先進(jìn)復(fù)合材料在無人機(jī)上的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)

杜 龍，李朝光，王紅飛

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

專題研究

先進(jìn)復(fù)合材料在無人機(jī)上的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)

杜 龍，李朝光，王紅飛

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

無人機(jī)大面積采用先進(jìn)復(fù)合材料，其用量已遠(yuǎn)超有人飛機(jī)。本文介紹了復(fù)合材料在無人機(jī)上的應(yīng)用情況，闡述了復(fù)合材料用于無人機(jī)的比較優(yōu)勢，對無人機(jī)先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)與分析。

無人機(jī)；復(fù)合材料；關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來，無人機(jī)的發(fā)展進(jìn)入了一個新的歷史時期，并逐漸向自主攻擊/殺傷、高空長航時和小型智能化等方向發(fā)展。隨著無人機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的作用越來越突出，適應(yīng)不同戰(zhàn)場需求的各類無人機(jī)層出不窮，如偵察與監(jiān)視無人機(jī)、反潛無人機(jī)、無人作戰(zhàn)飛機(jī)、偵察/打擊一體化無人機(jī)等。美國國防部的觀點認(rèn)為，無人機(jī)主要在三個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，如“枯燥任務(wù)領(lǐng)域、惡劣環(huán)境任務(wù)領(lǐng)域和危險任務(wù)領(lǐng)域（The dull,the dirty,and the dangerous）”[1]。

無人機(jī)作為一種新式航空器具有自身的特點，與軍用或民用有人飛機(jī)相比，無論是使用要求還是任務(wù)使命都有所不同。無人機(jī)通常具有低成本、輕結(jié)構(gòu)、高隱身、長航時、高存儲壽命等要求，對于無人作戰(zhàn)飛機(jī)來說還有高機(jī)動和大過載的要求。

按照區(qū)域分布，采用分層隨機(jī)整群抽樣方法，抽取河南省鄭州、開封、安陽、洛陽、新鄉(xiāng)、信陽、商丘、濟(jì)源八個城市，16—20歲在校學(xué)生3971名，平均年齡17.2±1.5歲。其中男生2391名，女生1580名。其中城市男生1152人，農(nóng)村男生1239人，城市女生728人，農(nóng)村女生852人。

為適應(yīng)無人機(jī)的發(fā)展，機(jī)體結(jié)構(gòu)采用先進(jìn)復(fù)合材料是必然的選擇。目前，無論是各種大中型無人機(jī)還是微型無人機(jī)，都大量采用了復(fù)合材料，其用量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過有人飛機(jī)，甚至出現(xiàn)全復(fù)合材料無人機(jī)（復(fù)合材料用量達(dá)到90%以上），比如貝爾公司研制的“鷹眼”傾轉(zhuǎn)旋翼式無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)就全部采用復(fù)合材料?？梢哉f，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)已經(jīng)成為無人機(jī)發(fā)展的一項關(guān)鍵技術(shù)。

(5)結(jié)合時區(qū)圖及突變詞檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)研究桂醫(yī)研究新趨勢主要為：預(yù)后、綜述、氧化應(yīng)激、同型半胱氨酸、生活質(zhì)量、阿爾茨海默病、帕金森病、支氣管哮喘、老年人、meta分析、小鼠、抗菌藥物、bcl2、進(jìn)展、感染等。

1 復(fù)合材料在無人機(jī)上的應(yīng)用概況

AAI公司研制的“影子”多用途無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)95%為復(fù)合材料：碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料機(jī)身，碳或芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料尾翼，機(jī)翼則采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料面板-蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造。BAI航空系統(tǒng)公司的“敢死蜂”無人機(jī)機(jī)翼、可動控制面及垂尾均用聚苯乙烯和玻璃纖維制成的硬殼式復(fù)合材料制成，方向舵和機(jī)身采用泡沫夾層結(jié)構(gòu)，發(fā)動機(jī)冷卻罩及艙門口蓋均用熱塑真空成型，玻璃鋼螺旋槳整流罩采用模壓成型[2]。

波音公司研制的X-45無人戰(zhàn)斗機(jī)生產(chǎn)型機(jī)體結(jié)構(gòu)90%以上采用復(fù)合材料，其機(jī)身由低溫固化預(yù)浸料制造，機(jī)翼為泡沫夾層結(jié)構(gòu)，采用獨特的FMC（Foam Matrix Core）技術(shù)，首先成型泡沫芯，再在成型好的泡沫上纏繞纖維，最后將二者一起固化。采用該技術(shù)不僅可以大幅降低X-45的制造成本，而且方便拆卸、存放和安裝。

