shù)偵察的能力，是目前世界上最先進(jìn)的高空長航時無人偵察機，它代表了目前高空長航時無人機發(fā)展的水平和趨勢。
中國“翔龍”無人機2006 年珠海航展上首次亮相。由成都飛機工業(yè)公司制造，初期采用金屬機翼，翼展25m，機身長度14.3m，巡航速度750km/h，最大任務(wù)載荷650kg，最大續(xù)航時間9.3h。
可以看出：“全球鷹”無人機的航程是“翔龍”的3 倍，翼展較“翔龍”多10m，任務(wù)載荷多250kg。比較國內(nèi)、外高空長航時無人機各項性能指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)：影響我國無人機性能的關(guān)鍵是設(shè)計制造并使用大展弦比復(fù)合材料柔性機翼。根據(jù)使用環(huán)境（通常高空）和性能要求（通常續(xù)航時間大于24h 和一定的任務(wù)載荷），高空長航時無人機需要攜帶盡量多的燃油（可以提高航程）和使用大展弦比柔性機翼（可以提高升力）。利用樹脂基復(fù)合材料密度小、比強度、比剛度大和可剪裁的優(yōu)點，可以設(shè)計出大展弦比柔性機翼；利用復(fù)合材料整體化設(shè)計/ 制造技術(shù)，可以在機翼上設(shè)置整體油箱，提高無人機的續(xù)航時間和航程。由此可見，無人機大展弦比復(fù)合材料柔性機翼整體化設(shè)計/制造技術(shù)是提高我國高空長航時無人機各種性能，特別是高空、長航時性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。
3、復(fù)合材料在攻擊無人機上應(yīng)用
美國已經(jīng)開始以X-45A、X-47A的概念驗證基礎(chǔ)上發(fā)展空／海軍通用的無人戰(zhàn)斗機。為了盡可能地降低結(jié)構(gòu)重量，無人戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)的一個顯著特點就是大量應(yīng)用復(fù)合材料，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過有人戰(zhàn)斗機的應(yīng)用水平。
波音公司X-45A 翼展10.3m，弦長8m，空重3640kg，搭載有效載荷的能力為680kg。復(fù)合材料占X-45A結(jié)構(gòu)重量的45％。其機身由高速切削的鋁合金龍骨、梁及隔框覆以復(fù)合材料蒙皮構(gòu)成。將美國先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)開發(fā)的LTM45EL 長壽命機織碳／環(huán)氧低溫固化預(yù)浸帶采用鋪層方式制造蒙皮、進(jìn)氣道及艙門，工裝由Janicki 工業(yè)公司提供。低溫固化預(yù)浸料的固化應(yīng)用了該公司的兩個船形模具。該機身上部蒙皮約9m×3.7m，被鋪成一個整體件，而下部蒙皮則被加工成兩個4.5m×3.7m的部分。噴管部分的上、下蒙皮將分別采用Cytec 公司的BMI-5250.4 碳纖維／雙馬樹脂制造。它的固化溫度范圍處于177℃ ~204℃，使用溫度在59℃ ~204℃之間。依據(jù)美國國防部合同，波音獲準(zhǔn)放棄X-45B 的開發(fā)，將該項目的有效載荷、航程及目標(biāo)并入目前正在開發(fā)的J-UCAS 計劃中的X-45C，X-45C 弦長11m，翼展14.6m，飛行重量達(dá)l5900kg。
先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在國外無人機上得到了廣泛的應(yīng)用，為復(fù)合材料的發(fā)展迎來了嶄新的發(fā)展機遇。國內(nèi)先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在無人機上的應(yīng)用才剛剛開始，積極地開展復(fù)合材料在無人機上各種關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用，必將推動無人機各項性能指標(biāo)邁上一個新臺階。
