縱觀國外無人機（包括中、高空無人偵察機、無人作戰(zhàn)飛機等），無一例外地大量使用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，有些甚至是全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，因此以復(fù)合材料為核心的無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計/ 制造技術(shù)是影響無人機發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。
一、國內(nèi)外無人機發(fā)展狀況 無人機的發(fā)展有著較長的歷史，世界上第一架無人機是英國于1917年研制成功的。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前世界上30 余個國家和地區(qū)已研制出了50 多種無人機，無人機型號超過300 余種，有55 個國家裝備了無人機，但發(fā)展最快、水平最高的主要是美國、以色列和俄羅斯。
美軍擁有的近20 種型號約250架無人機。機型主要包括陸軍的“獵犬（Hunter）”、“指針（Pointer）”和“影子200（Shadow200）”無人機，海軍陸戰(zhàn)隊的“龍眼（Dragon Eye）”和“先鋒（Pioneer）”無人機，空軍的“全球鷹（Global Hawk）”和“捕食者（Predator）”無人偵察機以及X-45、X-47 新型無人攻擊機。另外，還包括其他幾種小型的無人機系統(tǒng)，用于支援特種作戰(zhàn)需求。
我國研制無人機已有40 多年的歷史，先后研制成功長空一號無人靶機系列、長虹高空高速無人偵察機、T-6 通用型無人機、Z-5 系列無人偵察機、BZK-002 型無人偵察機、ASN系列無人機等。新近又開發(fā)了“翔龍”、“翼龍”無人偵察機、WZ-2000無人偵察機和“暗箭”等型號無人機。
研究的機構(gòu)主要是大學(xué)、研究所和一些企業(yè)，包括北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、成都飛機設(shè)計研究所、成都飛機工業(yè)集團、貴航集團和株洲無人機公司。近年來，隨著國家的重視, 國內(nèi)掀起了研制無人機的高潮。
二、復(fù)合材料在無人機上的應(yīng)用
1、復(fù)合材料在無人機上應(yīng)用的優(yōu)點與有人飛機相比，無人飛機（UAV）在機體結(jié)構(gòu)設(shè)計中既不需要考慮機動飛行過程中人的生理承受能力限制，也不需要因為特別強調(diào)人的生存性而對隱身及抗彈傷能力的結(jié)構(gòu)和材料作特殊考慮。不過由于無人機機載設(shè)備技術(shù)先進，要求高，因此也要求無人機有相當好的機體結(jié)構(gòu)性能，這使無人飛機在結(jié)構(gòu)選材上具有一些有別于有人飛機的新特點。無人機遂行任務(wù)的特殊性，也使其成為采用新型結(jié)構(gòu)材料的極好的平臺。
和傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料具有比強度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、抗疲勞能力和抗振能力強的特點，將它應(yīng)用于無人機結(jié)構(gòu)中可以減重25％ ~30％。據(jù)統(tǒng)計，目前世界上各種先進無人機的復(fù)合材料用量一般占機體結(jié)構(gòu)總重的60％ ~80％，復(fù)合材料的總用量可達90％以上。在無人機上大量采用復(fù)合材料的益處是多方面的。
首先，復(fù)合材料本身具有可設(shè)計性，在不改變結(jié)構(gòu)重量的情況下，可根據(jù)飛機的強度剛度要求進行優(yōu)化設(shè)計；在設(shè)計制造技術(shù)上滿足了大多數(shù)無人機在高度翼身融合結(jié)構(gòu)所需的大面積整體成形這一特點。其次，聚合物基復(fù)合材料具有特殊的電磁性能，改性后有希望滿足無人機結(jié)構(gòu)/ 功能一體的高隱身技術(shù)要求。復(fù)合材料的耐腐蝕性能，可滿足無人機惡劣環(huán)境下長儲存壽命的特殊要求，降低使用維護的壽命周期成本。
再次，復(fù)合材料易植入芯片或合金導(dǎo)體形成智能材料、結(jié)構(gòu)。
