复合材料与无人飞机

第二期 陈绍杰：复合材料与无人飞机 - 11 - 前 言 无人飞机 （ ）， UAV Unmanned Aerial Vehicles 包括无人作战飞机 （ UCAV Uninhabited Combat ）是当今世界上军用武器发展的一Aerial Vehicles 个热点。上个世纪 年代初，美国首先将无人机 60 用于军事侦察，此后无人机先后参加了越南战 争、中东战争以及近期的海湾战争和科索沃战 争，均发挥了其重要作用。美国高空长航时战略 无人侦察机“全球鹰”（ ），飞行Global Hawk 高度 以上，留空时间 以上，曾自行 20 000m 34h 由美国本土飞抵澳大利亚去参加军事演习。美国 中空战术无人机“捕食者”（ ）在对阿Predator 富汗的军事行动中，曾于 年 月于机上发 2001 10 射了“海尔法”式反装甲导弹，首开了无人机用 于攻击作战之先河。美国波音飞机公司为美国空 军研制的 先进技术验证机 已于 UCAV X-45A 年 月 日出厂，并于 年 月首飞。2000 9 27 2002 6 诺斯罗普·格鲁门公司为美海军研制的 先 UCAV 进技术验证机“飞马”（ ）已于 年Pegasus 2001 月出厂并于 年首飞。美国于 年2 2002 2008 组建一支 中队，编制为 － 架飞机， UCAV 12 24 其发展速度之快令人吃惊。与发展相适应的是， 在资金投入上也是相当可观的，以美国而言， － 年累计投资 亿美元，计划 年1990 1999 30 2000 － 年投资 亿美元，仅 年即为 亿美2005 23 2003 4 元，其重视程度又可见一斑。 发展是需求推动的结果。无人机在执行许多 任务方面远比有人机更具特点和优点，因而也更 有效。有人预言无人作战飞机将有可能成为 世 21 纪空中作战的新式武器，成为空中作战的主导力 量。还应指出，除军用外无人机在民用领域也有 极为广泛的应用前景。 据报导，世界上的各种无人机，包括靶机、 无人侦察机、无人作战飞机以及微型无人机和各 种民用无人机均无一例外地大量使用了复合材 料，有些甚至是全复合材料无人机。因此以复合 材料为核心的无人机机体结构技术应是各种无人 机发展的关键技术之一。 无人机对复合材料的需求1 无人机作为一种新型航空作战武器，从机体 平台技术观点看其具有下列共同的技术特点和要 求：低成本、轻结构、高隐身、长航时、低使用 寿命、长储存寿命，对 来讲还有高机动、 UCAV 大过载的要求。上述这些特点和要求给无人作战 飞机的机体结构设计带来了严峻的挑战，也给复 合材料的应用带来了独特的需求和良好的发展机 遇。 减重是飞机结构设计永恒的主题。无人机对 减重有特殊的需求。只有将结构质量系数控制在 以下才能腾出质量空间让给燃油、有效载30% 荷、补偿隐身带来的增重，满足轻结构、长航 碳纤 碳布 芳纶 芳纶布 混杂布 蜂窝芯 富阳特纤所 0571-63372466 复合材料与无人飞机 陈绍杰 （沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳 ） 110035 摘 要 : 本文论述了无人机对复合材料的需求，给出了复合材料在无人机上应用的概况以及无人机复合材料技术 发展研究的要点。 关键词: 复合材料；无人机；无人作战飞机 中图分类号: TQ342+.742; V279 文献标识码: A 文章编号 : （ ）1007-9815 2003 02-0011-04 第二十八卷第二期 2003年 月04 高科技纤维与应用 Hi-Tech Fiber & Application Vol.28, No.2 Apr., 2003 收稿日期: ；修定日期2003-02-26 :2003-04-10 作者简介:陈绍杰（ ），男，吉林长春人，沈阳飞机设计研究所研究员，从事于飞机结构设计及先进复合材料发展研究。1942- - 12 - 高科技纤维与应用 第二十八卷 程、高隐身、高机动等技术要求。为减重在无人 机上必将大量采用复合材料，特别是先进复合材 料，据统计，目前世界上各种先进的无人机复合 材料的用量一般占机体结构总质量的 － 60% ，有些并且是全复合材料飞机，即复合材料80% 的用量可达 以上。