無人機(jī)與有人機(jī)相比，少了對“人”的因素的考慮，因而在先進(jìn)技術(shù)的研究與應(yīng)用方面能夠走在有人機(jī)的前面，復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)更是如此。根據(jù)無人機(jī)的戰(zhàn)術(shù)要求和發(fā)展趨勢，先進(jìn)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)概括如下。

NASA和比例復(fù)合材料公司研發(fā)的“猛禽”驗證機(jī)是美國彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)計劃的一部分，目的是監(jiān)視并摧毀敵方處于發(fā)射階段的彈道導(dǎo)彈，該機(jī)為全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，大大提高了續(xù)航時間和隱身能力。X-47是諾斯羅譜·格魯門飛機(jī)公司研制的試驗型海軍無人作戰(zhàn)飛機(jī)，該機(jī)采用隱身設(shè)計，為全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，同樣由比例復(fù)合材料公司制造。比例復(fù)合材料公司制造的全復(fù)合材料飛機(jī)還包括“普洛透斯”—一種既可以有人駕駛也可以無人飛行的高空長航時飛行器。

同樣是諾·格公司研制的著名的“全球鷹”無人偵察機(jī)（圖1），翼展達(dá)到35.4m，超過波音747飛機(jī)，除機(jī)身主結(jié)構(gòu)為鋁合金外，其余均為復(fù)合材料制成，包括機(jī)翼、尾翼、后機(jī)身、雷達(dá)罩、發(fā)動機(jī)整流罩等，復(fù)合材料用量約為結(jié)構(gòu)總重的65%。通用原子航空系統(tǒng)公司的“捕食者”無人機(jī)在反恐戰(zhàn)爭中大顯神威，該機(jī)除機(jī)身大梁外，也全部由復(fù)合材料制造（圖2）。

德國的空中無人系統(tǒng)探索項目“梭魚”無人技術(shù)驗證機(jī)在Augsburg使用EADS的真空輔助制造專利技術(shù)，僅用一個月就制造出了全碳纖維復(fù)合材料機(jī)身，全碳纖維復(fù)合材料的機(jī)翼則在西班牙Getafe制造，該機(jī)僅有的金屬部件是翼梁、主起落架支架和安裝架。

奧羅拉飛行科學(xué)公司研制的“提修斯”高空長航時大氣研究無人機(jī)主要用于大氣對流研究、遙感及颶風(fēng)探測等，該機(jī)采用全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，上單翼翼展達(dá)42.06m，運輸時可將外翼段和尾翼拆除。

意大利都靈工業(yè)大學(xué)研制的HeliPlat高空長航時太陽能無人機(jī)（圖3）機(jī)翼管狀梁架結(jié)構(gòu)采用M55J碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料面板/Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造，能承受大部分的彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切載荷，翼盒蒙皮則采用M55J碳纖維/環(huán)氧預(yù)浸帶制造[3]。

據(jù)統(tǒng)計，目前世界上各種先進(jìn)的無人機(jī)復(fù)合材料用量一般占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的60%—80%，已出現(xiàn)多型全復(fù)合材料無人機(jī)。部分無人機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用概況見表1[2]。

2 復(fù)合材料用于無人機(jī)的比較優(yōu)勢

眾所周知，復(fù)合材料與金屬相比具有更高的比剛度（E/ρ）和比強(qiáng)度（σb/ρ），且材料性能具有良好的可設(shè)計性，已得到廣泛應(yīng)用而成為主要航空材料之一，比如作為目前民用和軍用有人飛機(jī)的杰出代表，B-787和F-22的復(fù)合材料用量分別達(dá)到50%和25%。復(fù)合材料之所以在無人機(jī)上得到更大規(guī)模的應(yīng)用，主要基于以下原因：

體色不僅是養(yǎng)殖魚類品質(zhì)的一個重要指標(biāo)，同時也反映了魚類的健康狀況，影響魚類的商品價值和市場認(rèn)可度。大黃魚（Larimichthys crocea）是我國重要的海水養(yǎng)殖魚類，2016年我國人工養(yǎng)殖大黃魚產(chǎn)量已達(dá)16.54萬噸，居海水養(yǎng)殖魚類第一。野生大黃魚皮膚金黃，唇部為紅色，深受消費者的喜愛。然而，高密度養(yǎng)殖大黃魚的體色嚴(yán)重退化，降低了消費者的認(rèn)可度，其市場售價與野生大黃魚相差幾十倍甚至上百倍。

