无人机复合材料设计制造关键技术

刘利江　张立健　刘本胜　李磊

【摘 要】针对复合材料在无人机上的应用，进行了简要介绍，并结合无人机的结构特点详细说明无人机设计与制造的关键技术。通过查阅相关的文献和资料，了解复合材料在无人机上应用的研究现状，叙述了复合材料在无人机上的应用前景，并对复合材料在设计制造加工中遇到的技术难点进行说明。

【关键词】无人机；复合材料；设计；制造

中图分类号： V229.7 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）08-0047-002

【Abstract】This paper briefly introduces the application of composite materials on drones，and describes the key technologies of drone design and manufacture in combination with the structural features of drones.By reviewing the relevant literature and data，the research status of the application of composite materials in drones is described，the application prospects of composite materials on drones are described， and the technical difficulties encountered in the design， manufacture and processing of composite materials are described.

【Key words】UAV；Composites；Design Manufacturing

0 导言

众所周知，现阶段无人机在许多国家中的多个领域的应用十分广泛，尤其在军事领域的应用。作为无人飞行员驾驶的飞机，可以通过地面指挥中心实现对无人机的控制，完成复杂危险的军事任务，无人机发挥了十分重要的作用。在无人机的应用领域，如何提高无人机的机动性能、续航能力以及无人机的使用周期是较为关键的技术问题。传统的无人机制造材料体积较大、重量大、使用周期短，导致无人机的使用性能差，续航能力不够，无法满足现代战争的需求。随着复合材料在工业领域的应用越来越广泛，研究人员尝试将复合材料应用到无人机的设计制造过程中，并取得了良好的应用效果。

复合材料具有密度小、质量轻、强度高、抗疲劳能力强、硬度高等优点，且复合材料的可设计性较强，无人机的空气动力学技术可以通过复合材料所独具的优点实现，此外，复合材料的表面可以十分容易的涂抹隐身材料，在制造隐形无人机方面具有独特的优势。此外，由于复合材料的优势，还可以在复合材料中植入相应的传感器用于检测无人机的形变、温度等数据，更好的监测无人机的状态。由于复合材料具有上述优点，因此，本文针对复合材料在无人机中的应用进行详细介绍。

1 无人机研究现状

无人机在设计时不用考虑人的因素，通常无人机的设计只需考虑空气动力学的影响，因此无人机在设计时对飞机机身的温度和强度要求较低，只需满足飞机正常飞行时的要求即可。由于复合材料的质量较轻，无人机在执行任务时机身承受的负载较小，飞行所需的动力较小，机身可以根据需求安装更大的油箱，储存更多的燃油，因此，使用先进复合材料制造的无人机的续航能力较强。无人机在军事领域的应用最为广泛，英国是最早开展无人机研究的国家，目前世界上有超过50个国家在研究并使用无人机，其中无人机技术应用最成熟的是美国，美国拥有二十多种无人机型号，最著名是代号为全球鹰（Global Hawk）的无人机。除此之外，美军还拥有多种小型无人机，用于支援特殊部队的作战。

我国研究无人机的时间较短，仅仅四十多年，但我国无人机的技术却并不落后，长虹高空高速无人机的研制成功，代表我国无人机事业的巨大进步。近几年，我国又成功研发了“翼龙”、“翔龙”等无人机，又进一步提高了我国在无人机领域的地位。除了在军事领域的应用，在民用方面，国内大疆科技的无人机技术最为成熟，除了用于航拍的多旋翼无人机外，用于生态环境监测、农田管理、农药喷洒的无人机也广泛应用在生态、农业等领域。

2 复合材料在无人机上的应用

为了满足军事上的需求，无人机的材料由传统的金属材料逐步向复合材料发展，无人机在执行任务时，通常周围的环境比较恶劣，此外还要防止敌方对无人机的攻击，无人机需要有一定的自我保护能力。为了满足无人机执行军事任务的需要，复合材料在无人机上的应用越来越广泛。据统计，现在无人机机身上使用的复合材料占机身总质量的百分之五十以上，最高可达百分之九十。图1为“全球鹰”无人机上由复合材料制造的天线外罩。

