先进复合材料在无人机上的应用及关键技术

李海超

（西安爱生技术集团公司，陕西 西安 710065）

1 先进复合材料在无人机上的应用优势

1.1 重量轻

不可否认，无论是在强度还是刚度等性能上，复合材料都比普通材料具有更大的优势，且复合材料的可塑性相对较强，目前已经在航空领域得到了非常重要的应用，例如在我国的民用飞机B-787中，其复合材料含量已经高达50%。其中，复合材料的重量轻是其得到广泛应用的重要优势之一。重量会在很大程度上限制飞机的整体性能。无人机的设计中虽然没有关于“人”的相关设备与装置，然而其增加了通信与控制中心的重量。与此同时，目前无人机的侦察方式已经由战术型向战略型转变，从而能够有效替代有人机，实现对区域的实时监控。减小无人机重量是提升无人机使用寿命、续航时间的重要措施。相较于有人机，设计人员无需顾虑人类的生理需求，只需最大程度提升飞机的航行时间即可，与铝合金相比，先进复合材料的强度竟高于其十倍，因此，高强度又轻巧的复合材料是满足无人机性能设计的最佳选择。

1.2 提升机体隐身能力

复合材料的应用能够在很大程度上提升机体的隐身能力。首先，由于聚合物不具有导电性，因此，其能够避免探测波散射场的形成；其次，复合材料的应用对于结构与功能有效结合来说起着非常重要的作用，例如通过对结构型隐身材料的应用，能够大大降低机体对雷达探测波的反射；最后，复合材料的应用可以实现机体的整体性，从而通过光滑、一体化的结构设计达到隐身的目的，避免接缝、钉子等不光滑设计导致对探测波的散射。总而言之，这些设计有效提升了无人机的隐蔽性。

1.3 使用寿命长

相较于有人机，无人机的存储时间应该更长，因此，这要求制造材料需要具有较强的防腐蚀性、刚度以及强度等。与一般材料相比，复合材料的性能则更加优异，例如环氧基体，这是在无人机中应用最为广泛的材料之一，其具有非常强大的抗酸性、耐碱性以及抗溶性等，且强度与刚度等性能也远高于普通金属材料，例如碳纤维复合材料的密度仅为钢的五分之一，但强度却是其五倍，是铝的四倍。大量使用复合材料能够大大减少飞机的日常维护费用，降低金属腐蚀概率，从而有效提升无人机的使用寿命。

1.4 减震性能好

当材料的比模量平方根越大，则飞机的自身频率也越高。相较于普通金属，复合材料的自振频率相对较高。与此同时，由于其聚合物与纤维结构间具有强大的振动阻尼作用，在相同的作用力条件下，复合材料能够在更短的时间内停止振动，这能够在很大程度上确保机体的平稳性，达到良好的减震作用。尤其对于部分体积相对较大的无人机，复合材料的减震性能则更为显著。因此，复合材料的应用对于无人机的减震来说起着非常重要的作用，其能够有效减少震动，避免不必要的设备损坏，减小机体结构的受力与荷载，最大程度提升无人机的使用寿命。

2 先进复合材料在无人机上的应用技术

2.1 低成本复合材料技术

在无人机的技术研发中，由于其无需考虑“人”的作用，因此，其在技术应用方面的局限性更少，相关技术也更加先进。在最初，复合材料的生产难度较大，且成本较高，这在很大程度上阻碍了复合材料的进一步推广应用。然而低成本复合材料技术的研发有效扩大了复合材料应用范围，使其成为目前无人机上应用最为广泛的材料。根据西科斯基公司的研发成果表明，通过知识工程、结构数字化设计等技术生产出来的复合材料，其成本更低，甚至只有原来的50%。另外，低成本的成型技术也是有效降低无人机造价的主要手段之一，例如美国Aurora公司的热压罐成型法，其就通过2.4米的直径与7.8米的长度，制造出了“全球鹰”的大型结构。然而该种方法也不可避免存在一定的缺点，该项技术的成本较高、消耗较大，且还会在很大程度上受到成型设备形状的影响，尤其对于部分体积较大的零部件，例如机翼等，因此，一些已经成型的热压罐则远远无法满足其生产需求。目前，我国的复合材料生产主要有固化电子束成型、液态成型等方式，电子束成型法即通过电子束与纤维同时作业，一边固化，一边缠绕，从而达到成型的目的。近些年来，我国低成本复合材料的重点主要在于研发低造价的纤维与树脂材料，例如低（80～90℃）、中（120℃）温的树脂材料的应用，如表1所示，其不仅能够在很大程度降低材料成型时的耗能，且原材料、工具的价格也相对较低，从而有效提升零部件的设计精度，减小产品成型过程中的受力。

