無人機復合材料設計制造關鍵技術

劉利江　張立健　劉本勝　李磊

【摘 要】針對復合材料在無人機上的應用，進行了簡要介紹，并結合無人機的結構特點詳細說明無人機設計與制造的關鍵技術。通過查閱相關的文獻和資料，了解復合材料在無人機上應用的研究現(xiàn)狀，敘述了復合材料在無人機上的應用前景，并對復合材料在設計制造加工中遇到的技術難點進行說明。

【關鍵詞】無人機；復合材料；設計；制造

中圖分類號： V229.7 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）08-0047-002

【Abstract】This paper briefly introduces the application of composite materials on drones，and describes the key technologies of drone design and manufacture in combination with the structural features of drones.By reviewing the relevant literature and data，the research status of the application of composite materials in drones is described，the application prospects of composite materials on drones are described， and the technical difficulties encountered in the design， manufacture and processing of composite materials are described.

【Key words】UAV；Composites；Design Manufacturing

0 導言

眾所周知，現(xiàn)階段無人機在許多國家中的多個領域的應用十分廣泛，尤其在軍事領域的應用。作為無人飛行員駕駛的飛機，可以通過地面指揮中心實現(xiàn)對無人機的控制，完成復雜危險的軍事任務，無人機發(fā)揮了十分重要的作用。在無人機的應用領域，如何提高無人機的機動性能、續(xù)航能力以及無人機的使用周期是較為關鍵的技術問題。傳統(tǒng)的無人機制造材料體積較大、重量大、使用周期短，導致無人機的使用性能差，續(xù)航能力不夠，無法滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需求。隨著復合材料在工業(yè)領域的應用越來越廣泛，研究人員嘗試將復合材料應用到無人機的設計制造過程中，并取得了良好的應用效果。

復合材料具有密度小、質量輕、強度高、抗疲勞能力強、硬度高等優(yōu)點，且復合材料的可設計性較強，無人機的空氣動力學技術可以通過復合材料所獨具的優(yōu)點實現(xiàn)，此外，復合材料的表面可以十分容易的涂抹隱身材料，在制造隱形無人機方面具有獨特的優(yōu)勢。此外，由于復合材料的優(yōu)勢，還可以在復合材料中植入相應的傳感器用于檢測無人機的形變、溫度等數(shù)據(jù)，更好的監(jiān)測無人機的狀態(tài)。由于復合材料具有上述優(yōu)點，因此，本文針對復合材料在無人機中的應用進行詳細介紹。

1 無人機研究現(xiàn)狀

無人機在設計時不用考慮人的因素，通常無人機的設計只需考慮空氣動力學的影響，因此無人機在設計時對飛機機身的溫度和強度要求較低，只需滿足飛機正常飛行時的要求即可。由于復合材料的質量較輕，無人機在執(zhí)行任務時機身承受的負載較小，飛行所需的動力較小，機身可以根據(jù)需求安裝更大的油箱，儲存更多的燃油，因此，使用先進復合材料制造的無人機的續(xù)航能力較強。無人機在軍事領域的應用最為廣泛，英國是最早開展無人機研究的國家，目前世界上有超過50個國家在研究并使用無人機，其中無人機技術應用最成熟的是美國，美國擁有二十多種無人機型號，最著名是代號為全球鷹（Global Hawk）的無人機。除此之外，美軍還擁有多種小型無人機，用于支援特殊部隊的作戰(zhàn)。

我國研究無人機的時間較短，僅僅四十多年，但我國無人機的技術卻并不落后，長虹高空高速無人機的研制成功，代表我國無人機事業(yè)的巨大進步。近幾年，我國又成功研發(fā)了“翼龍”、“翔龍”等無人機，又進一步提高了我國在無人機領域的地位。除了在軍事領域的應用，在民用方面，國內大疆科技的無人機技術最為成熟，除了用于航拍的多旋翼無人機外，用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)田管理、農(nóng)藥噴灑的無人機也廣泛應用在生態(tài)、農(nóng)業(yè)等領域。

2 復合材料在無人機上的應用

為了滿足軍事上的需求，無人機的材料由傳統(tǒng)的金屬材料逐步向復合材料發(fā)展，無人機在執(zhí)行任務時，通常周圍的環(huán)境比較惡劣，此外還要防止敵方對無人機的攻擊，無人機需要有一定的自我保護能力。為了滿足無人機執(zhí)行軍事任務的需要，復合材料在無人機上的應用越來越廣泛。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在無人機機身上使用的復合材料占機身總質量的百分之五十以上，最高可達百分之九十。圖1為“全球鷹”無人機上由復合材料制造的天線外罩。