复合材料的可设计行较强，设计人员可按照无人机的设计意图优化无人机的结构，在飞机机翼上可根据复合材料良好的性能实现一次成型。其次，由于復合材料特殊的电磁性能，无人机在与地面指挥中心通讯的过程中也大大提高了无人机的抗干扰能力，复合材料的特殊性能使无人机可长期工作在复杂恶劣的环境中。复合材料内部可植入智能芯片或传感器，无人机各个部位的状态信息可通过芯片被监测到，保证地面指挥中心可以实时了解无人机的状态。地面指挥中心根据无人机的运行状态对无人机发送指挥命令，使无人机按照地面指挥中心的命令执行任务。无人机的控制系统要由控制系统中的任务系统、数据处理系统和协同作业系统组成，任务系统、数据处理系统和协同作业系统又分别由其各自子系统构成，经过若干级的划分，最终由无人机系统中底层的执行单元负责控制系统指令执行的任务。无人机最重要的功能就是根据人的需要执行任务。数据处理系统是根据传感器采集的数据信息进行实时处理，并根据数据处理结果把数据处理后的执行命令下发到无人机的各个执行件中，保证无人机的各个执行件按照技术人员的设计和数据处理系统对数据的处理结果实时控制无人机按照设定的模式运行，保证无人机的运行不受外界环境的干扰。

3 复合材料设计/制造关键技术

由于无人机不需要飞行员的驾驶，因此，以复合材料制造的无人机不需要考虑飞行员的安全，可适当降低无人机设计时使用材料的安全系数，只需根据空气动力学设计相应的结构，使无人机按照相应的军事任务，在复杂恶劣的环境中维持自身系统和结构的稳定性即可。同时不考虑人员设计的情况下，可适当根据使用需求扩大无人机内部的使用空间，更换更大的油箱，提高无人机的续航能力。

无人机最关键的部位时机翼部位，为了保持无人机飞行的稳定性，无人机的机翼一般设计较长，机翼与机身的连接位置在无人机飞行时受力复杂，当无人机受到外界环境中的较大载荷时，极易因受到冲击而发生断裂，因此，对无人机机翼的設计是众多科研人员研究的重点内容。此处的结构设计需结合复合材料本身的特性，并结合无人机在飞行时的受力情况，从多个方面对结构进行优化设计，如拓扑形状优化、尺寸优化，且此优化设计是结合了材料、空气动力学等多个学科的知识实现的。

无人机的机身一体结构可以提高无人机的机动性能，但由于无人的体积较大，机身部位曲面形状较复杂，任何一个部位小的缺陷可能导致无人机整体性能受到影响。因此，实现无人机机身结构的一体化，并且保证整体结构的完整性，在无人机制造时需要针对不同的材料进行各项数据的整合，得出材料随结构变化的规律，并提出控制复合材料变形的关键技术点，并设计相应的补偿算法，实现对无人机整体结构精度的控制。针对不同无人机的结构特点，利用CAD/CAM技术实现对无人机结构的静力学和动力学分析，进一步在实际测试过程中对无人机结构进行实验验证，保证无人机在实际应用过程中按照预期的设计目标运行。

现代战争对无人机的隐身性能提出越来越高的要求，将隐身材料和先进复合材料结合起来，制造性能优越、隐身性能好的无人机是未来无人机领域研究的重点方向。首先将隐身材料和复合材料结合制造无人机的主体结构，再针对容易被捕捉到的结构细节进行优化设计，从材料和结构两个方面实现对无人机隐身性能的提升。复合材料的特殊性能提高了无人机与地面控制中心通讯的抗干扰能力，保证了地面实时对无人机的控制不受电子干扰系统的干扰，大大提高了无人机的作战性能。

4 结束语

复合材料在无人机中的应用不仅降低了无人机的成本，也提高了无人机的性能，对于复合材料在无人机领域的研究不仅促进了材料领域的发展，也带动机械设计制造技术的进步，研究无人机技术和复合材料技术对国家在将来占领无人机产业具有十分重要的意义。复合材料在无人机领域的使用价值、研究价值和应用前景也促使各个国家在无人机领域进行不断的投入，保证各自在复合材料领域和无人机领域的先进性。本文结合复合材料在无人机领域的研究现状和关键技术进行详细的描述，对无人机技术、复合材料技术、机械加工技术的结合应用做了详细的剖析，相信随着各科技术的发展，未来复合材料在无人机领域的应用将会更加广泛。

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