２６· 飞机设计第３期２００３年９月 无人机上复合材料的应用与研究 陈绍杰 （沈阳飞机设计研究所，沈阳，１１００３５）
摘要：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 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｏｒ ＵＡＶ
（Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００３５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ＵＡＶｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｔｏ ＵＡＶ ａｉｒｆｒａｍｅｓ ａｎｄ ｓｏｍｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ａｒｅ ｇ／ｖｅｆｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ＵＡＶ；ＵＣＡＶ
１ 无人机对复合材料的需求 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ＵＣＡＶ来讲还有高机动、 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，只有将结构重量系数控制在 ３０％以下才能腾出重量空间让给燃油、有效载 荷、补偿隐身带来的增重，满足轻结构、长航 时、高隐身、高机动等技术要求。为减重，在无 人机上必将大量使用复合材料，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重的６０％一８０％， 有些并是全复合材料飞机，即复合材料的用量可 达９０％以上。在无人机上大量采用复合材料的意 义有： （１）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重量系数达到３０％以下。 （２）无人机：特别是ＵＣＡＶ多半采用高度翼 身融合的飞翼式总体布局，需要结构上的大面积 整体成形。复合材料在设计和制造技术上恰恰具 有这一特点，便于大面积整体成形，满足这一特 定的需求。 （３）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。 （４）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。 （５）复合材料易形成智能材料，智能结构、 可与自适应结构融合，为无人机大展弦比高升阻
婀稿日期：２０ｏ３—０５—２２ 作舞简介：陈绍杰（１９４２一），男，研究员，主要研究方向：飞机结构设计和先进复合材料发展研究。
维普资讯 http://www.cqvip.com 陈绍杰：无人机上复合材料的应用与研究 ·２７· 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。
２无人机上复合材料的应用 下面给出一些无人机复合材料应用的概况， 并对几个较典型的应用给出了一些较详细说明。 如前所述，国外的无人机，包括ＵＣＡＶ均无 例外地大量采用了复合材料 Ｊ。如“捕食者” （Ｐｒｅｄａｔｏｒ）除机身大梁外全机由复合材料制成。 “暗星”（Ｄａｒｋ ｓ诅ｒ）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”（Ｐｉｏｎｅｅｒ）和搜索者（￣ｃｈｅｒ）、美国 的“鹰眼”（Ｅａｇｌｅ Ｅｙｅ）、英国的“不死鸟” （Ｐｈ￣ｎｉｘ）南非的“秃鹫”（Ｖｕｌｔｕｒｅ）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”（ＧｌｏｂＭ Ｈａｗｋ）高空长航时无人侦察 机，高度翼身融合布局，Ｇ起飞＝１１ ６４ｏ ｋｇ。Ｇ燃油＝ ６ ７２７ ｋｇ，超过总重的一半，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６５％。其中复合材料 机翼长达３５ ｍ，长于Ｂ７３７的机翼，为满足弯曲 刚度的要求为４粱式承扭盒，４个Ｉ形梁，由ｃｙ． ｔｅｅ公司提供的高模碳纤宝匡／环氧预浸料制造。蒙 皮为层压板结构，由单向带制造，０。铺层占 ５０％，其余铺层５０％，用于提供扭转刚度，翼内 则为整体油箱，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℃ 热压罐固化成形，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 ３段制造，彼此之间用机械连接。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ＵＣＡＶ先 进技术验证机Ｘ一４５ＡＬ２ Ｊ，采用高度翼身融合的 无尾式飞翼布局，空重３ ６２９ ｋｇ，燃油重１ ２２０ ｋｇ，内部骨架为铝合金结构，外部结构为复合材 料结构，到生产型时将采用复合材料结构（９０％ 以上结构重量为复合材料）。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Ｅ一玻纤
图１ 高空长航时无人侦察机“全球鹰” 图２ “全球鹰”复合材料机翼主翼盒 图３ “全球鹰”机翼静力试验 布制成，为低成本原型机模具系统。机翼则采用 创新的ＦＭＣ（Ｆｏａｍ Ｍａｔｒｉｘ Ｃ０ｆｅ）技术在Ｆｏａｍ Ｍａ—