復合材料的可設計行較強，設計人員可按照無人機的設計意圖優(yōu)化無人機的結構，在飛機機翼上可根據(jù)復合材料良好的性能實現(xiàn)一次成型。其次，由于復合材料特殊的電磁性能，無人機在與地面指揮中心通訊的過程中也大大提高了無人機的抗干擾能力，復合材料的特殊性能使無人機可長期工作在復雜惡劣的環(huán)境中。復合材料內部可植入智能芯片或傳感器，無人機各個部位的狀態(tài)信息可通過芯片被監(jiān)測到，保證地面指揮中心可以實時了解無人機的狀態(tài)。地面指揮中心根據(jù)無人機的運行狀態(tài)對無人機發(fā)送指揮命令，使無人機按照地面指揮中心的命令執(zhí)行任務。無人機的控制系統(tǒng)要由控制系統(tǒng)中的任務系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)組成，任務系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)又分別由其各自子系統(tǒng)構成，經(jīng)過若干級的劃分，最終由無人機系統(tǒng)中底層的執(zhí)行單元負責控制系統(tǒng)指令執(zhí)行的任務。無人機最重要的功能就是根據(jù)人的需要執(zhí)行任務。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進行實時處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結果把數(shù)據(jù)處理后的執(zhí)行命令下發(fā)到無人機的各個執(zhí)行件中，保證無人機的各個執(zhí)行件按照技術人員的設計和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理結果實時控制無人機按照設定的模式運行，保證無人機的運行不受外界環(huán)境的干擾。

3 復合材料設計/制造關鍵技術

由于無人機不需要飛行員的駕駛，因此，以復合材料制造的無人機不需要考慮飛行員的安全，可適當降低無人機設計時使用材料的安全系數(shù)，只需根據(jù)空氣動力學設計相應的結構，使無人機按照相應的軍事任務，在復雜惡劣的環(huán)境中維持自身系統(tǒng)和結構的穩(wěn)定性即可。同時不考慮人員設計的情況下，可適當根據(jù)使用需求擴大無人機內部的使用空間，更換更大的油箱，提高無人機的續(xù)航能力。

無人機最關鍵的部位時機翼部位，為了保持無人機飛行的穩(wěn)定性，無人機的機翼一般設計較長，機翼與機身的連接位置在無人機飛行時受力復雜，當無人機受到外界環(huán)境中的較大載荷時，極易因受到?jīng)_擊而發(fā)生斷裂，因此，對無人機機翼的設計是眾多科研人員研究的重點內容。此處的結構設計需結合復合材料本身的特性，并結合無人機在飛行時的受力情況，從多個方面對結構進行優(yōu)化設計，如拓撲形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化，且此優(yōu)化設計是結合了材料、空氣動力學等多個學科的知識實現(xiàn)的。

無人機的機身一體結構可以提高無人機的機動性能，但由于無人的體積較大，機身部位曲面形狀較復雜，任何一個部位小的缺陷可能導致無人機整體性能受到影響。因此，實現(xiàn)無人機機身結構的一體化，并且保證整體結構的完整性，在無人機制造時需要針對不同的材料進行各項數(shù)據(jù)的整合，得出材料隨結構變化的規(guī)律，并提出控制復合材料變形的關鍵技術點，并設計相應的補償算法，實現(xiàn)對無人機整體結構精度的控制。針對不同無人機的結構特點，利用CAD/CAM技術實現(xiàn)對無人機結構的靜力學和動力學分析，進一步在實際測試過程中對無人機結構進行實驗驗證，保證無人機在實際應用過程中按照預期的設計目標運行。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對無人機的隱身性能提出越來越高的要求，將隱身材料和先進復合材料結合起來，制造性能優(yōu)越、隱身性能好的無人機是未來無人機領域研究的重點方向。首先將隱身材料和復合材料結合制造無人機的主體結構，再針對容易被捕捉到的結構細節(jié)進行優(yōu)化設計，從材料和結構兩個方面實現(xiàn)對無人機隱身性能的提升。復合材料的特殊性能提高了無人機與地面控制中心通訊的抗干擾能力，保證了地面實時對無人機的控制不受電子干擾系統(tǒng)的干擾，大大提高了無人機的作戰(zhàn)性能。

4 結束語

復合材料在無人機中的應用不僅降低了無人機的成本，也提高了無人機的性能，對于復合材料在無人機領域的研究不僅促進了材料領域的發(fā)展，也帶動機械設計制造技術的進步，研究無人機技術和復合材料技術對國家在將來占領無人機產(chǎn)業(yè)具有十分重要的意義。復合材料在無人機領域的使用價值、研究價值和應用前景也促使各個國家在無人機領域進行不斷的投入，保證各自在復合材料領域和無人機領域的先進性。本文結合復合材料在無人機領域的研究現(xiàn)狀和關鍵技術進行詳細的描述，對無人機技術、復合材料技術、機械加工技術的結合應用做了詳細的剖析，相信隨著各科技術的發(fā)展，未來復合材料在無人機領域的應用將會更加廣泛。

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