先进复合材料在无人机结构的应用

 　　01  引言

　　

　　无人驾驶飞机简称 “无人机” ( unmanned aerial vehicle，UAV) ，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵不载人的飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主操作。无人机作为一种新式航空器，与有人飞机相比，无论是使用要求还是任务使命都有所不同。无人机通常具有低成本、轻结构、高隐身、长航时和高存储寿命等要求，对于无人作战飞机来说还有高机动和大过载的要求。

　　

　　由于复合材料具有比强度高、比模量大、可设计性强、抗疲劳能力强、可提升机体隐身性能、使用寿命长、减震性能好等特点，因此，无人机大多数结构采用复合材料，如机身、机翼、平尾、垂尾、尾撑、舵面和起落架等。

　　

　　复合材料应用于无人机结构可以减重20%-30%。目前，行业认为复合材料的用量已经成为衡量一款无人机先进程度的重要指标之一，一般需要达到60%-80%左右，但是美国已有无人机达到全复合材料结构 (复合材料用量达到90%以上) 。

　　

　　02　国内外无人机发展历程

　　

　　2.1 国内无人机发展情况

　　

　　自 1958 年，西安爱生技术集团有限公司 (西北工业大学第三六五研究所) 成功研制试飞我国第一架无人机以来，中国无人机已有 60 多年的发展经历。先后成功研制长空一号 ( CK-1) 无人靶机系列、长虹高空高速无人侦察机、ASN 系列无人机、BZK-002 型、“蓝箭”、“天眼”等无人侦察机，尤其是在 1994 年，由西北工业大学研制的ASN206 多用途无人机，采用后推式双尾撑结构形式，是我军较为先进的一种无人机。近年来，研制出 “翔龙”、“翼龙”、“彩虹”、“利剑”、“WJ600” 等系列察打一体固定翼无人机，“WJ600”无人机被人们称做中国版的 “全球鹰”，是迄今为止我国国产最先进的无人机，除机身中段采用部分金属材质外，机身基本全部采用复合材料，具有很高的隐身功能。其中，“彩虹”系列无人机目前谱系最为齐全，包括彩虹-3中空多用途无人机系统、彩虹- 4 中空长航时无人机、彩虹- 5 中高空长航时无人机、彩虹-7隐身无人机、彩虹-804D垂直起降固定翼无人机、彩虹-10 无人倾转旋翼机、彩虹-801 /802 /803 /804无人机系统、彩虹-811 /815系留无人机系统、彩虹-812 /813 /814旋翼无人机系统、彩虹-806长航时无人机系统、彩虹-821无人直升机系统和彩虹-101 无人自转旋翼机等。WZ-6、T333、 “战狼”、AV500W、 “金雕”CR500、“没羽箭”等察打一体无人直升机研制的成功，标志中国自主研发设计军用无人机水平已经迈入了国际先进水平。

　　

　　

　　

　　图1  国内无人机

　　

　　目前，中国无人机的研究机构主要是大学、研究所和一些企业，包括西北工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学; 成都飞机设计研究所、成都飞机工业集团、贵航集团、沈阳飞机设计研究所、哈飞集团、航天科工三院无人机技术研究所、航天科技八院、航天科技九院、航天科技十一院彩虹公司、总参 60 所、602 所; 中国航空工业集团公司、江西洪都航空工业股份有限公司、西安爱生技术集团有限公司、株洲无人机公司、北方导航科技集团有限公司、北航天宇长鹰公司、中航智公司、四川腾盾公司、赛为智能、大疆等。其中西安爱生技术集团有限公司隶属于西北工业大学，是我国着名的研究、开发和生产系列中小型无人机系统及其动力装置的高科技企业，一九九五年被国务院发展研究中心确认为中国最大的无人机科研生产基地，并入选 “中华之最”。近年来，随着国家的重视，国内掀起了研制无人机的高潮，但客观来讲，中国和美国、以色列在无人机的谱系和应用上还存在一定的差距。

　　