表1 部分低温固化复合材料的应用

2.2 一体化制造技术

目前，国际上的无人机一般都使用翼身一体化结构，其中包括“全球鹰”、“神经元”等非常知名的机型。美国自上个世纪80年代后便开始专注于翼身结构的研究，当时其重点以有人机为研究对象。复合材料的应用有助于无人机的一体化设计，例如V-47A，如图1所示，其机翼与机身都能够长达8.5米，且整体形状呈现为“菱形”，且整块材料以中心线作为分割点分成四块，整体光滑，这在很大程度上减弱了雷达的反射区域，并达到明显的隐身、减重与降低成本的目的。目前，无人机的一体化设计一般通过固化、胶接等方式进行，例如在机翼盒段的制造中，其将翼梁和下蒙皮进行固化，而上蒙皮则利用泡沫夹层提升机翼的抗压能力与稳定性，在生产过程中，相关的设计人员尤其应该重视各大零部件的受力问题。

2.3 隐身设计

无人机机身的雷达吸波材料主要有涂敷型与结构型两大种类。结构型材料可以吸收雷达波的频率范围相对较广，且其承载能力也相对较强，目前该种材料已经受到了设计人员的高度重视。反之，涂敷型材料吸收的雷达波频率范围相对较小，且重量较大，使用寿命较短，维护工作的费用与精力也相对较大。相较于普通金属，复合材料能够有效降低雷达波散射场的形成，进一步实现隐身的目的。除此之外，设计人员还可以在材料中添加纳米材料，使其承载能力提升，且增强隐身效果。在无人机的夹层材料中，其总共有三层，包括透波层、吸收层以及反射层。吸收层主要是由混杂纤维、粒子等材料形成，或者是由波纹板的格栅结构组成，其在美国B-2战斗机中就发挥了非常良好的隐身作用。另外，复合材料与RCS外形的结合能够将无人机的隐身性能发挥到极致，其能够有效减小隐身设计对机身造成的重量压力，例如在军事无人机中，其就通过飞翼型结构，利用复合材料的大面积成型，最大程度减小零部件的接缝区域，在重量不增加的前提条件下，最大程度实现隐身的目的。并且利用创新型的设计，有效提升了材料的利用效率。

2.4 先进连接技术

虽然复合材料能够在一定程度上实现大面积成型，然而在实际的生产过程中，是不可能实现无人机的整体成型的，因此，为了运输、生产方便，其往往通过零部件生产，再组装，实现无人机的制造，所以，零部件之间的组装与连接则不可避免。根据相关调查数据显示，无人机60%～80%的结构损坏主要产生于衔接位置，尤其复合材料的应用，弱化了紧固件的作用。而在机体设计中，部分零部件之间的衔接位置需要承载很大的压力，因此，加强对这些区域连接显得尤为重要。目前，我国复合材料主要通过胶接、机械连接以及混合连接三类方式进行连接。在一般情况下，胶接的承载能力相对较弱，而机械连接则更强。当下，我国主要通过间隙连接的方式进行复合材料的组装，然而该种方式效率不高，且连接处受力较为集中，应力分布也不均匀。在无人机应用时，极其容易由于撞击而导致结构产生损坏，因此，其要求相关的设计人员需要采取更加先进的连接技术。从而提升复合材料的承载能力与机体的使用寿命。在上个世纪80年代后，国际上众多公司都对连接技术进行了相关的研究，根据研究结果显示，利用干涉连接，能够有效改善连接区域的疲劳状态，并实现对应力的合理分布，大大提升无人机的使用寿命。

图1 V-47A“天马”无人作战飞机

3 结论

综上所述，先进复合材料的应用对于无人机的改进来说起着非常重要的作用，因此，这要求航天公司加强对复合材料与相关技术的探究，提升其应用水平。另外，相关设计人员还应该加强技术突破，使得无人机能够在更加严峻、苛刻的环境下，发挥良好的作用，全面提升无人机的整体性能。