复合材料泡沫夹芯结构在小型无人机中的应用

王丹 李俊斌 孟要伟

摘 要 无人机具有零生命损伤、操作灵活、功能多样、环境适应性强等优势，在社会各领域发挥着重要作用。小型无人机具有风险低、重量轻、总体尺寸小等特点，这对其结构提出了保证性能、控制成本的设计要求。复合材料泡沫夹芯结构能够在保证结构承载的前提下，最大程度減轻结构重量，同时在工艺方面具有一体化成型的成本优势。本文对泡沫夹芯结构的结构特点、性能优势、材料选择、成型工艺进行重点介绍，并探究了泡沫夹芯结构在小型无人机结构中的应用，为小型无人机机体结构设计提供参考。

关键词 小型无人机；复合材料；泡沫夹芯；结构设计

Application of Composite Foam Sandwich

Structure in Small Drone

WANG Dan， LI Junbin， MENG Yaowei

（AVIC Xian Aircraft Industry Group Co.，Ltd.，Xian 710000）

ABSTRACT Drones have played an important role in various fields of society as for the advantages of zero life damage， flexible operation， diverse functions and strong environmental adaptability. Small drones have the characteristics of low risk， light weight and small overall size， which puts forward design requirements for their structure to ensure performance and control costs. Composite foam sandwich structure can reduce the weight to the greatest extent while ensuring the bearing capacity of the structure， and have the cost advantage of integrated molding in terms of process. This paper introduces the foam sandwich structure， and discusses its characteristics， performance advantages， material selection， and molding process. Emphasis is placed on the application of foam sandwich structure in small drone is explored， which provides a reference for the structural design of small drone.

KEYWORDS small drones；composite materials；foam sandwich structure；structural design

通讯作者：王丹，女，硕士生。研究方向为飞机结构强度设计。E-mail：wangdan3697@163.com

1 引言

无人机即无人驾驶飞行器，是利用其内部设备被远程操纵或进行自主飞行并完成特定任务的飞行器。近年来，各式各样的无人机进入了井喷式发展的阶段。与有人或载人飞机相比，无人机突破生物个体对机械设施的限制，具有零生命损伤、操作灵活、功能多样、环境适应性强等优势，在军用领域被广泛应用于侦察监视、通信中继、空中预警、电子干扰、火炮校射、攻击格斗等诸多军事行动中^［1］，在民用领用则在航空拍摄、气象监测、地质勘探、信息通讯、边境巡逻、治安反恐、农业种植等活动中发挥了巨大作用。同时，无人机在社会各方面的广泛应用也对其结构设计提出了更为严苛的成本控制要求。在满足强度、刚度要求的前提下，无人机结构设计时必须考虑简化结构形式、减小结构重量、降低结构成本。目前，在无人机上大量使用复合材料是降低成本的必然选择^［2］。

小型无人机具有风险低、重量轻、总体尺寸较小的特点。复合材料性能优良，可作为小型无人机的主体材料，同时，根据小型无人机特点，利用复合材料良好的整体成型工艺性，使用新构型，可以达到减少机体内部零件、提高可用空间、降低重量的目的，满足成本控制要求^［3］。相对传统复合材料实体板结构，夹芯结构是一种材料分布更为合理的轻量化结构，并有望在小型构件中发挥重要作用。

2 泡沫夹芯结构

泡沫夹芯结构属于夹芯结构的一种，是典型的轻质高强复合材料结构形式。夹芯结构一般由上面板、胶接层、芯材、胶接层及下面板构成，其上、下面板一般为碳纤维/树脂层压板结构，在层压板中间填充低密度材料，可以以较小的重量为代价，大幅度提高层板强度，达到减重增效及一体化制造的目的。同时，夹芯结构具有较大的设计空间。可对面板的铺层顺序、芯材的形状、夹芯结构的成型方式进行设计，得到不同性能的复合材料制件，使之适应不同部件的使用需求。

