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无人机复合材料设计/制造关键技术
来源: | 作者:anscos | 发布时间: 2016-01-03 | 14799 次浏览 | 分享到:

高空长航时无人机平台是我国急待发展的重大军事装备项目。与金属材料相比,树脂基复合材料具有结构重量轻、复杂或大型结构易于成型、设计空间大、比强度和比刚度高、热膨胀系数小等诸多优点。将复合材料直接应用于无人机结构上对减轻空机身重量、增加有效载荷、提高安全性和隐身性具有重要的作用。

    纵观国外无人机(包括中、高空无人侦察机、无人作战飞机等),无一例外地大量使用了复合材料结构,有些甚至是全复合材料结构,因此以复合材料为核心的无人机结构设计/ 制造技术是影响无人机发展的关键技术之一。

国内外无人机发展状况

    无人机的发展有着较长的历史,世界上第一架无人机是英国于1917年研制成功的。据不完全统计,目前世界上30 余个国家和地区已研制出了50 多种无人机[1],无人机型号超过300 余种,有55 个国家装备了无人机,但发展最快、水平最高的主要是美国、以色列和俄罗斯。

    美军拥有的近20 种型号约250架无人机。机型主要包括陆军的“猎犬(Hunter)”、“指针(Pointer)”和“影子200(Shadow200)”无人机,海军陆战队的“龙眼(Dragon Eye)”和“先锋(Pioneer)”无人机,空军的“全球鹰(Global Hawk)”和“捕食者(Predator)”无人侦察机以及X-45、X-47 新型无人攻击机。另外,还包括其他几种小型的无人机系统,用于支援特种作战需求。

    我国研制无人机已有40 多年的历史,先后研制成功长空一号无人靶机系列、长虹高空高速无人侦察机、T-6 通用型无人机、Z-5 系列无人侦察机、BZK-002 型无人侦察机、ASN系列无人机等。新近又开发了“翔龙”、“翼龙”无人侦察机、WZ-2000无人侦察机和“暗箭”等型号无人机。

    研究的机构主要是大学、研究所和一些企业,包括北京航空航天大学、南京航空航天大学、西北工业大学、成都飞机设计研究所、成都飞机工业集团、贵航集团和株洲无人机公司。近年来,随着国家的重视, 国内掀起了研制无人机的高潮。


复合材料在无人机上的应用

    1、复合材料在无人机上应用的优点与有人飞机相比,无人飞机(UAV)在机体结构设计中既不需要考虑机动飞行过程中人的生理承受能力限制[2-3],也不需要因为特别强调人的生存性而对隐身及抗弹伤能力的结构和材料作特殊考虑。不过由于无人机机载设备技术先进,要求高,因此也要求无人机有相当好的机体结构性能,这使无人飞机在结构选材上具有一些有别于有人飞机的新特点。无人机遂行任务的特殊性,也使其成为采用新型结构材料的极好的平台。

    和传统金属材料相比,复合材料具有比强度和比刚度高、热膨胀系数小、抗疲劳能力和抗振能力强的特点,将它应用于无人机结构中可以减重25% ~30%。据统计,目前世界上各种先进无人机的复合材料用量一般占机体结构总重的60% ~80%,复合材料的总用量可达90%以上。在无人机上大量采用复合材料的益处是多方面的。

    首先,复合材料本身具有可设计性,在不改变结构重量的情况下,可根据飞机的强度刚度要求进行优化设计;在设计制造技术上满足了大多数无人机在高度翼身融合结构所需的大面积整体成形这一特点。其次,聚合物基复合材料具有特殊的电磁性能,改性后有希望满足无人机结构/ 功能一体的高隐身技术要求。复合材料的耐腐蚀性能,可满足无人机恶劣环境下长储存寿命的特殊要求,降低使用维护的寿命周期成本。

    再次,复合材料易植入芯片或合金导体形成智能材料、结构。

    目前,复合材料在无人机领域已成为主要结构材料,如碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、蜂窝夹层复合材料等。通常,无人机除机身的龙骨、梁和隔框、起落架等结构件采用铝合金外,机翼、尾翼及各种天线罩、护板、蒙皮等结构件均大量使用复合材料。另外,在中小型无人机上,木质材料、轻型塑料、塑料薄膜等非金属材料也得到大量使用。复合材料的应用对无人飞机结构轻质化、小型化和高性能化已经起到了至关重要的作用。

2、复合材料在高空长航时无人机上应用

    “全球鹰”作为世界上最为著名的高空长航时无人侦察机,是由美国诺斯罗谱· 格鲁门公司为美空军研制的,由沃特(Vought)飞机工业公司生产。其采用大展弦比下单翼,细长机身,V 形尾翼,前三点起落架布局,机翼1/4 弦长处后掠5°54′,V 形尾翼(上反角50°)。复合材料机翼长达35m,复合材料占结构重量的65%。沃特(Vought)飞机工业公司生产改进型“全球鹰”RQ-4B 飞机机翼时,使用了商用复合材料和环氧材料。新机翼更增至39.9m,重约1814kg。“全球鹰”的活动半径为5500km,航程26000km,续航时间达到42h,实用升限19.8km,整机起飞重量11640kg,燃油重量6727kg,超过总重量的一半,具有从美国本土起飞对全球任何地点进行战略侦察和战术侦察的能力,是目前世界上最先进的高空长航时无人侦察机,它代表了目前高空长航时无人机发展的水平和趋势。

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