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复合材料在无人驾驶飞机上的应用

[来源:复合材料] [编辑:无人驾驶飞机] [日期:20-10-21] [热度:]

复合材料在无人驾驶飞机上的应用
摘要:无人驾驶飞机复合材料结构件的增强材料主要是碳纤维、玻璃纤维等,而树脂体系主要是环氧树脂和双马来酰亚胺树脂,前者工艺性好,后者耐温性好。各种材料体系对复合材料的性能影响很大,在无人机复合材料结构件的设计中,需要根据实际受力情况和使用环境选择合适的材料。

  现代化战争已经形成了坦克、大炮、飞机、舰艇等多种兵种的有机配合,海、空、电一体的立体战争。它的技术如此先进,杀伤力如此强大,危害如此巨大,是史无前例的。由于无人驾驶飞机具有体积小、重量轻、机动能力强、飞行时间长、易于隐蔽等特点,特别是由于其无人驾驶,特别适合于实行危险任务,因此在现代战争中的作用越来越大。
  从集体平台技术的角度来看,作为一种新型航空作战武器,它具有低成本、轻结构、高隐身、飞行时间长、使用寿命短、储存寿命长等共性技术特征和要求。以上特点和要求,对无人机机体结构设计提出了严峻的挑战,对复合材料的应用提出了独特的需求和良好的发展机遇。
  复合材料逐渐成为无人机的主要结构材料,有效地提高了无人机的设计性能,利用复合材料,不仅可以设计轻质、高气动弹性结构,而且可以方便地在其表面喷涂隐身涂层,并通过增加不同的增强相,降低了高速下复合材料的损伤容限。无人飞行器复合材料结构主要包括层压板结构、夹层结构等,由于其可设计性强,在结构构件的整体设计中可大大减少无人飞行器零件和部件的数量,典型的应用是翼身融合结构,其制造技术将是无人飞行器概念化的发展方向。
  无人驾驶飞机复合材料结构件的增强材料主要是碳纤维、玻璃纤维等,而树脂体系主要是环氧树脂和双马来酰亚胺树脂,前者工艺性好,后者耐温性好。各种材料体系对复合材料的性能影响很大,在无人机复合材料结构件的设计中,需要根据实际受力情况和使用环境选择合适的材料。
复合材料在无人驾驶飞机上的应用
  无人驾驶飞机选用复合材料的一些优点:
  与传统金属材料相比,复合材料具有比强度高,比刚度大,热膨胀系数小,抗疲劳,抗振动能力强等特点,将其应用于无人驾驶飞机结构中,可减重25%~30%。该树脂基复合材料具有重量轻、结构复杂或体积大,易成型,设计空间大,比强度和比刚度高,热膨胀系数小等优点。
  二是复合材料本身具有可设计性,可以根据飞机的强度刚度要求进行优化设计,而不需要改变结构重量;在设计制造技术上满足了多数无人机高翼身融合结构所需要的大面积整体成形的特点。
在无人机复合材料结构设计中,通常采用的是复合材料轻量化、高比强度模量等性能。增强材料(碳纤维、玻璃纤维等)主要是通过其良好的机械性能与基材(树脂)结合而形成的。
  减轻重量是飞机结构设计的永恒主题。对无人驾驶飞机而言,只需将结构数量系数控制在30%以下,就可以腾出重量空间,让燃油、有效载荷、补偿隐身等增加重量,满足轻结构、长航程等要求。为了减轻重量,复合材料,尤其是先进复合材料将被广泛应用于无人机。该复合材料具有比强度高,比刚度大,热膨胀系数小,抗疲劳和振动能力强,可设计性强,易于整体成型等特点,应用于无人驾驶飞机结构,可减重20%~30%。
  根据统计,目前世界上各种先进的无人驾驶飞机复合材料的用量一般占机体重量的60%~80%。例如“捕食者”除机身梁外的所有飞机都是由复合材料制成;“暗星”全机采用了能满足其高隐身性能要求的复合材料外加吸波层;X-47B无人机90%机体表面覆盖碳纤维复合材料;X-37无人飞机机体采用了双马来酰亚胺预浸料。
  泡沫夹层是小型无人机的一种新型结构形式,具有重量轻、抗弯刚度大、强度高等优点。泡沫塑料夹层结构是一种承载效率较高的结构形式,对于小型无人机,不仅可以采用一般结构,还可以采用主要承载结构。AIREX?,思瑞安?泡沫塑料产品是世界上最优质的夹芯材料,该产品含有50%-96%的空气,它不仅能减少原材料消耗,而且还能降低重量和成本。把它作为芯材放置在玻璃钢结构中,可形成与传统结构相比重量可减少50%以上的夹层结构。
无人驾驶飞机复合材料设计标准的制定不需要考虑人体的生理承受能力,为充分发挥复合材料的性能优势,可设计比人机更小的安全系数,为提高灵活机动性能,可设计较大的过载系数达到15~20g。
复合材料在无人驾驶飞机上的应用
  另外,无人驾驶飞机经常出现在敌方空域防空和雷达监视中,这就要求隐身设计。近代隐身技术主要有材料隐身、涂层隐身、等离子体隐身、细节设计隐身等手段,复合材料无疑为隐身提供了更好的制造条件。
低耗高效率是无人机的显著特点。应用整体化成型技术对复合材料构件的结构形式、使用与维护费用、成本与效率等方面都有较大影响。近几年来,工程上已能采用RTM、RFI等成型工艺制造复合材料构件,但在国内还没有将这类成型工艺批量应用于特定型号。
  无人驾驶飞机的应用是继人飞上蓝天之后的又一重大科技进步,无论如何,积极开展复合材料在无人驾驶飞机上各种关键技术的研究与应用,必将使无人驾驶飞机的各项性能指标再上一个台阶。

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