2.1 芯材选择

夹芯结构的性能很大程度上取决于芯材的性能，如表1所示。

夹芯结构中的芯材一般为多孔结构，是一种由相互贯通的棱边和壁板或封闭孔洞相互联结构成的网络体。由类蜂窝的六边形孔格相互堆积构成的多孔材料为蜂窝材料，包括铝蜂窝、芳纶纸蜂窝等。由填充三维空间的多面体构成的多孔材料为泡沫材料，包括PMI泡沫、PVC泡沫等。其中，PMI泡沫密度小、耐高温、抗压和比强度高^［4］，具有优异的二次加工性能，可加温成形、机械加工成形，且高温下耐蠕变性能好，能够适用高温固化的树脂和预浸料并满足固化工艺对泡沫尺寸稳定性的要求，在航天航空领域应用最为广泛。例如，空客公司采用泡沫夹芯结构用于其A330飞机和A340飞机的压力框、扰流板、翼身整流罩等部件；波音公司采用泡沫夹芯结构用于MD11飞机尾部的发动机进气口侧板件结构；ATR公司采用泡沫夹芯壁板结构做ATR 72飞机的襟翼整流罩和翼尖；商飞公司的ARJ21飞机小翼也采用了泡沫夹芯结构^［5］。

相比蜂窝材料，泡沫具有各向同性的力学性能，能满足复杂的受力状态下的结构和强度要求，适用于无人机结构。同时，从经济角度出发，在小尺寸结构设计中，泡沫材料的应用也有远超于蜂窝材料的优势。

（1）泡沫材料制备方法简单，适用各种液体成型工艺，且机械加工性能较好，加工成本更低，可制造复杂异形件，更能满足复杂结构和小尺寸结构的加工制造要求，减少装配环节并节省成本。

（2）作为夹芯结构的芯材，泡沫与复合材料面板贴合性能更好，在共固化成型时，避免蜂窝孔格处出现的面板纤维弯曲、树脂富集等问题，在保证性能的前提下增加产品合格率，减少夹芯结构制造成本。

（3）结构件中多选用高闭孔率的泡沫作为芯材，吸湿性更低，水和水汽不能进入闭孔泡沫内部，减少了由于吸水率带来的结构破坏、重量增加、维修次数增大等风险。

2.2 成型方法

泡沫夹芯结构可通过预成型泡沫芯和面板法、预成型面板法、预成型泡沫芯法以及浇铸成型法等方法制得，不同成型方法的区别在于面板成型、芯子成型及二者连接的先后顺序。

预成型泡沫芯和面板法是在分别制备好面板和泡沫芯子后，选择合适的胶黏剂，按顺序粘合面板和芯子制成夹芯结构。该法工艺简单，但是生产效率较低。

预成型面板法，又称泡沫浇注成型法，是指先制成面板，随后利用面板及其他材料预制夹芯结构的模具，在模具中发泡形成泡沫芯子，使之与面板紧密粘接制得泡沫夹芯结构。

预成型泡沫芯法是先制备泡沫芯子并对其进行修切作成模具，将预浸料铺放在泡沫芯子上，之后进行面板的固化成型，在面板固化过程中制得泡沫夹芯结构。

浇铸成型法，是指预先成型纤维增强的空腔结构，再在空腔结构中进行泡沫芯子的发泡成型，泡沫发泡过程中充满整个空腔结构，发泡完成后即得到泡沫夹芯结构。该法适用于制备复杂的泡沫夹层结构制件。

3 泡沫夹芯结构的应用

3.1 翼面结构

机翼是无人机的主升力面，其主要作用是提供无人机飞行时所需的升力，同时承受了整个无人机的重量，保证无人机在战术技术所要求的所有飞行状态下的飞行性能。因此，在结构轻量化的前提下，无人机机翼设计时必须满足结构的强度和刚度要求，同时保证机翼与机身结构的连接。

