無(wú)人機(jī)油電混合動(dòng)力系統(tǒng)（四）

符長(zhǎng)青

本文闡述油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)、氣動(dòng)布局、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，并介紹旋翼無(wú)人機(jī)的類型，以及油電混合動(dòng)力復(fù)合式無(wú)人機(jī)的類型和飛行原理。

油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)是典型的高復(fù)雜度、技術(shù)密集型產(chǎn)品，總體設(shè)計(jì)須要在性能、功能、安全性、研制和運(yùn)行成本、研制風(fēng)險(xiǎn)等方面尋求平衡，更深入地集成氣動(dòng)、控制、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、復(fù)合材料等專業(yè)技術(shù)，并在設(shè)計(jì)細(xì)化的過(guò)程中找到盡可能優(yōu)化的技術(shù)方案和實(shí)施路徑。

油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)

不論是電動(dòng)無(wú)人機(jī)還是油動(dòng)無(wú)人機(jī)，它們的能量來(lái)源都是單一物質(zhì)。油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的能源系統(tǒng)將電能和熱能組合在一起。因此，油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的總體設(shè)計(jì)必須考慮這一特點(diǎn)，充分發(fā)揮這兩類不同性質(zhì)能源的優(yōu)勢(shì)。

與航空器傳統(tǒng)的燃油動(dòng)力系統(tǒng)相比，電推進(jìn)系統(tǒng)具有一定程度的功率相對(duì)尺度無(wú)關(guān)性。電動(dòng)無(wú)人機(jī)和油電混合動(dòng)力兩類無(wú)人機(jī)的總體設(shè)計(jì)可突破航空器傳統(tǒng)架構(gòu)的限制，具有廣闊的設(shè)計(jì)空間；另一方面，受限于電池等部件的功率密度水平，與采用傳統(tǒng)燃油動(dòng)力裝置和常規(guī)布局的航空器相比，其電推進(jìn)系統(tǒng)會(huì)影響飛行器的航程和任務(wù)載荷等指標(biāo)。因此，電動(dòng)和油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)對(duì)總體結(jié)構(gòu)/推進(jìn)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)和氣動(dòng)布局創(chuàng)新設(shè)計(jì)提出了許多新的需求。

對(duì)于油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)而言，其總體結(jié)構(gòu)/推進(jìn)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)要求對(duì)油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、旋翼或螺旋槳、機(jī)翼、短艙等部件開展綜合權(quán)衡分析和迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合考慮油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的尺寸、氣動(dòng)力、重量、動(dòng)力系統(tǒng)等參數(shù)，開展關(guān)鍵參數(shù)的敏感性分析與協(xié)調(diào)，進(jìn)行方案評(píng)估，支撐布局方案選型。

油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)采用總體結(jié)構(gòu)/推進(jìn)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)方法，既能克服油動(dòng)無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置與機(jī)體結(jié)構(gòu)分開設(shè)計(jì)方式的缺點(diǎn)，又能發(fā)揮電動(dòng)無(wú)人機(jī)氣動(dòng)布局、推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較高自由度且高度耦合的優(yōu)點(diǎn)，有效提高無(wú)人機(jī)的飛行性能。

旋翼無(wú)人機(jī)的類型

常見的不同總體結(jié)構(gòu)旋翼無(wú)人機(jī)詳見圖1。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)，旋翼給周圍空氣以扭矩，根據(jù)物體作用力與反作用力的物理學(xué)基本原理，空氣必定以大小相等、方向相反的扭矩作用于旋翼，這種反扭矩繼而傳遞到機(jī)體，如果不采取補(bǔ)償措施，反扭矩將使機(jī)體發(fā)生逆向旋轉(zhuǎn)。為了消除旋翼反扭矩作用，保持旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)體的航向，可以采用不同的補(bǔ)償方式，在設(shè)計(jì)層面就出現(xiàn)了不同類型的旋翼無(wú)人機(jī)。

（1）單旋翼帶尾槳式無(wú)人直升機(jī)

該型無(wú)人直升機(jī)只有一個(gè)主旋翼，采用尾槳推力來(lái)平衡主旋翼反扭矩。這種類型是傳統(tǒng)直升機(jī)中最流行的型式，詳見圖1（a），其結(jié)構(gòu)比雙旋翼無(wú)人直升機(jī)簡(jiǎn)單，但要多付出尾槳的功率消耗。