目前，復(fù)合材料在無人機領(lǐng)域已成為主要結(jié)構(gòu)材料，如碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、蜂窩夾層復(fù)合材料等。通常，無人機除機身的龍骨、梁和隔框、起落架等結(jié)構(gòu)件采用鋁合金外，機翼、尾翼及各種天線罩、護板、蒙皮等結(jié)構(gòu)件均大量使用復(fù)合材料。另外，在中小型無人機上，木質(zhì)材料、輕型塑料、塑料薄膜等非金屬材料也得到大量使用。復(fù)合材料的應(yīng)用對無人飛機結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、小型化和高性能化已經(jīng)起到了至關(guān)重要的作用。
2、復(fù)合材料在高空長航時無人機上應(yīng)用
“全球鷹”作為世界上最為著名的高空長航時無人偵察機，是由美國諾斯羅譜· 格魯門公司為美空軍研制的，由沃特（Vought）飛機工業(yè)公司生產(chǎn)。其采用大展弦比下單翼，細長機身，V 形尾翼，前三點起落架布局，機翼1/4 弦長處后掠5°54′，V 形尾翼（上反角50°）。復(fù)合材料機翼長達35m，復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的65％。沃特（Vought）飛機工業(yè)公司生產(chǎn)改進型“全球鷹”RQ-4B 飛機機翼時，使用了商用復(fù)合材料和環(huán)氧材料。新機翼更增至39.9m，重約1814kg。“全球鷹”的活動半徑為5500km，航程26000km，續(xù)航時間達到42h，實用升限19.8km，整機起飛重量11640kg，燃油重量6727kg，超過總重量的一半，具有從美國本土起飛對全球任何地點進行戰(zhàn)略偵察和戰(zhàn)術(shù)偵察的能力，是目前世界上最先進的高空長航時無人偵察機，它代表了目前高空長航時無人機發(fā)展的水平和趨勢。
中國“翔龍”無人機2006 年珠海航展上首次亮相。由成都飛機工業(yè)公司制造，初期采用金屬機翼，翼展25m，機身長度14.3m，巡航速度750km/h，最大任務(wù)載荷650kg，最大續(xù)航時間9.3h。
可以看出：“全球鷹”無人機的航程是“翔龍”的3 倍，翼展較“翔龍”多10m，任務(wù)載荷多250kg。比較國內(nèi)、外高空長航時無人機各項性能指標，研究發(fā)現(xiàn)：影響我國無人機性能的關(guān)鍵是設(shè)計制造并使用大展弦比復(fù)合材料柔性機翼。根據(jù)使用環(huán)境（通常高空）和性能要求（通常續(xù)航時間大于24h 和一定的任務(wù)載荷），高空長航時無人機需要攜帶盡量多的燃油（可以提高航程）和使用大展弦比柔性機翼（可以提高升力）。利用樹脂基復(fù)合材料密度小、比強度、比剛度大和可剪裁的優(yōu)點，可以設(shè)計出大展弦比柔性機翼；利用復(fù)合材料整體化設(shè)計/ 制造技術(shù)，可以在機翼上設(shè)置整體油箱，提高無人機的續(xù)航時間和航程。由此可見，無人機大展弦比復(fù)合材料柔性機翼整體化設(shè)計/制造技術(shù)是提高我國高空長航時無人機各種性能，特別是高空、長航時性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。
3、復(fù)合材料在攻擊無人機上應(yīng)用
美國已經(jīng)開始以X-45A、X-47A的概念驗證基礎(chǔ)上發(fā)展空／海軍通用的無人戰(zhàn)斗機。為了盡可能地降低結(jié)構(gòu)重量，無人戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)的一個顯著特點就是大量應(yīng)用復(fù)合材料，且遠遠超過有人戰(zhàn)斗機的應(yīng)用水平。
波音公司X-45A 翼展10.3m，弦長8m，空重3640kg，搭載有效載荷的能力為680kg。復(fù)合材料占X-45A結(jié)構(gòu)重量的45％。其機身由高速切削的鋁合金龍骨、梁及隔框覆以復(fù)合材料蒙皮構(gòu)成。將美國先進復(fù)合材料集團開發(fā)的LTM45EL 長壽命機織碳／環(huán)氧低溫固化預(yù)浸帶采用鋪層方式制造蒙皮、進氣道及艙門，工裝由Janicki 工業(yè)公司提供。低溫固化預(yù)浸料的固化應(yīng)用了該公司的兩個船形模具。該機身上部蒙皮約9m×3.7m，被鋪成一個整體件，而下部蒙皮則被加工成兩個4.5m×3.7m的部分。噴管部分的上、下蒙皮將分別采用Cytec 公司的BMI-5250.4 碳纖維／雙馬樹脂制造。它的固化溫度范圍處于177℃ ~204℃，使用溫度在59℃ ~204℃之間。依據(jù)美國國防部合同，波音獲準放棄X-45B 的開發(fā)，將該項目的有效載荷、航程及目標并入目前正在開發(fā)的J-UCAS 計劃中的X-45C，X-45C 弦長11m，翼展14.6m，飛行重量達l5900kg。