目前，无人机机翼常用的复合材料结构形式主要有夹层板梁式、夹层壁板墙式、全高度泡沫夹芯式、蒙皮空腔式、夹层盒式等^［6］。其中，泡沫夹芯结构可用于全高度泡沫夹芯式和夹层盒式机翼。

对于翼型较小的无人机，采用全高度泡沫夹芯结构作为机翼结构具有明显的优势。全高度泡沫夹芯机翼结构由蒙皮、翼梁、翼肋及泡沫芯材组成^［7］。一种小型无人机的机翼结构截面示意如图1所示。

翼梁与翼肋连接作为机翼骨架，与蒙皮胶接固化，内部填充泡沫芯材。被泡沫芯材密集支撑的蒙皮承载气动力，翼梁传递气动力产生的弯矩和剪力，扭矩由蒙皮和翼肋组成的闭室来传递。

蒙皮为碳纤维单向带与碳纤维织物混杂的复合材料层压板结构，厚度一般较薄，内部填充泡沫芯材，上、下蒙皮与泡沫芯材形成盒状结构，具有较强的抗冲击能力。

翼梁为碳纤维复合材料层压板，为机翼主承力部件。可在翼梁处设计机翼与机身的连接部件，将机翼载荷传递到机身上。单梁式翼梁一般位于翼剖面最大的高度处，双梁式翼梁分别位于机翼弦长15%～20%和55%～60%处^［8］，翼梁截面形式包括“C”形、“工”形、矩形、圆形等。可根据具体承载要求和尺寸要求进行合理选择和布置。

由于泡沫芯材对蒙皮的密集支持，因此所需翼肋数量较少。仅在机翼两端设计端肋，可选用“C”形截面的碳纤维层板结构，其缘条与蒙皮胶接固化，形成封闭盒状结构。

尾翼结构与机翼结构类似，但尾翼翼型更小。因此，可选用泡沫作芯材的夹层盒结构，由泡沫芯材与蒙皮组成，如图2所示。蒙皮由内部泡沫芯材支撑传递弯矩和剪力。在尾翼端部设计“C”形截面的翼肋，翼肋与蒙皮固化组成的闭室传递尾翼扭矩。同时，可在端肋处设计尾翼与机身的连接部件。

3.2 机身结构

机身是无人机的躯干，装载其内部所有电子设备、飞控系统、动力装置及其他任务载荷，并将机翼、尾翼等部件连接成完整结构，承受且传递各部件传来的载荷。机身结构是一种典型壳体结构，由蒙皮、长桁、框等典型构件组成。其中长桁为机身重要的纵向受力骨架，承受机身纵向弯曲产生的纵向力，长桁为蒙皮的纵向支撑，长桁与蒙皮组成的薄壁板杆结构为机身最重要的组合件之一，承载机身剪力。隔框为纵向构件的主要支持，承受垂直于蒙皮的集中面外载荷，并起到维持机身外形、提高纵向构件承载能力的作用。

在满足结构承载要求的前提下，小型无人机机身内部需要有足够的空间放置任务载荷和设备，其结构不能像常规飞机一样设计得较为复杂，同时为减重和降低成本，所以在设计机身承载结构时考虑泡沫夹芯结构，减少零件、构件间的装配连接，实现结构一体化制造。