（2）雙旋翼共軸式無(wú)人直升機(jī)

該無(wú)人直升機(jī)如圖1(b)所示，其兩副旋翼在同一軸線上，相逆旋轉(zhuǎn)，因此反扭矩彼此抵消。這種型式無(wú)人直升機(jī)外形尺寸較小，但其傳動(dòng)和操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜。

（3）雙旋翼縱列式無(wú)人直升機(jī)

圖1(c)是雙旋翼縱列式無(wú)人直升機(jī)，其兩副旋翼縱向前后布置，相逆旋轉(zhuǎn)，反扭矩彼此抵消。這種型式的優(yōu)點(diǎn)是，機(jī)身寬敞，容許機(jī)體重心位置移動(dòng)較大；缺點(diǎn)是后旋翼的空氣動(dòng)力效能較差。

圖1 不同類型的旋翼無(wú)人機(jī)示意圖。

（4）雙旋翼橫列式無(wú)人直升機(jī)

雙旋翼橫列式無(wú)人直升機(jī)的兩副旋翼分別安裝在左右支臂或固定在左右機(jī)翼上，相逆旋轉(zhuǎn)，反扭矩彼此抵消，如圖1(d)所示。這種型式的優(yōu)點(diǎn)是，構(gòu)造對(duì)稱，穩(wěn)定性和操縱性較好；缺點(diǎn)是迎面空氣阻力較大。

（5）多旋翼無(wú)人機(jī)

多旋翼無(wú)人機(jī)的旋翼數(shù)量多達(dá)4個(gè)或4個(gè)以上，通常分為4、6、8、12、16、18、24、36……旋翼無(wú)人機(jī)。每?jī)筛毙硐嗄嫘D(zhuǎn)，因而反扭矩彼此抵消，如圖1(e)所示。

（6）其他型式

為了提高旋翼飛行器的任務(wù)載荷、前飛速度、實(shí)用升限和航程等指標(biāo)，人們?cè)O(shè)計(jì)研制出復(fù)合式、涵道風(fēng)扇式、傾轉(zhuǎn)機(jī)翼式以及圖1(f)的傾轉(zhuǎn)旋翼式等一些特殊型式的旋翼飛行器。

油電混合動(dòng)力復(fù)合式無(wú)人機(jī)氣動(dòng)布局

油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)方案多種多樣，它們大多具有固定翼和旋翼布局，是一種新構(gòu)型無(wú)人機(jī)。

什么是復(fù)合？復(fù)合就是混合，是兩種或多種不同的物質(zhì)混合在一起，從而產(chǎn)生出一種新的物質(zhì)。例如，復(fù)合材料就是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的物質(zhì)經(jīng)固化而成為一種多相固體材料，它既保持了原組分材料的主要特點(diǎn)，又具備原組分材料所沒有的新性能。在生物學(xué)上，復(fù)合稱之為雜交，例如雜交水稻。

常規(guī)旋翼無(wú)人機(jī)具有垂直起降功能，可完成低空高機(jī)動(dòng)飛行，應(yīng)用范圍廣。但是，受前行槳葉波阻和后行槳葉失速的限制，其飛行速度不高，巡航速度很難超過(guò)400km/h。相比之下，固定翼無(wú)人機(jī)既省油又飛得快，但起降須要跑道，使用不方便。如何將這兩種布局無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)？

圖2 數(shù)架多旋翼載客無(wú)人機(jī)同時(shí)在城市上空飛行。

圖3 不同總體結(jié)構(gòu)的復(fù)合式無(wú)人機(jī)。

通過(guò)一系列理論研究和分析后，人們開始實(shí)踐，設(shè)計(jì)復(fù)合式布局，以融合這兩種無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，使復(fù)合式無(wú)人機(jī)既具有固定翼無(wú)人機(jī)的飛行性能和優(yōu)點(diǎn)，如續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、飛行速度快、飛行效率高和任務(wù)載荷重量大等，又具有旋翼無(wú)人機(jī)的飛行性能和優(yōu)點(diǎn)，如垂直升降、空中懸停、原地回轉(zhuǎn)和低空樹梢高度飛行等。當(dāng)然，任何事物并不都是完美無(wú)缺，兩者混合的結(jié)果，必然也會(huì)繼承各自前輩的一些缺點(diǎn)。例如，復(fù)合式無(wú)人機(jī)與固定翼無(wú)人機(jī)相比，具有飛行速度低、耗油量較高、航程較短等缺點(diǎn)；與旋翼無(wú)人機(jī)相比，其垂直升降、空中懸停性能，以及穩(wěn)定性和安全性常會(huì)略遜一籌。