1）減輕結(jié)構(gòu)重量對于無人機(jī)具有特殊重要的意義。目前，絕大部分大中型軍用無人機(jī)的有效載荷仍遠(yuǎn)低于有人作戰(zhàn)飛機(jī)，以RQ-4A“全球鷹”為例，最大任務(wù)載荷也僅為907Kg。無人機(jī)雖然減少了與“人”相關(guān)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備重量，但也會增加額外的通信與控制系統(tǒng)的重量。同時，中高空長航時無人偵察機(jī)的任務(wù)已開始逐漸由戰(zhàn)術(shù)偵察向戰(zhàn)略偵察范圍擴(kuò)展，以取代有人飛機(jī)對關(guān)注地區(qū)實施晝夜持續(xù)監(jiān)視。為增大無人機(jī)的航程、提高續(xù)航能力，最大程度地減輕機(jī)體結(jié)構(gòu)重量是主要手段。對于無人作戰(zhàn)飛機(jī)，由于不需要考慮人的生理限制，可以實現(xiàn)大過載機(jī)動，采用輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料是滿足總體技術(shù)要求的必然選擇。復(fù)合材料的比強(qiáng)度是鋁合金的4-7倍，比模量是鋁合金的4-6倍，更為先進(jìn)的T800復(fù)合材料比強(qiáng)度可高出鋁合金10倍?？梢?，無人機(jī)要發(fā)揮更大的作用，選擇先進(jìn)的復(fù)合材料取代傳統(tǒng)金屬材料作為主要結(jié)構(gòu)用材是必然的趨勢。

表1 部分無人機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用概況

2）采用復(fù)合材料有利于提高軍用無人機(jī)的隱身能力。聚合物基復(fù)合材料本身是電的不良導(dǎo)體，能夠大大減弱雷達(dá)波散射場的建立。同時，利用復(fù)合材料可以進(jìn)一步實現(xiàn)結(jié)構(gòu)-功能一體化，比如采用結(jié)構(gòu)型雷達(dá)隱身復(fù)合材料以進(jìn)一步減小探測波的反射與散射。其次，復(fù)合材料可以利用整體成型的優(yōu)點形成有利于隱身的連續(xù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和光滑過渡區(qū)，取消蒙皮對縫、釘頭等散射源。這些特點將大大提高無人機(jī)尤其是無人作戰(zhàn)飛機(jī)的戰(zhàn)場生存能力。

3）與有人飛機(jī)相比，無人機(jī)一般具有更長的存儲壽命，因此要求機(jī)體材料具有良好的耐腐蝕性能，這也正是復(fù)合材料的優(yōu)勢之一。與大多數(shù)金屬材料相比，無人機(jī)上應(yīng)用最為普遍的環(huán)氧基體一般具有良好的耐酸性、耐堿性和耐溶劑性，大面積采用復(fù)合材料將有效降低如金屬腐蝕帶來的維護(hù)成本。

4）復(fù)合材料減震性能良好。結(jié)構(gòu)的自振頻率與結(jié)構(gòu)材料的比模量平方根正相關(guān)，復(fù)合材料的比模量高于金屬，因而具有更高的自振頻率。同時，復(fù)合材料中的聚合物基體及其與纖維之間的界面具有顯著的振動阻尼特性，在相同的激勵下，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)將比金屬結(jié)構(gòu)更快停止振動。這些特點有利于無人機(jī)快速恢復(fù)平穩(wěn)，特別是對于采用較大展弦比機(jī)翼的大中型無人機(jī)來說具有更為重要的意義。

復(fù)合材料除了具有以上優(yōu)勢外，還具有良好的疲勞性能、易于整體成型等優(yōu)點。這些特點使得復(fù)合材料能夠取代金屬成為無人機(jī)主要結(jié)構(gòu)用材。