泡沫加筋加强的复材薄壁结构是一种典型的泡沫夹芯结构，兼具结构强度、重量优化、制造成本及装配一体化的优势。首先，泡沫加筋结构具有一定承载能力，泡沫夹层处结构传递荷载的方式类似于工字梁，上下面板类似梁缘条，主要承受由弯矩引起的面内拉压应力和面内剪应力，而泡沫芯材相当于梁腹板，主要承受由横向力产生的剪应力。其次，泡沫加筋壁板稳定性更高，薄壁结构在弯曲載荷和轴向压力作用下易发生失稳破坏，泡沫材料压缩强度很高，作为加强筋粘接在壳结构上时能够承受加强筋侧表面垂直方向的拉应力和压应力，从而在材料发生屈服前，保持结构的形状和强度，能够提高结构的抗失稳能力。第三，泡沫材料具有一定承载能力，且密度较低，作为芯材能够减少结构中复合材料层板中预浸料铺层的数量，在相同承载要求下能够实现减重的目的。最后，高性能泡沫芯材在固化过程中具有很好的耐压缩蠕变性能，泡沫加筋壁板制造成型时，可将泡沫芯材用作芯模加筋条^［9］，预浸料可以压实铺设在泡沫芯模上，实现蒙皮、长桁的一体成型，相较于一般加筋壁板成型时蒙皮固化、筋条固化、二次胶接的过程，缩减了工艺流程，降低了制造成本。

机身框分为普通框和加强框，普通框用于维持机身外形，加强框位于集中传力处，例如机翼与机身连接处、发动机连接处、机身各舱段连接处等。典型的加强框一般为“C”形或“工”形截面的层压板结构，此外，可在框腹板的铺层之间增加泡沫芯子，以大幅度提高框腹板的刚度。

典型机身结构截面示意如图3所示，主要由泡沫加筋壁板、横向框和底板组成。依据载荷情况，在机身周圈壁板上合理布置4根泡沫筋条，横向框中，普通框为矩形泡沫夹芯结构，加强框为“C”形泡沫夹芯结构，如图4所示。

3.3 天线罩结构设计

天线罩^［10］是无人机上的“电磁窗口”，保护内部天线和微波系统免受雷击、静电、雨蚀和高温等恶劣环境影响，同时，需要较高的透波率，保证微波信号的接收与发射。

小型无人机天线罩尺寸较小，一般位于机头，为内部天线系统的安装空间，常采用薄壳式结构。薄壳式结构可分为均匀单层结构和多层结构。均匀单层结构采用单一材料，应用广泛，但透波频段窄、效率低，且重量较大，不符合轻量化要求。多层结构多为奇数层夹层结构，电磁波在多介质之间的反射能够相互抵消，從而降低反射波的影响，保证结构良好的透波性能。多层结构一般由若干层蒙皮和芯材组成，也称为夹芯结构，根据蒙皮和芯材的类别，一般分为A结构、B结构、C结构等^［11］。A结构是指由两层比较致密的、薄的蒙皮和一层芯子组成，对芯子厚度进行设计可使内外两层蒙皮的反射基本抵消，因而具有较高的宽频透波性能。B结构与A结构相反，可用于双波段天线罩的设计。C结构共为5层，由三层蒙皮和两层芯子交错组成，相较于A结构，夹芯结构层数的增加能够利用芯层厚度进一步抵消反射波，因而提高整体结构的宽频透波性。

一种宽频带透波天线罩结构的截面示意如5所示。蒙皮受剪切载荷作用，通常采用玻璃纤维、石英纤维增强复合材料^［12］；芯材承受拉弯复合作用，选用介电常数低、介电损耗低、密度较低的材料。PMI泡沫兼具优异的电性能、力学性能及工艺成型性能，其介电常数（1.05～1.13）较低，透波性能良好，比强度、比模量较高，满足一定结构承载能力，且工艺成型性能好，经常用作高透波要求天线罩夹芯结构的芯材。同时，PMI泡沫的电性能与泡沫的相对密度有关，其介电常数和介电损耗角正切值随泡沫密度的增大而增加，因此可选择不同密度的PMI泡沫设计不同介电性能的芯材。

4 结语

（1）在满足结构强度要求的前提下，复合材料泡沫夹芯结构在机械加工、成型工艺、成本控制方面具有无可比拟的优势，更适合小型无人机中复杂结构、一体化结构的设计应用。

（2）小型无人机中各部件受力形式、结构特点各不相同，应综合考虑各部位设计需求，合理选择结构构型，力求布局合理、传力直接、结构高效。

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