但不管怎么說(shuō)，復(fù)合式無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)仍然存在，近年來(lái)取得了很多突破性進(jìn)展。現(xiàn)在，無(wú)人機(jī)的發(fā)展速度之快確實(shí)無(wú)法想象，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用已深入到人們生活和工作的各個(gè)領(lǐng)域。復(fù)合式無(wú)人機(jī)越來(lái)越智能，優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，發(fā)展速度越來(lái)越快。

油電混合動(dòng)力復(fù)合式無(wú)人機(jī)的類型與飛行原理

為了得到一種飛行速度快、飛行高度高、任務(wù)載荷重量大、省油的垂直起降無(wú)人機(jī)，人們絞盡腦汁，想出了一個(gè)又一個(gè)辦法，設(shè)計(jì)出許多不同構(gòu)型的復(fù)合式無(wú)人機(jī)方案，而且制造出各種復(fù)合式無(wú)人機(jī)。復(fù)合式無(wú)人機(jī)主要有如下6種構(gòu)型。

（1）噴氣式垂直起降無(wú)人機(jī)

垂直起降（VTOL）無(wú)人機(jī)按照動(dòng)力裝置類型，可分為噴氣式和螺旋槳（旋翼）式兩大類。其中，噴氣式垂直起降無(wú)人機(jī)采用噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)提供垂直起降所須的升力。產(chǎn)生升力的方法有三種，一是偏轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管產(chǎn)生升力；二是直接使用升力發(fā)動(dòng)機(jī)提供升力；三是前兩種方法的組合，同時(shí)使用升力發(fā)動(dòng)機(jī)和主發(fā)動(dòng)機(jī)提供升力。噴氣式垂直起降無(wú)人機(jī)的缺點(diǎn)是，造價(jià)和使用成本高，通常不在民用領(lǐng)域應(yīng)用。軍用噴氣式垂直起降無(wú)人機(jī)的飛行原理與軍用有人機(jī)（如美國(guó)F-35B）相同。噴氣式垂直起降無(wú)人機(jī)在垂直起降時(shí)，其發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管從向后方向轉(zhuǎn)為垂直向下，無(wú)人機(jī)在空中由平飛轉(zhuǎn)向懸停狀態(tài)，最后完成垂直降落。

（2）傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)

傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)是一種同時(shí)具有旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)特點(diǎn)的復(fù)合式無(wú)人機(jī)。其飛行原理與傾轉(zhuǎn)旋翼有人機(jī)（如美國(guó)V-22傾轉(zhuǎn)旋翼有人機(jī)）相同。當(dāng)其旋翼處于垂直位置時(shí)，傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)類似于雙旋翼橫列式無(wú)人機(jī)，可懸停、側(cè)飛、后飛、垂直起降，此時(shí)它的單位功率起降重量接近典型旋翼機(jī)。當(dāng)其旋翼處于水平位置時(shí)，傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)相當(dāng)于固定翼無(wú)人機(jī)，飛行速度快，能完成遠(yuǎn)程飛行。

（3）傾轉(zhuǎn)機(jī)翼無(wú)人機(jī)

傾轉(zhuǎn)機(jī)翼無(wú)人機(jī)是一種整個(gè)機(jī)翼都可以傾轉(zhuǎn)的復(fù)合式無(wú)人機(jī)，這是它與傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)最大的區(qū)別，因?yàn)閮A轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)翼固定不動(dòng)，僅傾轉(zhuǎn)安裝在機(jī)翼上的旋翼。根據(jù)不同的傾轉(zhuǎn)模式，傾轉(zhuǎn)機(jī)翼無(wú)人機(jī)所處的飛行模式也不相同，當(dāng)傾轉(zhuǎn)機(jī)翼處于垂直狀態(tài)時(shí)，傾轉(zhuǎn)機(jī)翼無(wú)人機(jī)可完成懸停、側(cè)飛、后飛、垂直起降等飛行動(dòng)作。當(dāng)傾轉(zhuǎn)機(jī)翼處于水平狀態(tài)時(shí)，傾轉(zhuǎn)機(jī)翼無(wú)人機(jī)相當(dāng)于固定翼無(wú)人機(jī)，飛行速度快，完成遠(yuǎn)程飛行。