3 無人機(jī)先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

“現(xiàn)在的模式不是最終的版本，也并非完美，由于醫(yī)院的目標(biāo)在變，所以要不停地修訂?！笔┍y說，為了醫(yī)院的發(fā)展，怎么調(diào)整目標(biāo)或完善目標(biāo)，是非常難的事情。最難的是，有些部門的工作很難考核。如后勤輔助部門，通下水道、修管道、環(huán)境巡視及一些外包服務(wù)，很難考核。

Wnt/β-catenin通路的活性決定了MPCs是分化為成骨細(xì)胞還是軟骨細(xì)胞。實驗表明［23］，敲除βcatenin的間充質(zhì)細(xì)胞，會向軟骨方向分化，而使骨生成受到抑制，生成異位的軟骨。

3.1 低成本復(fù)合材料技術(shù)

3.2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計/制造技術(shù)

總而言之，新聞攝影作品具有新聞性、藝術(shù)性及實效性等特征。因此，為更好地發(fā)揮出新聞攝影在提升新聞節(jié)目總體質(zhì)量中的積極作用，相關(guān)工作人員應(yīng)不斷提升自身攝影技巧及藝術(shù)手法，確保攝影作品中畫面簡潔，主題明確，層次豐富，為大眾呈現(xiàn)更好的新聞作品。

降低復(fù)合材料制造成本另一個重要舉措就是發(fā)展低成本的成型工藝。目前，熱壓罐成型仍然是很多無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型的主要方法，比如美國Aurora公司的大型熱壓罐工作區(qū)直徑達(dá)2.4m，長7.8m，用來支持“全球鷹”等無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造。眾所周知，熱壓罐成型工藝投資大，能耗驚人，且大型制品還受到成型設(shè)備大小的限制。大中型無人機(jī)一些較大的部件往往需要整體成型，比如翼身蒙皮、大展弦比機(jī)翼盒段等，已有的熱壓罐尺寸常常無法滿足要求。

復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的主要發(fā)展方向包括纖維自動鋪放/纏繞成型技術(shù)、RTM/RFI等液態(tài)成型技術(shù)、創(chuàng)新性的固化方法（電子束高速固化法、超聲波固化法、X射線固化法）等。意大利Proel公司提出了一種電子束固化結(jié)合纖維纏繞工藝的復(fù)合材料制造方法，電子束輻射與纖維纏繞同步進(jìn)行，在纏繞下一層時，前一層已固化或預(yù)固化，稱為“分層電子束固化”[5-7]。

低成本材料技術(shù)的核心是發(fā)展低成本的纖維和樹脂體系，包括中溫（120℃）、低溫（80-90℃）固化高性能樹脂的研制。中、低溫固化復(fù)合材料不僅能降低固化成型時的能耗，而且可以采用耐熱要求不高、價格便宜的工裝模具和輔助材料，并能夠提高尺寸精度、降低整體成型時的內(nèi)應(yīng)力。表2列出了國內(nèi)外部分低溫固化復(fù)合材料體系[8-10]。

表2 國內(nèi)外部分低溫固化復(fù)合材料體系

續(xù)表2

無人機(jī)尤其是軍用無人機(jī)多采用翼身融合體布局，比如“全球鷹”、“捕食者”等著名無人機(jī)，其中無人作戰(zhàn)飛機(jī)往往還可能采用飛翼式布局，典型的包括美國的X-47、歐洲的“神經(jīng)元”等。美國空軍自20世紀(jì)80年代起就資助翼身融合體結(jié)構(gòu)研究，但當(dāng)時主要是針對有人飛機(jī)開展的。復(fù)合材料易于大面積整體成型的優(yōu)勢極大地促進(jìn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在無人機(jī)上的應(yīng)用，整體化設(shè)計與制造技術(shù)已經(jīng)成為無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。以X-47A為例（圖4），其翼展達(dá)8.47m，機(jī)身長8.5m，結(jié)構(gòu)外形呈“菱形”，整個復(fù)合材料蒙皮沿中心線分為四大塊，兩塊上蒙皮和兩塊下蒙皮，均整體成型，因而翼身光滑過渡，大大減小了雷達(dá)反射面積。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造成本高昂是限制復(fù)合材料大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。因此，低成本復(fù)合材料技術(shù)始終是復(fù)合材料領(lǐng)域開發(fā)與研究的核心技術(shù)。與有人機(jī)相比，無人機(jī)一個重要的優(yōu)勢就是成本相對較低，如果無人機(jī)要大面積采用復(fù)合材料，就必須解決低成本設(shè)計、低成本制造和低成本材料三個難題。西科斯基飛機(jī)公司的研究結(jié)果證明，采用包括構(gòu)件數(shù)字化定義和知識工程等先進(jìn)技術(shù)的復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計技術(shù)將使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造成本降低一半[4]。