高空長航時無人機平臺是我國急待發(fā)展的重大軍事裝備項目。與金屬材料相比，樹脂基復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)重量輕、復(fù)雜或大型結(jié)構(gòu)易于成型、設(shè)計空間大、比強度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)小等諸多優(yōu)點。將復(fù)合材料直接應(yīng)用于無人機結(jié)構(gòu)上對減輕空機身重量、增加有效載荷、提高安全性和隱身性具有重要的作用。
縱觀國外無人機（包括中、高空無人偵察機、無人作戰(zhàn)飛機等），無一例外地大量使用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，有些甚至是全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，因此以復(fù)合材料為核心的無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計/ 制造技術(shù)是影響無人機發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。
三、無人機用復(fù)合材料設(shè)計/ 制造關(guān)鍵技術(shù)
1、無人機用復(fù)合材料設(shè)計標準制定無人機不需要考慮人的生理承受能力，為充分發(fā)揮復(fù)合材料的性能優(yōu)勢，可以設(shè)計比有人機更低的安全系數(shù)，為了達到更高的靈活機動性能，無人機可以設(shè)計較大的過載荷系數(shù)，達到15~20g ；同樣因為不需要考慮人員因素，無人機可以有更大的設(shè)計空間，采用更為先進的氣動構(gòu)型，因此要研究制訂一些新的設(shè)計規(guī)范和計算準則, 以指導(dǎo)無人機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計、計算、試驗和驗收鑒定等。
2、復(fù)合材料機翼氣動、結(jié)構(gòu)設(shè)計難點
以高空長航時無人機為背景，國內(nèi)已經(jīng)開展了大展弦比柔性復(fù)合材料機翼的相關(guān)研究，但這些研究對柔性復(fù)合材料機翼還缺乏足夠的認識，沒能有效揭開結(jié)構(gòu)、強度、氣動、控制之間強烈的耦合關(guān)系，更談不上有效利用大展弦比復(fù)合材料機翼的柔性來提高飛機的性能。
高空、超高空長航時無人偵察機工作在20~30km 的高度上，空氣稀薄，空氣密度小于海平面空氣密度的8.4%，因此研究這種低雷諾數(shù)氣動特性和升力之間的關(guān)系，是提高機翼升力的途徑之一。
大展弦比復(fù)合材料柔性機翼，在飛行載荷作用下，當有一個外部激勵時，必將產(chǎn)生一個非線性的結(jié)構(gòu)變形，同時結(jié)構(gòu)的非線性變形又對氣動產(chǎn)生影響，形成結(jié)構(gòu)和氣動力的耦合作用，這種耦合影響容易導(dǎo)致高空長航時無人機氣動發(fā)散，無法收斂導(dǎo)致機翼失效。因此，采用大展弦比機翼的高空無人機必須解決這種柔性機翼的飛行控制問題。
大展弦比復(fù)合材料柔性機翼為輕結(jié)構(gòu)，要滿足結(jié)構(gòu)具有最小重量和具最大的效率要求，往往要依靠綜合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。由于大展弦比復(fù)合材料柔性機翼設(shè)計的復(fù)雜性，這種綜合優(yōu)化設(shè)計需要在多個層次上進行優(yōu)化設(shè)計，例如拓撲形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化，而且，這種優(yōu)化是考慮復(fù)雜的氣動彈性問題的有多種目標、多種約束性質(zhì)、多種多級設(shè)計變量的綜合優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。
3、大型復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)整體化制造變形