其實(shí)，在V-22傾轉(zhuǎn)旋翼有人機(jī)問世之前，美國(guó)已經(jīng)研制出有人駕駛傾轉(zhuǎn)機(jī)翼運(yùn)輸機(jī)XC-142。該型運(yùn)輸機(jī)于1964年9月首飛，采用4臺(tái)T64-GE-1型發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，可搭載2名機(jī)組人員，最大起飛重量20t。它的主機(jī)翼和水平尾翼都能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切換，而且機(jī)尾安裝有一副旋翼，以保證機(jī)身的整體平衡。由于機(jī)翼改平時(shí)的狀態(tài)，出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)功率過(guò)剩的情況。另一方面，航程為6000km的垂直起降運(yùn)輸機(jī)能承擔(dān)的任務(wù)，許多其他運(yùn)輸機(jī)也能完成，而且效費(fèi)比更高。于是，美國(guó)三大軍種陸續(xù)對(duì)XC-142運(yùn)輸機(jī)喪失了興趣。最終，5架XC-142僅有1架保存下來(lái)。

圖4 中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院研制的“彩虹”-10 傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)。

圖5 傾轉(zhuǎn)機(jī)翼無(wú)人機(jī)。

圖6 從地面騰空而起的XC-142傾轉(zhuǎn)機(jī)翼運(yùn)輸機(jī)。

（4）單旋翼復(fù)合式無(wú)人機(jī)

單旋翼復(fù)合式無(wú)人機(jī)是在固定翼無(wú)人機(jī)機(jī)身上增加一個(gè)主旋翼而構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體。它既有固定翼無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)特性，又有旋翼無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)特性，因此能夠旋翼無(wú)人機(jī)模式進(jìn)行垂直起飛或降落，又能采用固定翼無(wú)人機(jī)模式，以較高的飛行速度完成巡航飛行。

在垂直起降階段，單旋翼復(fù)合式無(wú)人機(jī)完全由主旋翼提供升力，相當(dāng)于直徑比較大的單副旋翼承擔(dān)無(wú)人機(jī)的全部重量；當(dāng)轉(zhuǎn)入前飛狀態(tài)時(shí)，由固定機(jī)翼和旋翼共同承擔(dān)無(wú)人機(jī)的重量。單副大直徑主旋翼能夠產(chǎn)生比較大的升力，例如單旋翼帶尾槳無(wú)人機(jī)的最大起飛重量可超過(guò)10t。單旋翼復(fù)合式無(wú)人機(jī)比較適合森林消防使用，包括空中巡查、火場(chǎng)偵察、燈光照明、火點(diǎn)快速定位、火情確定，以及外掛吊桶直接參與撲滅林火等任務(wù)，其結(jié)構(gòu)形式較適合作為大中型森林消防無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)方案。

（5）多旋翼復(fù)合式無(wú)人機(jī)

多旋翼復(fù)合式無(wú)人機(jī)是在固定翼無(wú)人機(jī)機(jī)體上增加多副旋翼（大多數(shù)為4副旋翼）而構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體。它能夠以旋翼無(wú)人機(jī)模式進(jìn)行垂直起飛或降落，又能采用固定翼無(wú)人機(jī)模式，以較高飛行速度完成巡航飛行。

圖7 單旋翼復(fù)合式無(wú)人機(jī)。

圖8 多旋翼復(fù)合式無(wú)人機(jī)。

在垂直起降時(shí)，多旋翼復(fù)合式無(wú)人機(jī)所能承載的重量只相當(dāng)于多旋翼無(wú)人機(jī)所能承載的重量，其任務(wù)載荷重量比較小。所以，這種復(fù)合構(gòu)型一般比較適合作為中小型無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)方案。多旋翼復(fù)合式無(wú)人機(jī)的飛行原理和過(guò)程可分為以下幾個(gè)階段。

無(wú)人機(jī)啟動(dòng)朝上安裝的所有旋翼電機(jī)，依靠所有旋翼產(chǎn)生的升力（合力）進(jìn)行垂直起飛，此時(shí)機(jī)頭的拉力螺旋槳（或機(jī)尾的推力螺旋槳）電機(jī)不工作。

