无人机结构复合材料应用进展.pdf

1、2012 年第 18 期航空制造技术93技术前沿TECHNOLOGY FRONT无人机结构复合材料应用进展中航工业北京航空制造工程研究所 程文礼 邱启艳沈阳飞机工业（集团）有限公司 赵 彬 先进树脂基复合材料在国外无人机上得到了广泛应用，国内先进树脂基复合材料在大型无人机上的应用才刚刚开始，与国外先进技术相比还存在不小差距，为满足未来无人机的高空、长航时、功能性、经济性等各种高性能需求，积极地开展复合材料在无人机上各种关键技术的研究和应用，包括原材料的开发、结构设计、整体成型、低成本制造等技术，将促进我国无人机行业的快速发展。Application Progress of Composites

2、 for UAV程文礼工程师，2007 年毕业于北京航空航天大学材料科学与工程学院，获工学硕士学位，毕业至今一直在中航工业北京航空制造工程研究所从事飞机复合材料制造与研究工作。复合材料具有比强度和比刚度高、热膨胀系数小、抗疲劳能力和抗振能力强以及可设计性强、易于整体成型等特点，将它应用于无人机结构可以减重 20 301。国外无人机 UAV（Unmanned Aerial Vehicles），包括无人作战飞机 UCAV（Uninhabited Combat Aerial Vehicles）均无一例外地大量采用复合材料。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

3、层，满足其高隐身性能的要求；X-47B 无人作战飞机90% 机体表面由碳纤维复合材料覆盖；X-37 无人空天飞机机体结构采用双马来酰亚胺预浸料制造。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2。几种典型无人机复合材料应用1 高空长航时无人机复合材料应用高空长航时无人 机 典型代表是诺斯罗普 格鲁曼公司为美国空军研制的 RQ-4 “全球鹰”，这也是美国空军乃至全世界最先进的无人机之一。其航程为 22236km

4、，续航时间达到 35h，最大飞行速度为 650km/h，实 用 升 限 19.8km，整 机 起 飞 重 量12110kg，它代表了目前高空长航时无人机发展的水平和趋势，由 Vought飞机工业公司生产。除机身主结构为铝合金外，其余均为复合材料制成，机翼、尾翼、发动机短舱、后机身采用碳纤维复合材料制造，雷达罩、整流罩采用玻璃纤维复合材料制造，复合材料的用量约为结构总重的 65%，如图 1 所示。其中复合材料机翼翼展长达 35.4m，长于波音 737的机翼，为满足弯曲刚度的要求，诺斯罗普 格鲁曼公司选用 4 梁式承扭盒结构，4 根“工”形梁由 Cytec 公司提供的高模碳纤维织物 / 环氧预浸料

5、制造。蒙皮为复合材料层压板结构，自身可以承载弯曲载荷，由单94航空制造技术2012 年第 18 期技术前沿TECHNOLOGY FRONT向带预浸料制造，翼展方向铺层占50%，其余铺层占 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蜂窝芯制造。所有机翼复合材料在铝模具上铺叠，121热压罐固化成型，生产过程中采用 FiberSIM 软件进行铺层模式的设计，用 Gerber Technology 公司的自动下料机进行预浸料的裁剪，并利用GSI Lumonics 激光投影技术定位铺层，蜂窝芯型面由 Cincinnati Machine公

6、司的五轴数控机床加工，梁和蒙皮分别固化后采用 Hysol 室温胶粘剂进行二次胶接，减少了紧固件用量并防止渗透，整个机翼分成 3 段，彼此之间采用机械连接3-4。改进型“全球鹰”RQ-4B 机翼增至 39.9m，重约 1814kg，是 Vought 达拉斯工厂交付的最长机翼，如图 2 所示，其结构形式与 RQ-4 基本相同，但组合方式不同，并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（RQ-4 机翼为 3 部分组成：一个15m 长横跨机身的翼盒，两个 10m长的外翼和翼尖组合件），两个复合材料结构在机身中线对接可以提高气动效率