维普资讯 http://www.cqvip.com ２８· 飞机设计第３期２００３年９月 ｔｅｆｉｘ公司制造。ＦＭＣ的主要工艺过程如下： （１）以补偿件代表蒙皮厚度放入模具内。 （２）注入泡沫，使之膨胀达补偿件内缘并固 化。 （３）从模具中取出已固化成形的夹芯。 （４）去掉补偿件，在夹芯外缠上纤维。 （５）用ＲＴＭ法成形，使零件连同夹芯一起固 化。 （６）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。 图４［ＪＣＡ￣先进技术验证机Ｘ一４５Ａ 该方法大大减少了零件数和固化后的机加装 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ＵＣＡＶ无人机机翼的设计和制造 技术，获得了波音供应商２００２年度革新奖。实 际上ＦＭＣ技术原用于复合材料冲浪板、滑板和 小帆船的制造上，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Ｘ一４７Ａ Ｊ，号称“飞马”（Ｐｅｇａ— ｓｕｓ），形如风筝，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１ ７４０ ｋｇ， 机体结构由４个部分组成，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 积整体成形的优点。 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ＮＡＳＡ于ｌ９９４年启动ＥＲＡＳＴ（Ｅｎｖｉｒｏｎ— ｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｉｒｃｒａｆｔ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）计 划，研制赫里阿斯（Ｈｅｌｉｏｓ）太阳能无人机 ｊ，为 高空长航时稳定的飞行平台，用于收集大气和 地面牧据的科学研究事业。Ａｅｒｏ Ｖｉｒｏｎｍｅｎｔ公司花 费４０００万美元制造了Ｈｅｌｉｏｓ的原型机，空重６００ ｌ【ｇ，有效载荷２８２ ｋｇ，全机几乎为复合材料制成， Ｈｅｌｉｏｓ实质上为一个飞翼，展长７５ Ｉｌｌ，远远超过 Ｂ７４７的展长，弦长２．４４ ｍ，沿展向翼型等厚， 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６ 段，每个对接点处有一个复合材料舱，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ｌ４台电动发动机， 各带动一个双叶螺旋桨。２００１年８月１３日的一 次飞行中创下了飞行高度２９ ５１６ ｍ的世界纪录， 飞行了１７ ｈ，以后计划可飞行长达９６ ｈ。没有先 进复合材料的成功应用就没有这一纪录。
图５太阳能无人机Ｈｅｌｉｏｓ 图６海军型无人攻击机Ｘ一４７Ａ 于２００３年２月２４日首飞
维普资讯 http://www.cqvip.com 陈绍杰：无人机上复合材料的应用与研究 ·２９· 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 ＢＺＫ００２高级无人侦察机。近期则有转向以先进 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。 国家“８６３”、“９７３”等高技术项目，已将航 空领域列人其中，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。 ３ 无人机复合材料技术的研究与发展 简如前述，无人机对复合材料有特殊的需 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的研究发展也有其特点。 经初步研究，笔者认为应重点研究发展以下几项 相关技术： （１）适用于无人机复合材料结构设计和分析 计算准则与相关规范的研究和制订。如无人机的 安全系数比有人机的要低，可能在１～１．５之间 适当选取，ＵＣＡＶ的过载系数可能要高，可达ｌ５ ２０ｇ。由此给结构设计和强度分析会带来许多 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、试验和验收鉴定等。从长远看，还应注意研 究可靠性设计方法，以补充和完善安全系数法的 不足。 （２）低成本复合材料技术的研究发展。无人 机最重要的特点之一就是成本要低，低成本乃是 研发该类武器的政治、经济出发点之一，因此低 成本的概念和要求将贯彻无人机研制的始终。服 务于这一总要求也须发展研究低成本的复合材料 技术，努力降低每公斤复合材料制件的成本数。 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，特别是低 成本的制造技术。国内急需在这几方面作好规划 研究，以满足各种无人机研制的需要。 （３）发展研究创新的制造工艺技术，重点应 是以共固 共胶接为核心的大面积整体成形技 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”（Ｆａｓｔｅｎｒ－ ｌｅｓｓ）技术靠拢，减少后加工量和装配工作量。 其他如各种ＲＴＭ低成本制造技术亦应在原基础 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。 （４）发展研究无人机适用的材料体系。针对 各种无人机用材料的特点，发展研究无人机适用 的材料体系，乃是当务之急。一般讲各种无人机 飞行马赫数不高，耐温要求相对较低，大约应在 ８０～１００Ｔ：之间。因此发展研究中温固化树脂体 系及其成形技术十分必要，同时还有中温固化 的、流动性好的各种成形用的树脂。增强纤维方 面可探讨大丝束纤维在无人机上的试用。目前世 界碳纤维市场的态势是产大于销，竞争中价格有 下降，如１２Ｋ的１７ｏｏ产品大约为２００ 公斤， ４８～６０Ｋ大丝束纤维１５０—２００ 公斤，仅是 Ｔ３００Ｋ纤维价格的１／４左右。目前国内已可将４０ ６０Ｋ的大丝束预浸料作到和小丝束一样的厚 度，且已基本测试出其复合材料的主要性能，建 议可在无人机上研究试用。无人机的材料中还应 注意混杂复合材料的合理设计应用，推荐以碳纤 维和玻璃纤维的混杂应用为主，出于种种原因， 建议少用或不用芳纶混杂复合材料。 （５）为满足各种无人机高隐身的技术要求， 应大力发展复合材料的隐身技术，实现其结构／ 功能一体化的目标。一般讲目前主结构用的碳纤 维复合材料对电磁波是全反射的，无透波吸波功 能可言。因此要作其电磁性能改性研究，使之能 部分吸透波、降低ＲＣＳ值。此外还要注意新型吸 透波纤维，如ＰＢＯ纤维等的试用研究。寻找与复 合材料相容并高效的吸波涂层、混杂吸波复合材 料、特种异型吸波蜂窝结构的应用、复合材料结 构隐身细节设计技术研究、隐身复合材料结构 ＲＣＳ值的计算技术研究等均应进行。研究中还应 注意对各种隐身复合材料既要进行电磁性能研 究，又要进行力学承载能力研究，因为目标是结 构／功能一体化。 （６）适用于无人机的复合材料结构设计技术 研究。无人机的复合材料结构设计应力求简单 化，要相应发展数字化、自动化的设计技术。其 他主要内容还应包括翼身融合体的设计、大展弦