②從懸停轉(zhuǎn)向平飛的階段

多旋翼復(fù)合式無(wú)人機(jī)依靠多旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生的升力，可穩(wěn)定懸停在特定高度的位置，機(jī)頭的拉力螺旋槳（或機(jī)尾的推力螺旋槳）電機(jī)啟動(dòng)，進(jìn)入最大功率狀態(tài)，螺旋槳產(chǎn)生向前的最大拉力（或推力），使多旋翼復(fù)合式無(wú)人機(jī)在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)換的前飛速度，然后，朝上安裝的所有旋翼電機(jī)停止工作。

③平飛階段

在平飛階段，多旋翼復(fù)合式無(wú)人機(jī)像固定翼無(wú)人機(jī)一樣，由機(jī)頭的拉力螺旋槳（或機(jī)尾的推力螺旋槳）提供升力進(jìn)行水平飛行，完成從起飛點(diǎn)至作業(yè)區(qū)的轉(zhuǎn)移飛行、任務(wù)巡航、任務(wù)區(qū)作業(yè)、從任務(wù)區(qū)至著陸點(diǎn)的返航等一系列飛行姿態(tài)和任務(wù)。

④從平飛轉(zhuǎn)向懸停的階段

當(dāng)多旋翼復(fù)合式無(wú)人機(jī)從平飛姿態(tài)轉(zhuǎn)向懸停姿態(tài)時(shí)，首先須減速到預(yù)定轉(zhuǎn)換速度，然后啟動(dòng)朝上安裝的所有旋翼電機(jī)，當(dāng)所有旋翼產(chǎn)生的升力（合力）達(dá)到能夠支撐無(wú)人機(jī)的總重量并符合空中懸停的條件后，機(jī)頭的拉力螺旋槳（或機(jī)尾的推力螺旋槳）電機(jī)關(guān)閉，由多旋翼提供懸停所須的升力。

⑤垂直降落階段

通過(guò)技術(shù)研究，研制了一種多功能硫磺皮帶機(jī)集成清掃裝置，經(jīng)性能評(píng)價(jià)驗(yàn)證，達(dá)到了研究目的，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用條件，硫磺粉塵質(zhì)量濃度降低至6.1 mg/m3，遠(yuǎn)小于未安裝前25.1 g/m3的現(xiàn)場(chǎng)平均粉塵質(zhì)量濃度。形成的多功能硫磺皮帶機(jī)集成清掃裝置，可以從最前端將皮帶上黏附的物料處理掉，有效減少硫磺粉塵污染，實(shí)現(xiàn)硫磺輸送系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行，為后續(xù)硫磺皮帶機(jī)清掃裝置改進(jìn)提供了指導(dǎo)依據(jù)，對(duì)解決皮帶輸送機(jī)沿線粉塵污染具有重要意義。研究成果可為國(guó)內(nèi)同類型裝置提供借鑒參考。

該階段與垂直起飛階段相反，無(wú)人機(jī)由多旋翼提供升力，是典型的多旋翼無(wú)人機(jī)垂直降落方式。

（6）帶索引推進(jìn)器旋翼無(wú)人機(jī)

除了上面介紹的5種復(fù)合式無(wú)人機(jī)之外，另一種更實(shí)用、更有發(fā)展前途的方案也獲得不少人的青睞。該型復(fù)合式無(wú)人機(jī)是一種帶推進(jìn)器的旋翼無(wú)人機(jī)，它的構(gòu)型設(shè)計(jì)借鑒了世界上飛行速度最快的S-97雙旋翼共軸式直升機(jī)，其最大飛行速度超過(guò)480km/h。

由圖9可見，該型雙旋翼共軸式無(wú)人機(jī)的機(jī)頭增加了一個(gè)水平螺旋槳，該水平螺旋槳是索引器推進(jìn)，因而這種復(fù)合式無(wú)人機(jī)稱為雙旋翼共軸式帶索引推進(jìn)器無(wú)人機(jī)。其飛行原理是，當(dāng)無(wú)人機(jī)垂直起降和懸停時(shí)，水平螺旋槳停止工作，無(wú)人機(jī)處于“雙旋翼共軸式無(wú)人機(jī)”的工作狀態(tài)。當(dāng)無(wú)人機(jī)前飛時(shí)，水平螺旋槳啟動(dòng)工作，開始旋轉(zhuǎn)，為無(wú)人機(jī)前飛提供拉力（索引力），以提高無(wú)人機(jī)的前飛速度，無(wú)人機(jī)處于“復(fù)合式無(wú)人機(jī)”的工作狀態(tài)。