7、3。另外，在翼尖部分的制造采用了 Radius Engineering 公司开发的 SQRTM（Same Qualified Resin Transfer Molding）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），还有一个翼尖帽型件（Tip-cap Closeout）。每个承扭盒均包含 6 根层压复合材料桁条，机翼前后缘和外翼肋组成一个整体结构。而原始的设计是每个承扭盒由两根蜂窝夹层结构桁条和多根翼肋组成，制造成本增加。利用 SQ RTM 技术仅用3个模 具 就能完成左、右翼尖所有零部件的制备。其中，左承扭盒通过第 1 个模 具 制备，右承扭盒通过第

8、 2 个 模具，而其余部件则通过第3个模 具制备，它们包括左、右内侧翼肋，左、右翼边帽型件以及帽型件底部用于覆盖检查孔的盖板。所有部件均采用 Cytec 碳纤维 /7714A 环氧预浸料制造，碳纤维可以是 M46J，AS-4 或东丽 T650 织物。首先将零件和模具组合在一起，利用气动压力机提供的 0.8MPa 压力将 预浸料 压 实 ，然后当固化温度达到 121时，再通过RTM5000 流控注射系统向模腔内注入少量的树脂产生 0.6MPa 的压力。用这种技术制造的复合材料纤维体积分数可达 58%，孔隙率小于 0.5%，所以通过SQ RTM 技术制造的翼尖能满足或超过诺斯罗普 格鲁曼公司的对“

9、全球鹰”机翼性能的要求，其重量还比原来降低了 5%，这意味着“全球鹰”将能够携带更多的有效载荷。在早期的设计中，仅翼尖部分（位于机翼前端约 3.3m 的位置）就包含了 1214 个 热压 罐 成型的零件，利用 SQRT M 技术做到了简化制件结构，集成零部件和不使用 热压 罐，图1 RQ-4 “全球鹰”结构示意图3图2 RQ-4B“全球鹰”复合材料机翼及翼尖结构（b）翼尖7（a）机翼52012 年第 18 期航空制造技术95技术前沿TECHNOLOGY FRONT因此，帮助制造商大大降低了制备成本6-7。2 中空长航时无人机复合材料应用美国通用原子公司制造的“捕食者”MQ-1 无人机是美军用于

10、为战区指挥官及合成部队指挥官进行决策提供情报支持的中空长航时无人侦察机。机长 8.22m，翼展 14.8m，航程 3700km，最大飞行时速 217km/h，续航时间 24h，空重 512kg，最大起飞重量 1020kg，实用升限 7620m，采用倒 V 形垂尾不仅能保护螺旋桨，还能使尾翼的控制面避开机翼产生的紊流。全机除主梁外，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、木块等夹层结构，用量约为结构总重的92%，如图 3 所示8。机身大量采用了碳纤维织物 /Nomex 蜂窝夹层结构加筋壁板，内部关键位置有碳纤维梁肋结构以保证足够的刚度，主要机体部分采用碳纤维

11、/ 环氧预浸料手工铺叠 / 热压罐工艺制造，玻璃纤维复合材料用于雷达罩的制造，预浸料由数控裁床裁切，蜂窝芯型面由五轴数控切割机床加工。生产过程中借助激光投影设备以确保零件重复、精确生产，激光辅助铺叠可以避免局限专业操作人员的生产，还可以提高产品质量和产能，固化的复合材料层板采用机器手水切割技术切边。主梁以及尾翼梁、起落架支柱采用碳纤维织物闭模成型，并使用密封气囊确保足够的密实压力9。 改 进 的“捕 食 者”B 即 MQ-9是“捕食者”的加大型，又名“狩猎者”，2003 年 10 月 初 首 飞，可 以 在1300015850m 高 度 飞 行，能 携 带8 枚“海尔法”导弹，并计划增加携带“

12、响尾蛇”空空导弹和 JDAM 联合直接攻击武器的能力。采用涡桨发动机，增大了飞机尺寸，垂尾由倒 V 形改为 V 形，改善了飞行高度、速度、任务载荷和航程等性能。主要机体采用碳纤维单向带预浸料及织物预浸料与Nomex蜂窝夹层结构制造。在机翼盒型梁顶端上采用了 SPECIALTY MATERIALS 公司生产的 Hy-Bornull硼纤维/碳纤维/环氧预浸料（Hy-Bornull（B4-MR-40/NCT301）10。Hy-Bornull预浸料是一种硼纤维和碳纤维组成的混杂预浸料，比单一的增强材料具有更高的弯曲和压缩性能，并且可以提高开孔强度，在考虑压缩应力的设计中可以减少碳纤维的数量达到减重的效