　　除了军用，无人机在交通领域、航拍领域、通信传输领域、高空作业方面、救援救灾方面，具备越来越大的应用潜力。

　　

　　2.2　美国无人机发展情况

　　

　　美国无人机发展水平一直遥遥领先，其无人机技术先进，种类多，具有侦察类无人机，也具备实现察打一体的攻击型无人机和运输无人机，很多结构实现模块化设计。美国无人机研制时间最早追溯至 1939 年，先后涌现出多种型号，包括诺斯罗普 ＆ 格鲁门公司的 MQ-1C灰鹰、MQ-4C海神、MQ-8C火力侦察兵无人机、MQ-9死神、MQ-9B 守卫者无人机、X47B。MQ-9B守卫者无人机，最大 飞 行 高 度 可 达 12.192 km，最 大 平 飞 速 度389km /h，续航时间 40h，巡逻半径超过 7000 km，非常适合对大面积海域或空域进行巡逻。X-47B的最大特点是能直接从航空母舰上起飞，其航程是F-35 战机的近 2 倍。X-47B 外形与 B-2型隐身轰炸机极其相似，采用无尾翼设计，隐身性能极高，美军现役无人机数据如表 1 所示。

　　

　　表1  美军现役无人机数据表

　　

　　

　　

　　　　

　　图2  美国发展的一些无人机

　　

　　洛克西德马丁公司的 RQ-170哨兵、RQ-3暗星、RQ-7影子、RQ-4全球鹰、P175臭鼬、 MFX-2 “柔性蒙皮”变形无人机、鸬鹚水下无人机；通用原子公司 MQ-9A “死神”、MQ-1B “捕食者”、MQ-1C “灰鹰”、CQ-10B “雪雁”; 波音公司的 A160T “蜂鸟”、RQ-21 “黑杰克”、X45C “鬼鳐”、垂直起降的蜻蜓无人机、液氢燃料无人机 PhantomEye 鬼眼等。RQ-4 全球鹰也是世界上已列装的无人机中续航时间最长、航程最远、尺寸和重量最大、实战应用最多的高空长航时无人机系统型号。

　　

　　其中，自美国航母确立海上武器装备的霸主地位之后，以 X-47B 舰载无人机、MQ- 25 黄貂鱼舰载无人机、MQ- 8C 舰载无人直升机等为代表的舰载无人机，被用做编队执行海上任务。

　　

　　

　　

　　图3  RQ-4 全球鹰无人机

　　

　　此外，美军还装备了 RQ-11 “大乌鸦”、 RQ-12A “黄蜂”、 RQ-15 “海王星”、 RQ-20A “美洲狮”、 RQ-16 “雷鹰”、RQ-6A “警卫”等多种型号的小微型无人机。除此之外，美军为了实现无人化、网络化、信息化、智能化战场环境下的新型作战武器装备，已经开始重点研发无人机集群作战能力。

　　

　　2.3　以色列无人机发展情况

　　

　　以色列作为世界主要军事技术强国，也是世界无人机研发和制造的佼佼者，在世界无人机市场上具有举足轻重的地位。以色列航空航天工业公司(IAI) 公司研制出了 “苍鹭”、 “侦察兵 Scout”、 “猎手 Hunter”、 “搜索者 Searcher”、 “黑豹 Panther”、“哈洛普”等无人机。其中 “苍鹭”无人机是由 1993 年开始研制的大型高空战略长航时无人机。该机起飞重量达到 1100 kg，有效载荷 250 kg，升限达 11000 m，航时 50 h 左右，主要承担实时监视、电子侦察和干扰、通信中继、地质测量、森林防火和海上巡逻等任务。以色列艾尔比特公司研制出了 “赫尔墨斯 Hermes900”、 “云雀 Skylark”、 “麻雀 Sparrow”、“蓝色地平线 BlueHorizon2”等无人机。“云雀 Skylark”无人机是采用电力作为动力的偏斜式、静音无人机，是以色列国防军目前装备最小的无人机，重量仅为 4. 54 kg，航时 1. 5 h。马扎拉特公司研制出了 “先锋 Pioneer”、 “驯犬MastiffMk3”无人机。航空防御公司研制的 “斗牛士 Picador”、“盘旋者 Oribiter”等多个型号无人机都是国际航展上的亮眼产品，装备以色列国防军后又在中东复杂战场环境下积累了丰富的作战经验，形成了技术研发与实战检验相互促进的良好局面。