在无人机上大量采用复合 90% 材料的意义有： ⑴ 首先是利用先进复合材料高比强度、高比 刚度的特性实现减重，在满足机体结构强度和刚 度的前提下确保结构质量系数达到 以下。 30% ⑵ 无人机：特别是 多半采用高度翼 UCAV 身融合的飞翼式总体布局，需要结构上的大面积 整体成型。复合材料在设计和制造技术上恰恰具 有这一特点，适于大面积整体成型，满足这一特 定的需求。 ⑶ 现在多用的聚合物基复合材料是一种非金 属材料，具有特殊的电磁性能，研究改性后可具 有一定的隐身功能，有希望实现结构 功能一体/ 化，满足无人机高隐身的技术要求。 ⑷ 复合材料具有优异的耐腐蚀性能，可满足 无人机各种环境条件下长储存寿命的特殊要求， 降低使用维护的寿命周期成本。 ⑸ 复合材料易形成智能材料，智能结构、可 与自适结构融合，为无人机大展弦比高升阻比机 翼提供气动特性和颤振主动控制以及柔性机翼的 主动控制技术提供发展空间。 无人机上复合材料的应用2 下面给出一些无人机上复合材料应用的概 况，并对几个较典型的应用作了较详细的说明。 如前所述，国外的无人机，包括 均无 UCAV 一例外地大量采用了复合材料。如“捕食者”除 机身大梁外全机由复合材料制成。“暗星”全机 采用复合材料外加吸波涂层，满足其高隐身性能 的要求。此外如以色列的“先锋”和搜索者、美 国的“鹰眼”、英国的“不死鸟”和南非的“秃 鹫”等许多著名的无人机均为全复合材料飞机， 且多数以碳纤维复合材料为主并混杂以玻纤和芳 纶等复合材料。混杂复合材料在无人机上的应用 是其特色之一，有利于降低成本。 美国诺斯罗谱·格鲁门公司为美空军研制的 “全球鹰”高空长航时无人侦察机，高度翼身融 合布局，G 起飞 ，=11 640kg G 燃油 ，超过总=6 727kg 重的一半，除机身主结构为铝合金的外，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，复合材料的用量约为结 构总重的 。其中复合材料机翼长达 ，长 65% 35m 于 的机翼，为满足弯曲刚度的要求为 梁 B737 4 式承扭盒， 个“工”形梁，由 公司提供4 Cytec 的高模碳纤维 环氧预浸料制造。蒙皮为层压板结/ 构，由单向带制造， °铺层占 ，其余铺层0 50% ，用于提供扭转刚度，翼内则为整体油箱，50% 前后缘均为蜂窝夹层结构，采用 公司提供 Hexcel 的 芯材。主结构用 ℃ 热压罐固化成 Nomex 121 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。整个机翼分 段制造，彼此 3 之间用机械连接。表面固化有铜网，用于防雷 击，对带有整体油箱的大面积复合材料机翼而 言，防雷击是重要的。 美国波音飞机公司为美空军研制的 先 UCAV 进技术验证机 ，采用高度翼身融合的无尾 X-45A 式飞翼布局，空重 ，燃油重 ，内 3 629kg 1 220kg 部骨架为铝合金结构，外部结构为复合材料结 构，到生产型时将采用全复合材料结构（ 以90% 上结构质量为复合材料）。目前机身在波音飞机 公司制造，采用低温固化预浸料，模具由 玻纤 E- 布制成，为低成本原型机模具系统。机翼则采用 创新的 （ ）技术在 FMC Foam Matrix Core Foam 公司制造。 的主要工艺过程如下：Matrix FMC ·以补偿件代表蒙皮厚度放入模具内； ·注入泡沫，使之膨胀达补偿件内缘并固 化； ·从模具中取出已固化成型的夹芯； ·去掉补偿件，在夹芯外缠上纤维； ·用 法成型，使零件连同夹芯一起固 RTM 化； ·翼面的内部零件，如肋、金属接头、管线 等于发泡前预置于模腔内。 该方法大大减少了零件数和固化后的机加装 碳纤维补强片材 杭州索奇先进复材公司 0571-63373236 第二期 陈绍杰：复合材料与无人飞机 - 13 - 配工作量，其成本较常规方法可降低一半。FM 公司由于革新了 无人机机翼的设计和制造 UCAV 技术获得了波音供应商 年度革新奖。