復(fù)合材料制造的一個突出的問題是不能類似于金屬構(gòu)件那樣得到精確的幾何或構(gòu)型尺寸，特別是對于大型整體化復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，往往可能因為一個較小的局部結(jié)構(gòu)制造變形，最終會造成大型整體化復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的變形，不能用于部件的裝配。典型的大型復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)有高空長航時無人機大展弦比柔性復(fù)合材料機翼、無人攻擊機翼身融合體大型復(fù)合材料整體構(gòu)件等。在研究這些結(jié)構(gòu)制造過程中，關(guān)注溫度分布不均、壓力分布不均勻、結(jié)構(gòu)非對稱等因素對變形的影響并確定影響變形的關(guān)鍵因素、提出變形控制方法和提供對變形進行補償?shù)母鞣N措施，以便合理而有效地解決大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造變形問題。
4、隱身復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計/ 制造技術(shù)
隱身是現(xiàn)代戰(zhàn)機要求的一項高尖端技術(shù)，無人機由于經(jīng)常出現(xiàn)在敵方的防空和雷達監(jiān)測的空域中，對隱身提出了更高的要求?，F(xiàn)代隱身技術(shù)主要有材料隱身、涂層隱身、等離子體隱身、結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計隱身等手段。無人機結(jié)構(gòu)多為復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計隱身的基礎(chǔ)上，作者認為可以優(yōu)先開展復(fù)合材料泡沫或蜂窩夾層結(jié)構(gòu)隱身設(shè)計和制造技術(shù)研究，在細節(jié)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造層次上解決無人機復(fù)合材料隱身技術(shù)。
5、RTM 和RFI成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能評估技術(shù)
低成本、高效費比是無人機的顯著特點。采用整體化成形技術(shù)對于減少復(fù)合材料部件結(jié)構(gòu)數(shù)量、降低使用和維護費用、節(jié)約成本、提高效率具有重要的作用。近年來，工程上，已經(jīng)能夠用RTM 和RFI 成型工藝方法制造復(fù)合材料構(gòu)件，但是國內(nèi)尚沒有將這種成型工藝方法制造復(fù)合材料構(gòu)件批量應(yīng)用到具體型號上。究其原因，作者認為是對RTM 和RFI成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件（如編織復(fù)合材料構(gòu)件）設(shè)計、力學(xué)性能、構(gòu)型和力學(xué)性能之間的關(guān)系尚未認識清楚。國內(nèi)盡管部分對RTM 和RFI 成型復(fù)合材料構(gòu)件力學(xué)性能進行了研究，但這種研究是不系統(tǒng)和不完整的。因此進一步深入研究評估RTM 和RFI成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能是實現(xiàn)低成本、高效費比無人機結(jié)構(gòu)平臺的設(shè)計/ 制造的有力保證。
另外，還有低成本制造技術(shù)（低成本材料、自動化制造、結(jié)構(gòu)連接技術(shù)等）、快速復(fù)合材料無損檢測技術(shù)、智能材料設(shè)計/ 制造技術(shù)等。
先進樹脂基復(fù)合材料在國外無人機上得到了廣泛的應(yīng)用，為復(fù)合材料的發(fā)展迎來了嶄新的發(fā)展機遇。國內(nèi)先進樹脂基復(fù)合材料在無人機上的應(yīng)用才剛剛開始，積極地開展復(fù)合材料在無人機上各種關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用，必將推動無人機各項性能指標邁上一個新臺階。
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