　　

　　

　　

　　图4  苍鹭无人机

　　

　　2.4

　　

　　欧洲无人机发展现状

　　

　　神经元无人机是由法国达索公司牵头，希腊、意大利、西班牙、瑞典和瑞士等国联合参与研发的新型隐身察打一体无人机，代表了目前欧洲无人机领域的最先进水平，如图 5 所示。

　　

　　

　　

　　图5  神经元无人机

　　

　　据法国军备装备管理局无人作战飞机项目经理所述，神经元项目是为了满足军方对高度隐形作战平台的需求而成立的，低可观察性是神经元项目的第一要求。神经元无人机的机翼前缘有 50°的后掠角，精心设计的机翼结构和气动外形，S 形进气道以及超级隐形材料的使用使雷达散射面积被压缩到极致。从目前的神经元无人机试飞状况得知，神经元无人机机长 9.3 m，宽12. 5 m。体积大小约为生产型的3/4，起飞质量为6700 kg，最大升限10 km，航程约 800 km，飞行时间长达 12 h，有 2 个机内武器舱，依托机载高性能计算机能够提高神经元无人机任务规划能力，能够在敌人防区外用精确制导导弹进行精确打击，压制敌人的防空力量，具备突防攻击和类似 F-35 的网络中心战能力。

　　

　　俄罗斯在陆军、海军和空天军中都部署了无人机，主要型号有 “海雕-10”、 “前哨”和 “猎户座”等，这些无人机主要进行侦察、目标识别、为火炮和航空打击进行校准以及毁伤评估。无人机的广泛使用在一定程度上改变了陆海空三域的作战战术，是未来战场必不可少的武器之一。“海雕-10”是俄军目前服役无人机中装备数量最多的型号，使用半径最大 120 km，装配了昼夜摄像机和无线电作战设备，可在线传输视频，空中持续工作时间上限为14 h，升限为5000 m。“前哨”无人机被认为是以色列 “搜索者”无人机的俄罗斯国产版，该机是俄军装备的首款全自动无人攻击机，使用半径为200 km，滞空时间达17 h，升限约为 5000 m。

　　

　

　　

　　图6  “海雕-10”无人机

　　

　　

　　

　　图7  “前哨”无人机

　　

　　

　　

　　图8   “猎户座”无人机

　　

　　03　复合材料结构在无人机领域的应用

　　

　　聚丙烯腈基碳纤维与 Nomex 蜂窝材料被广泛应用于无人机的机体外壳、机翼蒙皮与前缘; PAN 基碳纤维板与泡沫材料复合制成的泡沫夹心复合材料或聚丙烯腈基碳纤维管被大量用作无人机主梁; Kevlar纤维材料应用于螺旋桨、机身、连接件等部位以大幅提高抗疲劳强度与抗冲击能力。中大型无人机主承力结构采用金属，其余采用复合材料，中小型无人机采用碳纤维、玻璃纤维及其混杂材料，无人战斗机采用碳纤维复合材料，芳纶纤维等。小型低速无人机采用碳纤维、芳纶纤维、纸蜂窝以及木质材料。

　　

　　表2  无人机使用材料的比强度和比刚度

　　

　　

　　由于无人机在结构设计中不需要考虑人的生理承受能力限制，能更专注的针对无人机的机动性能进行设计，使其在材料选用上具有一些有别于载人飞机的特点。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。据统计，目前，世界各国都在无人机上大幅度使用以碳纤维复合材料为主的先进复合材料，占到了结构总质量分数的 60%-80%；使机体减质量 25% 以上。从开始的非承力结构，无人机越来越多承力结构采用了碳纤维复合材料结构设计和制造，北京卫星制造厂联合中国航天科技集团第九研究院无人机研究所，采用手糊工艺成功研制了某型号无人机复合材料弓形主起落架、碳纤维复合材料尾撑杆等。部分无人机复合材料应用概况如表 3 所示。