特別是對于國產(chǎn)無人機(jī)，要降低復(fù)合材料成本，實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料國產(chǎn)化是一個重要的途徑。該項工作已在多個單位開展了大量研究，并已有用于有人機(jī)具體型號的經(jīng)驗。無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料國產(chǎn)化應(yīng)該取得比有人機(jī)更大的突破。

選擇9#樣品圓通快遞公司包裹袋，分別剪取面積約為1.0 cm×1.0 cm，0.8 cm×0.8 cm，0.5 cm×0.5 cm，0.3 cm×0.3 cm，0.2 cm×0.2 cm的5塊樣品，分別對其進(jìn)行檢測。

3）修理鑒定。通過試驗、理論分析等手段對修理效果進(jìn)行評價，給出強(qiáng)度恢復(fù)率及修理結(jié)構(gòu)耐久性與損傷容限預(yù)測結(jié)果。

需要說明的是，在設(shè)計整體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時，必須注意整體結(jié)構(gòu)中各元件的傳力問題，并重點關(guān)注匯交面的設(shè)計與失效分析。

3.3 結(jié)構(gòu)/隱身綜合設(shè)計技術(shù)

1）損傷/缺陷的檢測與評價。通過合適的無損檢測方法，對損傷/缺陷的形式、程度和范圍等進(jìn)行評估，通過各種分析方法研究損傷/缺陷對結(jié)構(gòu)完整性的影響。

無人機(jī)結(jié)構(gòu)中常用的夾層復(fù)合材料也可以設(shè)計成吸波結(jié)構(gòu)材料，其基本構(gòu)成包括最外層的透波層、中間的電磁損耗層（吸波層）和最內(nèi)層的反射層三個部分，如圖6所示。吸波層可以是無規(guī)則的混雜纖維、球形粒子或片狀填料，也可以是涂覆了吸波涂料的波紋板或者蜂窩夾芯等格柵結(jié)構(gòu)。美國的B-2隱身戰(zhàn)略轟炸機(jī)和四代空優(yōu)戰(zhàn)機(jī)F-22就采用了該種隱身技術(shù)。

另一方面，將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與低RCS外形技術(shù)相結(jié)合是實現(xiàn)無人機(jī)高性能隱身的直接有效的手段，可以盡量降低隱身設(shè)計帶來的重量增加和氣動性能降低的負(fù)面影響。比如，軍用無人機(jī)采用高度翼身融合的飛翼式布局，利用隱身復(fù)合材料大面積整體成型其所需要的復(fù)雜光滑曲面外形，并減少緊固件和接縫等較強(qiáng)的雷達(dá)反射區(qū)，可以在不增加（甚至減?。┲亓亢蜖奚鼩鈩有阅艿臈l件下滿足隱身要求?？梢哉f，通過創(chuàng)新性的設(shè)計，在最大限度提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)效率的同時滿足隱身需求，將是衡量軍用無人機(jī)設(shè)計水平的標(biāo)志之一。

由圖3、圖4可知，M1、M2、IP1、IP2異常強(qiáng)度大，梯度陡，范圍寬，對應(yīng)較好，位于震旦、寒武及中泥盆統(tǒng)跳馬澗組、棋梓橋組的多條斷裂間或斷裂交匯處附近，成礦條件較為有利[12]。通過對高磁數(shù)據(jù)進(jìn)行向上、向下延拓處理，查明了測區(qū)淺、深部的磁場特征，將深淺部磁異常區(qū)分開來，結(jié)合視極化率異常進(jìn)行綜合分析，確定在100線地質(zhì)剖面兩側(cè)，各類 磁異常等值線0值線附近設(shè)計鉆孔(圖7)。

3.4 復(fù)合材料先進(jìn)連接技術(shù)

雖然復(fù)合材料具有整體成型的優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中，不可能將無人機(jī)整個機(jī)體一起成型，為便于制造、維護(hù)與運輸，常常需要采用模塊化、開放式的結(jié)構(gòu)設(shè)計。因此，復(fù)合材料與復(fù)合材料或者復(fù)合材料與金屬結(jié)構(gòu)之間的連接就不可避免。