13、果，其特性可以根据硼纤维与碳纤维的比例进行剪裁设计。标准的 Hy-Bornull预浸料是采用三菱丽阳的 MR-40 石墨纤维和直径为 0.1mm 的硼纤维以及 121149固化的 NCT301 环氧树脂制成的。Hy-Bornull预浸料还可以与其他任何商业化的石墨预浸料结合使用。3 无人攻击战斗机复合材料应用2011 年 2 月 首 飞 的 X-47B 是诺斯罗普 格鲁曼公司开发的一种低可探测的舰载无人空战系统（J-UCAS）。该无人机是世界上首架陆基和航空母舰都能使用的无人驾驶侦察攻击机。机长 11.64m，翼展 18.92m，空重 6350kg，最大起飞重量 20215kg，实用升限 12

14、192m，可实现超音速飞行。全机 80% 的结构由 GKN 航宇公司设计制造，其中机身骨架结构采用钛合金和铝合金制造，机身蒙皮、机背口盖和活动舱门等采用复合材料结构，90% 机体表面由碳纤维复合材料制造，外翼由铝合金部件和碳纤维 / 环氧复合材料蒙皮组成（采用碳纤维复合材料比铝合金减重 20%30%），其尺寸大约为4.88m1.22m，每个机翼均装有副翼，并拥有高度集成的电子和液压管路。机翼设计还包括折叠功能，这样可以使飞机在航母上占有更小的空间11。图 4 为 X-47B 无人战斗机机身结构测试图13。4 无人空天飞机上复合材料应用X-37（Approach and Landing Test

15、 Vehicle，ALTV）太空无人飞机是波音公司制造的一种无人驾驶空天飞机，于 2006 年进行了无动力投左视图正视图俯视图铝/铁复合材料钛图3 “捕食者”MQ-1材料分布示意图图4 X-47B机身结构验证测试96航空制造技术2012 年第 18 期技术前沿TECHNOLOGY FRONT放自由滑翔飞行试验，机体结构几乎全部采用复合材料制造，主要采用 Cytec 公司 IM7/5250-4 双马来酰亚胺预浸料体系和 NASA 兰利研究中心研发的 IM7/PETI-5（苯炔基封端的聚酰亚胺）体系 14，IM7/5250-4双马来酰亚胺预浸料固化温度为177204，使用温度在 59204之间，而

16、 IM7/PETI-5 聚酰亚胺体系工作温度可达 232260，高于目前的双马来酰亚胺体系，比一般的铝结构耐温高 37.7，而且耐热性也超过了 15000h，这种高温树脂体系的应用可以减少飞行器热保护层的用量以减轻飞行器重量，机身是通过胶接技术制造的整体结构，大大降低了飞行器的重量，如图 5 所示。改进后的X-37B（Orbital Test Vehicle，OTV）于 2010 年 4 月首次进行轨道试验，第 2 架于 2011 年 3 月成功发射进入轨道。X-37B 机体结构长约 8.8m，翼展约 4.6m，机高约 2.9m，起飞重量约5t，试验货舱长2.13m，直径1.22m，可载 22

17、7kg 的试验设备，其在控制舵面上改用了耐高温的 C/SiC 复合材料，其他机体结构仍采用高温树脂基复合材料15-16。无人机复合材料的发展现状1 材料体系的发展现状国外如 ACG、Hexcel、Cytec 等公司先后研制出适用于各种飞行状态的无人机复合材料预浸料，目前对于飞行马赫数不高的无人机，耐温要求相对较低，一般应在 80100之间，可以使用中温环氧预浸料，如 ACG 公司的 MTM28、MTM49, Hex cel 公司的 F155、913、916 和北京航空材料研究院的 3231、3234 等均为中温120130固化的改性环氧树脂基体，具有良好的流变性、自粘性、悬垂性和在室温下较长的

