无人机结构用复合材料及其制造技术综述

摘要：在无人机制造方面，复合材料等先进材料的应用比例不断加大。基于这种认识，本文对无人机结构用复合材料及其制造技术进行了综述，从而为关注这一话题的人们提供参考。

关键词：无人机结构；复合材料；材料制造技术

作为拥有热膨胀系数小、可设计性强、抗疲劳能力强、比刚度高等诸多优势的材料，复合材料在无人机结构设计与制造中得到了较好的应用。面对复合材料应用日渐广泛的发展趋势，还要加强无人机结构用复合材料及其制造技术的研究，以便更好的了解该种材料。

1 无人机结构用复合材料综述

1.1 侦察/监视无人机结构用复合材料

侦察/监视无人机结构设计有较高的减震性、耐疲劳性、比强度、比刚度要求，而复合材料的使用能够满足这些要求。例如，美国的“大乌鸦”无人机机身采用Kevlar纤维增强复合材料制造，具有较强的抗冲击性、强度和刚度，可供排级部队用于战地侦察。现阶段，全球飞行时间最长、距离最远的无人侦察机为美国空军“全球鹰”，总体结构的65%为先进复合材料，除机身主体结构为铝合金，包含机翼、尾翼等结构在内均采用石墨/环氧复合材料，后机身等部分采用碳纤维/环氧复合材料。美国“捕食者”结构总量92%为碳纤维织物/Nomex蜂窝夹芯结构加筋壁板，内部的碳纤维梁等结构可以保证结构刚度。我国的“翔龙”无人侦察机机身尾部装有ACM发动机机舱，机身曲线光滑、连续，隐身性能良好[1]。而ASN105B无人侦察机机体结构基本为玻璃钢材料，为国内第一款使用复合材料的大型无人机。

1.2 无人战斗机结构用复合材料

无人战斗机大量采用了碳纤维复合材料，以降低结构质量。美国的X47A“飞马”无人攻击机为高度翼身融合且无垂尾的UAV，除机体部分接头采用铝合金，其余结构均采用先进复合材料，被稱之为全复合材料飞机。英国的高科技隐形UAV“雷电之神”造价2.5亿美元，曾经承担深入阿富汗进行纵深打击的任务。“雷电之神”机身除主梁与发动机机舱外，全部采用石墨、碳纤维等复合材料。由欧洲多国联合开发的“神经元”无人机以金属为骨架，外部大量使用碳纤维/环氧树脂等ACM，可探测性较低。

1.3 民用无人机结构用复合材料

在民用无人机领域，我国小型无人机属于世界领先地位。机体以碳纤维复合材料为主，能够在复杂地形作业，用于农田边界测绘等。美国“赫利俄斯”太阳能全复合材料民用无人机采用了先进轻质高强复合材料，飞行时能够使机翼小幅度变形，其主体结构全部为碳纤维/环氧复合材料，曾经连续飞行长达17小时，创造了无人机飞行记录。

2 无人机结构用复合材料制造技术综述

2.1 传统制造技术

在无人机结构用复合材料制造方面，传统制造方法主要包含热压罐成型、模压成型和真空袋成型等。采用热压罐成型制造技术，费用较为昂贵，但成型构件质量好。如美国“全球鹰”就是采用该种制造技术，利用Nomex芯材在121℃下进行热压罐固化成型，以实现机翼制造。采用真空袋成型制造技术，可以减少投资，并且操作便利，但是成型质量标准不高，所以主要在民用无人机结构制造上得到应用。模压成型制造对上述两种技术进行了兼顾，国内中型无人机机翼和尾翼采用该种制造技术进行玻璃钢蒙皮泡沫夹芯结构制造，可以保证翼形精度和外观质量。

2.2 整体化制造技术

复合材料之所以能够在无人机结构上得到应用，主要是由于材料具有大面积整体成型优势。因此在材料制造技术上，整体化制造技术成为了材料发展的关键技术。利用该技术，可以通过缩短制造周期和减少装配费用降低成本，并通过减少零件、紧固件减轻结构重量，此外也能通过形成光滑复杂曲面实现隐身功能。现阶段，采用整体化制造技术，需要通过共固化、胶接等技术，同时配合采用纤维铺设成型工艺技术。

2.3 低成本制造技术

从国外无人机结构制造上来看，采用的复合材料大多占据机体结构总重的80%以上。大量使用复合材料，就需要完成低成本、高效的复合材料制造技术的研发，以满足项目经济性要求。从先进复合材料构件成本来看，材料费仅占20%左右，制造费却占据70%左右，因此需要研发低成本制造技术。而低温成型技术近年来作为低成本制造技术得到了广泛使用，其能在6080℃范围内进行低温聚合树脂的固化成型，成型产品性能与120180℃固化产品相当，因此在波音无人机等无人机结构制造中得到了运用，可以降低制造成本40%。

2.4 3D打印制造技术

不同于传统机械加工制造技术，3D打印制造技术被称之为增材制造技术，以数字模型文件为基础，利用丝、块、粉等形状的塑料或金属，通过粘合材料或热源进行逐层堆叠累积，从而完成物体构造[2]。SULSA为世界第一架采用3D打印制造技术得到的无人驾驶飞机，参照最新无人机实现了基本配置，飞行时速能够达到160km/h，而SULSA的机身、机翼等结构完全采用ABS塑料打印制成。已经成功试飞，成为了无人机制造进入3D打印时代的标志。此外，洛马P175无人机也采用3D打印技术进行结构制造，利用激光对碳纳米管和基体粉末进行烧结成型，以得到复合材料结构成型机体。

3 结论

通过研究可以发现，在无人机结构设计与制造中，复合材料已经得到了广泛应用，能够满足无人机制造的长航时、隐身功能等需求。而伴随着复合材料制造技术的发展，无人机结构制造成本和各种高性能要求将能得到满足，继而使复合材料在无人机结构上得到更好的应用。

参考文献：

[1]袁立群，单杭英，杨忠清，等.复合材料在无人机上的应用与展望[J].玻璃纤维，2017（06）：3036.

[2]骆晨，刘明，张艺莹，等.环境因素对长航时无人机机体结构复合材料的影响[J].装备环境工程，2017，14（11）：3336.

作者简介：张恩奋（1989），男，汉族，广东佛山人，机械结构工程师，研究方向：飞行器及挂载的结构设计及优化。