实际 2002 上 技术原用于复合材料冲浪板、滑板和小 FMC 帆船的制造上，系由民用制造技术转移而来。 诺斯罗谱·格鲁门飞机公司为美海军研制的 无人攻击机 ，号称“飞马”，形如风筝， X-47A 更像一块钻石，亦是一架高度翼身融合的无尾飞 翼布局飞机，全机由复合材料制成，可称全复合 材料飞机，飞机空重 ，机体结构由 个部 1 740kg 4 分组成，即沿机体中心线上、下各两大部分组 成，典型地发挥了复合材料大面积整体成型的优 点。 除军用外，各种无人机亦有民用和科学研究 的价值，如在民用领域无人机可用于通讯中继、 环境监控、气象观测、大地测量、森林防火、喷 洒农药等。其中最典型的是太阳能无人机的研 制。 美国 于 年启动 计划，研 NASA 1994 ERAST 制赫里阿斯（ ）太阳能无人机，为一高空Helios 长航时稳定的飞行平台，用于收集大气和地面数 据的科学研究事业。 公司花费Aero Vironment 万美元制造了 的原型机，空重4 000 Helios ，有效载荷 ，全机几乎为复合材料制600kg 282kg 成，详情如下： 实质上为一个飞翼，展长Helios ，远远超过 的展长，弦长 ，沿展75m B747 2.44m 向翼型等厚，以提供足够的抗弯能力。主结构系 由碳 环氧复合材料制成，管状翼梁，全翼沿展向/ 均匀分成 段，每个对接点处有一个复合材料 6 舱，装有起落架、电池、飞行计算机和仪器等有 效载荷。太阳能片布满整个上翼面，驱动 台电 14 动发动机，各带动 个双叶螺旋桨。 年 月 1 2001 8 日的一次飞行中创下了飞行高度 的世13 29 516m 界纪录，飞行了 ，以后计划可飞行长达 。 17h 96h 没有先进复合材料的成功应用就没有这一纪录。 国内的各种无人机研制也在积极进行或正在 启动。据知国内无人机上亦大量采用了复合材 料，有的也是全复合材料无人机，但先期的无人 机多以玻璃钢为主，如南京航空航天大学研制的 高级无人侦察机。近期则有转向以先进BZK002 复合材料为主的趋势，如以北京航空航天大学为 主研制的 中高空远程无人侦察机。 XXX 国家“ ”、“ ”等高技术项目，已将863 973 航空领域列入其中，有关无人机的发展研究均已 列为该领域的重要预研项目，“复合材料机体结 构技术”即为其几大关键技术之一，目前正在积 极开展工作。 无人机复合材料技术研发要点3 无人机对复合材料技术有特殊的需求，从无 人机的任务特点和战技指标要求出发，无人机的 复合材料技术研究发展要点可大致规划如下： ⑴ 适用于无人机复合材料结构设计和分析计 算准则与规范的研究和制订。无人机的安全系数 比有人机的要低，可能在 － 之间适当选取， 1 1.5 的过载系数要高，可达 － 。由此给UCAV 15g 20g 结构设计和强度计算分析会带来许多质的变化， 因此要研究制订某些新的设计规范和准则，以指 导无人机复合材料结构的设计、计算、试验和验 收鉴定。 ⑵ 低成本复合材料技术的发展研究。无人作 战飞机以及其他无人机最重要的特点之一就是成 本要低，低成本乃是研发该类型武器的政治、经 济的出发点之一，一般讲其采购成本可能只是先 进有人机的 － ，低成本的概念和要求将贯 1/4 1/2 彻无人机研制的始终。服务于这一总要求也必须 发展研究低成本的复合材料技术，实际上低成本 复合材料技术乃是当今世界上复合材料技术领域 发展研究的核心问题之一，其包括了低成本的设 计技术、低成本的材料技术和低成本的制造技 术。设计是先导、材料是基础、制造是关键，其 中最重要的是发展研究低成本的制造技术。 ⑶ 发展研究创新的制造工艺技术，重点应是 共固化 共胶接为核心的大面积整体成型技术，包/ 括其中的模具技术，减少零件数目、减少紧固件 数，向国际提出的“无紧固件”技术靠拢，减少 后加工量和装配工作量。其他如各种 低成 RTM 本制造技术亦应在原有基础上进一步发展、完善 和提高。在条件允许的前提下要注意规划发展机 碳纤 碳布 芳纶 芳纶布 混杂布 蜂窝芯 富阳特纤所 0571-63372466 - 14 - 高科技纤维与应用 第二十八卷 械化、自动化制造技术，如自动铺带技术、自动 纤维铺放技术等。