對有人機(jī)的研究資料表明，結(jié)構(gòu)破壞的60%-80%發(fā)生在連接處[11]。無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)常常大面積整體成型，減少了緊固件的使用，因而某些零部件之間的連接區(qū)往往要傳遞較大的載荷，這些區(qū)域的設(shè)計與分析就顯得尤為重要。復(fù)合材料的連接可以分為膠接、機(jī)械連接和混合連接三種形式。一般來說，膠接傳遞的載荷較小，而機(jī)械連接能夠傳遞更大的載荷，且可靠性更高。

2.4 LncRNA-8439 在 HCC 細(xì)胞中的分布 使用lncRNA-8439 探針對 Huh7 和 Hep3B 細(xì)胞進(jìn)行原位雜交，結(jié)果（圖4）顯示 lncRNA-8439 基本分布在細(xì)胞核中，細(xì)胞質(zhì)中并無表達(dá)。

目前，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機(jī)械連接主要采用間隙配合，連接效率較低，且配合孔周存在較高的應(yīng)力集中，并容易產(chǎn)生載荷不均勻分布，在使用過程中，釘桿對孔邊的撞擊也易使層合板產(chǎn)生分層等破壞，因而必須采用更先進(jìn)的連接技術(shù)，以提高復(fù)合材料連接區(qū)的靜強(qiáng)度、動強(qiáng)度，改善載荷分布，使連接區(qū)與機(jī)體結(jié)構(gòu)同壽。80年代以后，國外眾多航空公司和科研機(jī)構(gòu)對復(fù)合材料干涉連接技術(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，采用合適的干涉量能成倍提高復(fù)合材料連接區(qū)的疲勞壽命[12]。無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接區(qū)一般皆為關(guān)鍵受力部位，且應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，疲勞性能要求高，如果采用干涉連接，并對釘載分布進(jìn)行優(yōu)化，將大大延長結(jié)構(gòu)壽命。

3.5 復(fù)合材料修理技術(shù)

復(fù)合材料由于自身的特點，制造過程中不可避免地會產(chǎn)生各種缺陷，同時，在復(fù)合材料的加工和使用過程中，也可能產(chǎn)生損傷，其缺陷和損傷包括脫膠、疏松、分層、表面劃傷、孔邊損傷、沖擊損傷、戰(zhàn)傷、裂紋等。國內(nèi)外的統(tǒng)計資料表明，在飛機(jī)全壽命費用中，使用和維護(hù)保障費高達(dá)50%以上，在無人機(jī)大面積采用復(fù)合材料后，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理問題變得尤其突出。比如，無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常大部件整體成型，使用過程中產(chǎn)生損傷的概率升高，對部件中出現(xiàn)的損傷或缺陷進(jìn)行修理是維護(hù)的首選，更換部件將極為不經(jīng)濟(jì)。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理可以分為補(bǔ)片式和非補(bǔ)片式兩種[13]，具體應(yīng)用范圍應(yīng)根據(jù)實際情況而定。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理至少涉及以下三個方面的問題：

現(xiàn)有的雷達(dá)吸波材料可分為涂敷型和結(jié)構(gòu)型兩類。涂敷型吸波材料吸收頻帶一般較窄，增重大，且壽命不長，需定期維護(hù)。結(jié)構(gòu)型吸波材料不僅能吸收雷達(dá)波，同時可以承受飛機(jī)的各種載荷，因而一直受到飛機(jī)設(shè)計師的重視。聚合物基復(fù)合材料與金屬相比，本身能減弱雷達(dá)波散射場的建立，從而達(dá)到一定程度的隱身。更為重要的是，復(fù)合材料可以通過在基體中添加微/納米級的顆粒吸收劑、采用具有不同電磁性能的纖維等方法設(shè)計成結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料，既滿足承載要求同時又達(dá)到隱身的目的。

親土種植理念的到來，為武威農(nóng)業(yè)帶來了又一次機(jī)遇。此次，金正大集團(tuán)倡導(dǎo)的親土種植理念和技術(shù)正是通過使用新型的土壤調(diào)理產(chǎn)品和技術(shù)，解決土壤酸化堿化、有機(jī)質(zhì)下降、土壤微生態(tài)環(huán)境惡化等土壤問題，同時，通過研發(fā)推廣新型高效肥料并科學(xué)施肥，提高肥料的使用效率，降低對土壤的傷害。配合推廣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)服務(wù)，直接幫助農(nóng)民實施全程科學(xué)管理服務(wù)和機(jī)械化種植技術(shù)推廣，讓生產(chǎn)效率和土壤保護(hù)得到有效提升。