18、暴露期17。另外还有针对低成本的热压罐外固化预浸料，如 Zephyr 太阳能无人驾驶飞行器的机翼和机身结构采用 ACG的 MTMnull45-1 增韧环氧基碳纤维预浸料，这种预浸料不需要使用热压罐，可以在低于 80的温度下真空袋固化，并在 180的后处理工艺实现其全部性能。而对于飞行速度较大的超音速无人机及无人空天飞机，则需要使用高温双马来酰亚胺预浸料，如 X-37 机体采用的 Cytec IM7/5250-4 双马来酰亚胺预浸料体系14，它的固化温度为 177204，使用温度在 59204之间。另外，NASA 兰利研究中心为高速飞行器研究的 IM7/PETI-5 聚酰亚胺体系，工作温度可达

19、232260，高于目前的双马来酰亚胺体系，而且耐热性也超过了 15000h，这种高温树脂体系的应用可以减少飞行器热保护层的用量以减轻飞行器重量。国内北京航空材料研究院研制的 LT-01 及LT-03 环氧树脂体系分别配合 T300及 T700 纤维已用于无人机的研制。除纤维增强树脂复合材料外，无人机的舵面甚至机体还使用蜂窝、胶膜、泡沫塑料和泡沫胶等材料，对这些材料的选择也应符合设计和工艺要求。蜂窝的种类较多，但目前使用较多的是已商品化的 Nomex 蜂窝。泡沫夹层结构具有水密、漂浮性能和整体填充机翼、尾翼内部结构容腔的工艺特性 , 其作为芯材在无人机机体结构中的应用也较为常见。2 大展弦比复合

20、材料机翼设计技术大展弦比机翼有两个显著特点：其一是根部的弯矩较大，上壁板的受压稳定性难以满足；其二是机翼扭转刚度差，翼尖的扭转变形大，容易发生副翼反效和颤振。因此要满足一定刚度要求的大展弦比复合材料机翼设计是机翼结构设计的难点之一。通常翼面结构较容易满足气动弹性对弯曲刚度的要求，但要满足扭转刚度和弯曲与扭转刚度比却比较困难。复合材料机翼设计其结构刚度和结构弹性分布可以通过不同的铺层角度和不同的层数设计来实现，如“全球鹰”RQ-4B 的改进型机翼；另外，NASA 研制的 Helios 太阳能无人机，翼展 75 m，全翼分成 6 段，每段节点还装载有发电机载荷，是复合材料机翼设计中的成功典范之一，

21、该机主要结构采用碳纤维增强环氧树脂复合材料制造，利用复合材料的非对称和非均衡铺层产生的耦合效应，把复合材料结构刚度和结构弹性设计完美结合起来。国内也开展了大展弦比柔性复合材料机翼的相关研究，如文献 18 提出一种适用于大展弦比机翼的新型混合式结构，即采用翼梁和夹层板的混合式结构，混合式结构充分利用梁式结构和夹层结构特点，可适当调配其刚度比，从而得到减轻重量的效果18-19。3 复合材料整体化制造技术复合材料整体结构是通过特定的设计和制造方法使结构在复合材料本身的最终成型过程中结为一体，复合材料热压罐成型整体制造工艺包括共固化、共胶接和二次胶接。目前无人机复合材料的制造，特别是UCAV 多半采用

22、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型，复合材料在设计和制造技术上恰恰具有便于大面积整体成型图5 准备试验的X-37（ALTV）2012 年第 18 期航空制造技术97技术前沿TECHNOLOGY FRONT的特点，如 X-45 系列、X-47 系列无人机即采用高度翼身融合体的无尾式飞翼布局，在很大程度上减小了零件数量、紧固件数量及整体重量。采用复合材料整体成型技术所使用的模具较复杂，只要模具能制造出来，其他问题便可迎刃而解。一般而言，整体成型中用到的模具较复杂，成本较高，因此要注意分体模和整体模及模具定位组合的合理设计，还要注意低成本模具材料和制造技术的应用20。然而，复合