　　

　　表3  部分无人机复合材料应用概况

　　

　

　　

　　3.1   复合材料在侦察/监视无人机结构应用

　　

　　将复合材料用于侦察 /监视型无人机具有比强度和比刚度高、耐疲劳性能好、减震性能好、加工工艺性好等优点。国外目前常规在制、在研的无人机均以复合材料和传统铝合金的混合结构为主，如美国的 “暗星”无人机机体采用复合材料外加吸波涂层，满足其高隐身性能的要求; 以色列的 “先锋”和 “搜索者”、美国的 “鹰眼”、英国的 “不死鸟”和南非的 “秃鹫”等许多着名的无人机均为全复合材料飞机。

　　

　　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，机翼、尾翼、后机身、雷达罩、发动机整流罩等部分采用碳纤维 /环氧复合材料。“全球鹰”无人战斗机采用热压罐成型制造技术，机翼的制造主要利用Nomex芯体材料在 121℃的高温下进行液压罐装成型技术。翼梁和翼盒由 Cytec 公司提供的高模碳纤维环氧预浸料制造，蒙皮为层压板结构，翼内为整体油箱，50%前后缘均为蜂窝夹层结构，采用Hexcel 公司提供的Nomex芯材。主结构用 121℃ 热压罐固化成型，梁和蒙皮分别固化后二次胶接，无紧固件，简化了密封和装配工艺。整个机翼分3段，一个 15m长横跨机身的翼盒，两个10m长的外翼和翼尖组合件，彼此之间用机械方式连接，表面固化有防雷击的通网。RQ-4B 机翼增至39.9 m，在一些区域增加了铺层以提高结构强度和刚度。整个机翼分为 4 段，两个大的翼盒在机身中心对接，两端各一个翼尖组合件，两个复合材料结构在机身中线对接可以提高气动效率。需要特别说明的是，翼尖部分的制造采用了 Radius Engineering 公司开发的 SQTM (same qualified resin transfer molding) 技术。它是一种闭模成型方法，结合预浸料工艺和液态成型技术，可以生产真正的净成型且高度组合的航天航空零部件。总之， SQRTM 不使用热压罐，但可以生产出具有热压罐质量的部件，属于低成本的制造技术。新设计的翼尖包含 3 个主要部分: 一个承扭盒，一个内翼肋( 用于连接翼尖和主翼) 和一个翼尖帽型件。每个承扭盒均包含 6 根层合复合材料桁条，机翼前后缘和外翼肋组成一个整体结构。相比较每个承扭盒由两根蜂窝夹层结构桁条和多根翼肋组成的原始的设计，利用 SQRTM 技术仅用 3 个模具就能完成左、右翼尖所有零部件的制备。

　　

　　美国 AAI 公司研制的 “RQ-7影子”多用途无人机机体结构 95% 为复合材料: 碳纤维增强环氧树脂复合材料机身，碳或芳纶纤维增强环氧树脂复合材料尾翼，机翼则采用碳纤维增强环氧树脂复合材料面板-蜂窝夹层结构制造。

　　

　　BAI 航空系统公司的 “敢死蜂”无人机机翼、可动控制面及垂尾均用聚苯乙烯和玻璃纤维制成的硬壳式复合材料制成，方向舵和机身采用泡沫夹层结构，发动机冷却罩及舱门口盖均用热塑真空成型，玻璃钢螺旋桨整流罩采用模压成型。

　　

　　诺·格公司研制的着名的 “全球鹰”无人侦察机，翼展达到 35.4m，超过波音 747 飞机，除机身主结构为铝合金外，其余均为复合材料制成，包括机翼、尾翼、后机身、雷达罩、发动机整流罩等，复合材料用量约为结构总重的 65%。