2）修理方法。根據(jù)損傷/缺陷的評價結(jié)果，選用合適的修理工藝進(jìn)行修理。

無人機(jī)采用整體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)點主要包括：隱身（形成光滑復(fù)雜曲面），減重（極大減少零件、緊固件等），降低成本（縮短制造周期，減少裝配與維護(hù)費用）。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體化目標(biāo)主要通過共固化、共膠接或二次膠接等技術(shù)手段結(jié)合先進(jìn)的纖維鋪設(shè)方法與成型工藝來實現(xiàn)。如圖5所示的復(fù)合材料整體機(jī)翼盒段，翼梁與下蒙皮共固化，上蒙皮采用泡沫夾層結(jié)構(gòu)以提高受壓穩(wěn)定性，上部夾層壁板與下部整體壁板分別固化后再二次膠接形成整體結(jié)構(gòu)。

雖然近30年來，國內(nèi)外許多學(xué)者已在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理方面開展了一系列有益的工作，然而仍有很多不如人意的地方，比如工藝復(fù)雜不利于外場修理、快速修理技術(shù)成熟度不高、修理強(qiáng)度恢復(fù)率低、修復(fù)結(jié)構(gòu)評定標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等。這些障礙的逾越有賴于材料、設(shè)計和制造技術(shù)的共同進(jìn)步，但可以預(yù)見的是，隨著復(fù)合材料的應(yīng)用越來越廣泛，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理技術(shù)一定會得到長足的發(fā)展。

3.6 復(fù)合材料橫向增強(qiáng)技術(shù)

復(fù)合材料層間強(qiáng)度較低，在面外載荷或集中載荷作用下容易發(fā)生分層破壞，特別是沖擊損傷引起的分層往往會大幅降低結(jié)構(gòu)承載能力。對于夾層復(fù)合材料來說，制造和使用過程中的面芯脫粘是一個很重要的問題。針對這些不足，國外有研究人員提出采用橫向增強(qiáng)技術(shù)來提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的耐久性與損傷容限，具有代表性的包括縫合增強(qiáng)和Z-pin增強(qiáng)兩種。

縫合增強(qiáng)技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用最早由NASA蘭利研究中心和Douglas飛機(jī)公司提出。NASA的ACT計劃和美國空軍的ALAFS計劃都將其作為一項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點研究，對將該技術(shù)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)起到了巨大的推動作用[14-15]。圖7為采用縫合技術(shù)結(jié)合RFI工藝設(shè)計制造的半跨機(jī)翼。

縫合增強(qiáng)技術(shù)可以用于提高無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可靠性。例如大展弦比無人機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼采用多墻結(jié)構(gòu)，墻與蒙皮共固化，少肋或者無肋，減少甚至不使用機(jī)械連接。由于機(jī)翼翼展很大，墻緣條與復(fù)合材料蒙皮之間存在較大的剝離應(yīng)力，在沖擊載荷作用下容易產(chǎn)生微裂紋并沿危險界面擴(kuò)展。采用Kevlar等縫線對墻緣條與蒙皮進(jìn)行縫合后，將大大提高機(jī)翼的損傷容限。再如為降低雷達(dá)反射強(qiáng)度，無人作戰(zhàn)飛機(jī)的復(fù)合材料武器艙門對縫常設(shè)計成鋸齒形，為防止閉合艙門時的碰撞引起邊緣分層，可以對該區(qū)域采用縫合增強(qiáng)。

縫合增強(qiáng)還可以用于提高無人機(jī)的戰(zhàn)場生存能力。國外的研究結(jié)果表明，12.7mm彈丸沖擊后，復(fù)合材料層合板的壓縮強(qiáng)度隨縫線體積含量逐步提高，體積含量僅為1%時，剩余壓縮強(qiáng)度已提高到1.3倍[16]。另外，同樣重要的是，制造過程中縫合將使鋪層被壓實并防止其滑動，有利于大面積復(fù)雜形狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成型。Z-pinning對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)效果與縫合類似，且適用于熱壓罐成型工藝。