同时注意借鉴其他领域的经 验，在飞机零件制造中适当采用缠绕、拉挤等低 成本的自动化制造技术，填补这一空白。 ⑷ 发展研究无人机适用的材料体系，为其选 材提供方便条件。目前各种无人机飞行马氏数不 高，耐温要求相对较低，一般应在 ℃－ ℃ 80 100 之间。因此发展研究中温固化树脂体系十分必 要，同时还有中温固化的、流动性好的各种 RTM 成型用的树脂。纤维方面可探讨大丝束纤维（48 － ）在无人机上应用的可行性，因其成本仅60K 是小丝束纤维的 左右，可降低材料成本。设 1/4 计部门和材料部门应合作研究制订备选材料体系 的设计许用值，满足应用的需求。 ⑸ 为满足各种无人机高隐身的技术要求，要 发展研究复合材料的隐身技术，实现结构 功能一/ 体化。其主要工作内容应包括碳纤维的电磁性能 改性研究，使之能吸透波，新型吸透波纤维，如 等的试用研究；与复合材料相容的吸波涂层PBO 研究；混杂复合材料、特种吸波蜂窝结构的应用 研究；复合材料结构隐身细节设计技术研究，以 及各种隐身复合材料的力学性能设计与测试， 值计算技术研究等。RCS ⑹ 适应于无人机的复合材料结构设计相关技 术研究。其主要内容应有大展弦机翼气动弹性剪 裁技术研究、机身、机翼整体油箱设计及其防雷 击、防静电技术研究。因无人机上有大量的电 器、天线装载，还应注意解决好整机的电磁兼容 问题。无人机因其短使用寿命，损伤容限和耐久 性要求可能较低，结构设计一定强调简单化，注 意混杂复合材料的合理设计和应用，以有利于降 低成本。 ⑺ 以复合材料为载体的自适应结构的发展研 究。无人机是一类新型航空武器， 可能若UCAV 干年后才会在我国进入服役，因此从长远的发展 角度看，应注意以智能材料、智能结构为前提的 自适应结构在无人机上的应用研究，如结构的健 康监控，自适应柔性机翼、颤振主动抑制等项研 究，其中很有前景的应是能大幅度提高升阻比的 自适应柔性复合材料机翼的发展研究。 为适应未来战争和科研民用的需求，我国各 种无人机的发展研究已提到重要的议事日程，并 在积极规划实施中。各种无人机的性能特点、使 用技术决定了其对复合材料有特殊的需求，国内 外的实践表明，在各种无人机上大量使用复合材 料已是不争的事实，这为复合材料技术的发展和 应用提供了大好的机遇。但机遇总是与挑战同 来，无人机的复合材料技术也给我们带来了严峻 的挑战。国内复合材料界的同仁应勇敢面对这一 挑战，作好无人机复合材料技术的发展、研究和 应用工作。 参考文献: [1] BARRY BERENBERG. Unmanned composite aircraft patrol the skies[J]. High-performance composite, 2002. 齐开升 为美国海军研制的 “飞马” 无人[2] . X-47A [J]. 机, 2002,(1). [3] 张强 无人作战飞机第一机 无人机. X-45A [J]. , 2002, (2). [4] Solar-powered helios completes record-breaking flight[Z]. High-performance composite, 2001. 碳纤维补强片材 杭州索奇先进复材公司 0571-63373236 Composites and UAV CHEN Shao-jie (Shenyang Aircraft Design and Research Institute, Shenyang 110035, China) Abstract: This article describes the requirement of UAV for composites, gives the situation of composite application on UAV and the points of development and research for composite technology of UAV. Key words: composite; UAV; UCAV