　　

　　德国的空中无人系统探索项目 “梭鱼”无人技术验证机在 Augsburg 使用 EADS 的真空辅助制造专利技术，仅用一个月就制造出了全碳纤维复合材料机身，全碳纤维复合材料的机翼则在西班牙Getafe制造，该机仅有的金属部件是翼梁、主起落架支架和安装架。

　　

　　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，而 ASN-105B 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。哈飞与北航联合设计的远程无人侦察机BZK-05 机身受力骨架采用常规铝合金铆接结构，蒙皮及整流罩采用玻璃纤维、碳纤维、Nomex纸蜂窝等复材结构，机翼也由全复合材料构成。

　　

　　此外，翼龙无人机是由中航工业研制的一种中低空、军民两用、长航时多用途无人机。机体结构选用铝合金材料，天线罩采用透波复合材料，机翼为蜂窝夹心复合材料。国产 “彩虹 4”无人机机翼翼展 18 m，最大起飞质量超过 1300 kg，机体除了主梁，其他部分都是由复合材料制成。“彩虹 5” 翼下设有 6 个复合材料挂架，一次可挂载 16 枚不同类型的空地导弹，最大载荷达 1 吨。

　　

　　3.2   复合材料在察打一体无人机结构应用

　　

　　无人战斗机结构使用的复合材料主要为碳纤维复合材料，极大地降低了机身的整体重量，使得战斗机可以更加灵敏、高速。波音公司研制的 X-45 无人战斗机生产型机体结构 90%以上采用复合材料，其机身由低温固化预浸料制造，机翼为泡沫夹层结构，采用独特的 FMC (Foam Matrix Core) 技术，首先成型泡沫芯，再在成型好的泡沫上缠绕纤维，最后将二者共固化。采用该技术不仅可以大幅降低 X-45 的制造成本，而且方便拆卸、存放和安装。

　　

　　美国波音公司制造的 X-45A 无人战斗机翼展10.3 m，弦长 8 m，质量 3640 kg，搭载有效载荷680 kg，复合材料用量占结构质量的45% 。其机身蒙皮由碳纤维预浸带采用铺层方式制成，机身上部蒙皮约 9 m 长，3.7 m 宽，是个整体件，机身下部蒙皮则由两块 4.5m × 3.7 m 的两部分组成。X-45A无人战斗机喷管的上下蒙皮则采用了Cytec公司制造的 BMI-5250-4型碳纤维预浸料，其固化温度处于 177℃～204℃，使用温度在-59℃～204 ℃之间。

　　

　　美国为确保在西太平洋的霸主地位，研制出的X-47B 无人战斗机，可以在我国研制的反舰导弹射程之外攻击中国沿海的导弹部队。X-47B 无人战斗机的外翼由铝合金部件和碳纤维环氧复合材料组成，90%机体表面由碳纤维复合材料制造，机翼具有折叠功能，节省了在航母中所占据的空间；以色列 “侦察兵”无人战斗机可以从一个机载监视平台和一个移动战斗情报微波数据链接接受视频、遥测和数据广播，整体采用碳纤维/环氧树脂复合材料制成，空载重量可达 76 公斤，负载重量可达118 公斤。中国的“利剑”由洪都飞机厂制造，机长约 10 m，翼展 13.8 m，采用碳纤维夹芯铝蜂窝制造。

　　

　　美国通用原子公司制造的中空长航时无人侦察机 “捕食者”MQ-1 无人机的材料分布，全机除机身大梁采用金属外，几乎全部采用复合材料，包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维复合材料以及蜂窝、泡沫等夹层结构，用量约为结构总重的92%。其中，机身大量采用了碳纤维织物/Nomex 蜂窝夹层加筋壁板结构，内部关键位置有碳纤维梁和肋以保证足够的刚度。雷达罩采用玻璃纤维复合材料制造。成型工艺上，机体主要部分采用碳纤维/环氧预浸料手工铺叠/热压罐工艺制造，主梁以及尾翼梁、起落架支柱采用碳纤维织物闭模成型，并使用气囊辅助压实。