試驗安排在示范核心區(qū)中部進(jìn)行，對農(nóng)田滲濾系統(tǒng)下級滲濾溝道系統(tǒng)的出水流量和水質(zhì)進(jìn)行測試分析，觀測排水中氮磷濃度的動態(tài)變化。同時，作為對照，在沒有采用農(nóng)田滲濾溝道系統(tǒng)的地塊中，對農(nóng)田地表水匯入傳統(tǒng)土溝并排至末端的水樣進(jìn)行采樣對比分析，以評估組合滲濾系統(tǒng)對氮磷等物質(zhì)的攔截去除效果。試驗研究時段為水稻生長季8月中旬到10月下旬。

無人機(jī)中夾層復(fù)合材料的用量很大，為改善傳統(tǒng)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的“電報效應(yīng)”和抗潮濕性能差等主要缺陷，用閉孔泡沫取代蜂窩作為芯材成為一種理想的選擇，但泡沫材料的不足之處在于強(qiáng)度和剛度較低。2001年，美國陸軍試驗室的Kunkel和Sikorsky飛機(jī)公司的Carstensen等[17]提出一種新型的Z-pin增強(qiáng)泡沫（X-cor） 夾層結(jié)構(gòu)，它是將經(jīng)過樹脂預(yù)浸的細(xì)長復(fù)合材料纖維桿按一定角度和密度嵌入閉孔泡沫芯材中，并在兩頭預(yù)留出小部分植入上下面板，經(jīng)固化形成的整體結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，Z-pin增強(qiáng)能顯著提高泡沫夾層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度[18-19]，且抗潮濕環(huán)境和面芯脫粘的能力優(yōu)于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。無人機(jī)上大面積采用的夾層結(jié)構(gòu)往往形狀復(fù)雜，或表現(xiàn)為多曲度的形式，采用Z-pin增強(qiáng)具有明顯的優(yōu)勢。

3.7 無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度技術(shù)

由表2可知，摩拉水牛乳脂肪球的表面積、長度與寬度要明顯大于荷斯坦牛乳，但球度要低于荷斯坦牛乳，這種脂肪球流變特性的不同可能是水牛乳發(fā)酵制品更為黏稠和具有更高觸變性的原因。

無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)可以適當(dāng)小于對應(yīng)的有人飛機(jī)，一般小于1.5，同時，無人作戰(zhàn)飛機(jī)的設(shè)計使用過載可以很大，由此可能給結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計帶來很大的變化，比如需更加關(guān)注基于概率的結(jié)構(gòu)分析方法，開展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)高設(shè)計許用值研究，充分挖掘復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的后屈曲承載能力，以及開展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜高應(yīng)力區(qū)的壽命評定方法研究，以進(jìn)一步地提高結(jié)構(gòu)效率和可靠性。

4 結(jié)語

被稱為“空中機(jī)器人”的無人機(jī)，可代替有人機(jī)完成繁重和危險的任務(wù)，必將在未來戰(zhàn)場上發(fā)揮不可替代的重要作用，復(fù)合材料作為無人機(jī)上使用的主要結(jié)構(gòu)材料，面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。只有充分發(fā)揮復(fù)合材料的比較優(yōu)勢，始終注重基礎(chǔ)技術(shù)積累與新的關(guān)鍵技術(shù)突破，才能不斷滿足未來新型無人機(jī)復(fù)雜使用環(huán)境的嚴(yán)苛要求，進(jìn)而促進(jìn)飛行器性能的不斷提升。

敦禮晃晃悠悠地來到洗漱間，一張蒼白的胡子拉碴的臉出現(xiàn)在鏡子里，嘴角有氣無力地耷拉著。因為太多的睡眠，眼皮倒是很輕松，兩個眼珠子像兩只奄奄一息的小獸蜷在后面，他盯著鏡子看了一會兒，心里竟和女子一樣生出些幽怨。

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>>>作者簡介

杜龍，男，1981年2月出生，2009年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，博士，高級工程師，現(xiàn)從事飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計工作。

Application of Advanced Composite on UAV and Key Technologies

Du Long,Li Chaoguang,Wang Hongfei
(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)

Advanced composites are widely used on UAV,and its usage amount is far more than that on manned aircraft.In this paper,the application of composite on UAV is introduced,the comparative advantages of using composites on UAV are stated,and the key technologies for applying advanced composite structure on UAV are summarized and analyzed.

UAV；Composite materials；Key technology

2017-05-21)