23、材料结构的整体化程度需要适度，否则容易增加制造过程中的质量风险，造成后期维修的困难，反而不利于成本的降低。除整体复合材料壁板成型外，无人机还大量采用夹层结构，包括泡沫和蜂窝夹层结构，特别是小型无人机。蜂窝夹层结构制造方法有共固化和二次胶接，共固化工艺中，树脂流动性太好会造成流胶过多导致面板贫胶，成型压力过大则容易造成上面板凹陷，蜂窝失稳，滑移；压力较小容易造成面板缺陷及弱胶接。为了有效控制成型质量，必须根据结构及材料体系来合理制定工艺。二次胶接中骨架零件的配合间隙，集中载荷，不同材料胶接过程产生的热应力以及楔形件的蜂窝滑移等问题均需要考虑。国内对复合材料整体制造技术已经展开研究，一些技术已用于

24、航空零件生产，蜂窝夹层结构的二次胶接技术研究比较成熟，但共固化及其相应的预浸料技术还处于研究阶段。4 复合材料低成本制造技术低成本、高效费比是无人机的显著特点。采用整体化成型技术对于减少复合材料部件结构数量、降低使用和维护费用、节约成本、提高效率具有重要作用。但高成本高能耗的热压罐又大大提高了复合材料的成本，目前业界主要从两个方向寻求解决办法：一是开发热压罐外（Out of Autoclave）固化预浸料体系，如 ACG 的 MTMnull44-1 预浸料已取得空客认可用于结构件，MTMnull45-1树脂已经在 Scaled 复合材料公司（ Scaled Composites） 的“白骑士”

25、2 （White Knight ） 和洛克希德马丁公司的 P175“臭猫”（ Polecat ） 无人机上得到成功应用21。波音公司与Cytec 公司联合开发的热压罐外成型树脂体系 CYCOM5320 将于用下一代高空长航时无人机。采用新型的固化方法如电子束固化法、超声波固化法、X 射线固化法也将会成为低成本制造的方法。二是开发低成本液体成型技术，如 RTM、RFI、VARI 等，国外这些技术已经发展得比较成熟，其他新技术如SQRTM已经应用于RQ-4B“全球鹰”翼尖的制造。国内目前复合材料构件仍以热压罐成型为主，一些研究单位也开发了低压固化材料体系及液体成型树脂体系，目前还处于研究阶段。国内

26、也已经能够用 RTM、RFI、VARI 成型工艺方法制造复合材料构件，但对预制体结构与性能的关系研究还不够完整，由于树脂体系的要求较高，如 RFI 对树脂的工艺性要求较高，VARI 对树脂流动性的要求较高，目前国内航空级树脂体系相对较少。低成本的另一途径是研究发展复合材料自动化制造技术，如自动铺带技术（ATL）、自动纤维铺放技术（AFP），纤维缠绕和拉挤技术，检测上采用 C 扫描等快速无损检测方法可以大大更加生产效率，降低劳动力成本，也减小了人为因素的影响，提高产品质量的一致性，这些技术在国内正展开应用。结束语先进树脂基复合材料在国外无人机上得到了广泛应用，国内先进树脂基复合材料在大型无人机上

27、的应用才刚刚开始，与国外先进技术相比还存在不小差距，为满足未来无人机的高空、长航时、功能性、经济性等各种高性能需求，积极地开展复合材料在无人机上各种关键技术的研究和应用，包括原材料的开发、结构设计、整体成型、低成本制造等技术，将促进我国无人机行业的快速发展。参 考 文 献1 Borchardt J K, Unmanned aerial vehicles spur composites use. Reinforced Plastics, 2004(4):28-31.2 陈绍杰 . 复合材料与无人飞机 . 高科技纤维与应用，2003，28（2）：11 -14.3 Global reborn. 20

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29、o string:evolution of RTM and SQRTM.8 USAF Technical Onder: 00-105E-9.9 Black S. Skys the limit for composites-intensive UAVs. High-Performance Composites, 2006 .10 http:/.11 X-47B unmanned aircraft achieves first flight. 2011-03-09. .12 http:/.13 .14 Chen L V. Composite structures on X-37 airframe.

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