　　

　　腾盾公司和三强公司联合研制的 HA 无人察打一体机除中机身骨架外，全部采用碳纤维及玻璃纤维复合材料制备，图 9 和图 10 分别是 HA 无人机的多梁式泡沫夹层共固化垂尾和滑橇式起落架。

　　

　　

　　图9  HA 无人机碳纤维复合材料垂尾

　　

　

　　

　　图10  HA 无人机碳纤维复合材料滑橇式起落架

　　

　　3.3   复合材料在民用无人机结构应用

　　

　　意大利都灵工业大学研制的 HeliPlat 高空长航时太阳能无人机机翼管状梁架结构采用 M55J 碳纤维增强环氧树脂复合材料面板/Nomex蜂窝夹层结构制造，能承受大部分的弯曲、扭转和剪切载荷，翼盒 蒙 皮 则 采 用 M55J 碳 纤 维/环氧预浸带制造。

　　

　　奥罗拉飞行科学公司研制的 “提修斯”高空长航时大气研究无人机主要用于大气对流研究、遥感及飓风探测等，该机采用全复合材料结构，上单翼翼展达 42.06 m，运输时可将外翼段和尾翼拆除。HALE-UAV 验证机全复合材料机翼骨架如图 11 所示。

　　

　

　　

　　图11  HALE-UAV 验证机全复合材料机翼骨架

　　

　　美国 NASA 的 “赫利俄斯”太阳能全复合材料民用无人机在 2001 年试飞时连续飞行时间长达17 h，创造了无人机连续飞行时间记录。如图 12 所示，这架飞机的翼展 75. 3 m，远超波音 747 的翼展长，弦长 2. 44 m，主结构由碳纤维/环氧树脂复合材料制成，全机均匀分为 6 段，每段连接处都有一个复合材料舱，用来装载有效载荷。

　　

　

　　

　　图12  美国NASA 的“赫利俄斯”太阳能全复合材料无人机

　　

　　日前中国航空工业一飞院自主研发的超长航时太阳能无人机总装下线，飞机命名为 “启明星”，如图 13 所示，全身采用碳纤维复合材料。民用无人机主要采用真空袋成型制造工艺技术，降低了无人机的制造成本，这种工艺操作性简便，而且在技术要求上标准性不高。

　　

　　

　　

　　图13  中国一飞院“启明星”太阳能全复合材料民用无人机

　　

　　04   无人机复合材料共固化结构设计

　　

　　想要更好的减重，增加任务载荷，延长续航时间，复合材料的轻量化设计是现代无人机设计的趋势，而轻量化趋势就是结构整体化设计与制造。

　　

　　随着复合材料用量的增大，结构的复杂程度不断攀升，能够充分发挥复合材料的潜力、大幅降低重量，进一步简化装配关系的整体化结构，缩短生产工序，显得非常有意义。无人机结构一般采用板、梁、肋结构分别成型，然后通过室温胶接装配，首先胶接单侧板件与骨架，其次与另外一个板件进行室温胶接，胶接质量无法监测。本项目拟通过摸索，建立一种壁板与梁胶接共固化一次成型(中温固化)，粘接强度更大，可靠性更高，部件装配的周期更短，成本大幅度降低，而且能够减少连接件的使用。

　　

　　共固化设计与制造技术具有先进性，能够更好的发挥复合材料可设计性强、比强度大、比模量高的优势，能够进一步进行轻量化设计，从而达到系统减重、任务载荷增加，续航时间延长等目的。

　　

　　复合材料的应用部位已由非承力部件及次承力部件发展至主承力部件。发展方向也趋向大型化、整体化和低成本化，复合材料整体成型技术通过减少复杂、大型结构的零部件装配和紧固件数量来实现复合材料制件的轻质、高效、低成本。复合材料整体成型技术中优先选择共固化成型技术，该技术制造的复合材料制件结构质量轻、变形量小。