圖9 雙旋翼共軸式帶推進(jìn)器無(wú)人機(jī)。

油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)機(jī)體采用高比強(qiáng)度、高比剛度復(fù)合材料制成。復(fù)合材料的使用一方面減輕了整機(jī)重量；另一方面，復(fù)合材料擁有優(yōu)異的耐疲勞性能和耐介質(zhì)腐蝕性能，延長(zhǎng)了機(jī)體壽命和無(wú)人機(jī)的維修間隔。同時(shí)，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料和工藝不斷改進(jìn)，提高了無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、性能和效能，使運(yùn)營(yíng)成本下降。

所謂設(shè)計(jì)，是將人的某種目的轉(zhuǎn)換為一個(gè)具體的物體或工具。無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指，運(yùn)用航空器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論與技術(shù)方法，設(shè)計(jì)出滿足總體設(shè)計(jì)方案要求的無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與所選用的結(jié)構(gòu)材料密切相關(guān)，而無(wú)人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的層次：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層次和材料設(shè)計(jì)層次。這是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同于金屬材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)之一。

無(wú)人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)與通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如金屬材料）目標(biāo)基本相同，但是復(fù)合材料在性能、失效摸式、耐久性和損傷容限機(jī)理，以及制造工藝、質(zhì)量控制等方面與金屬材料有顯著差異。無(wú)人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)。

（1）材料性能的可設(shè)計(jì)性

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已從各向同性材料（如金屬材料）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)化為單層基本力學(xué)性能為正交異性的鋪層剪裁優(yōu)化設(shè)計(jì)。充分利用復(fù)合材料性能可設(shè)計(jì)性的特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)睦w維取向、鋪層比例和鋪層順序，發(fā)揮沿纖維方向的優(yōu)良性能優(yōu)勢(shì)，并避免使用弱橫向性能和剪切性能，即通過(guò)剪裁材料和優(yōu)化鋪層來(lái)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）設(shè)計(jì)與制造一體化

為保證結(jié)構(gòu)成形與材料形成同時(shí)完成，復(fù)合材料部件的制造工藝方法選擇和質(zhì)量控制至關(guān)重要。一體化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)組織的協(xié)同制造及流程協(xié)同，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量。結(jié)構(gòu)成形工藝方法不僅應(yīng)保證增強(qiáng)纖維取向、鋪層比例和鋪層順序達(dá)到設(shè)計(jì)確定的要求，還應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)尺寸和構(gòu)型對(duì)工藝設(shè)備、模具以及質(zhì)量穩(wěn)定的要求。

（3）材料的缺陷敏感性

復(fù)合材料對(duì)缺口、裂紋、分層等缺陷具有敏感性，復(fù)合材料破壞模式多樣，損傷擴(kuò)展往往缺乏規(guī)律性。因此，設(shè)計(jì)值通常以初始缺陷/損傷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響為基礎(chǔ)，并考慮結(jié)構(gòu)、載荷、破壞模型等按靜力覆蓋疲勞的原則而確定。針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，須注意對(duì)某些敏感區(qū)的局部鋪層設(shè)計(jì)，例如，連接區(qū)、局部沖擊、應(yīng)力集中點(diǎn)、開口附近等處的鋪層應(yīng)進(jìn)行局部調(diào)整和加強(qiáng)；結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)外形的突變區(qū)須要設(shè)計(jì)鋪層過(guò)渡；采取相應(yīng)措施解決層壓復(fù)合材料的某些區(qū)域易產(chǎn)生分層，以及可能引發(fā)的結(jié)構(gòu)承載能力下降或失效的問題。

（4）結(jié)構(gòu)的整體性

復(fù)合材料具有整體化成形的優(yōu)點(diǎn)，可制造大型復(fù)雜部件。在無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在不增加工裝復(fù)雜程度的情況下，應(yīng)盡量減少零件數(shù)量而設(shè)計(jì)整體部件，如大型機(jī)翼整體壁板。這樣可不用緊固件或減少緊固件的數(shù)量，減輕結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)效率，并減少鉆孔、裝配和由孔引起的應(yīng)力集中等問題，以及降低制造成本。

（5）承載路徑的連續(xù)性

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件與金屬結(jié)構(gòu)件不同，除具有一定的形狀外，還具有不同的層級(jí)組織。為了保證結(jié)構(gòu)件中各元件之間的正常載荷傳遞路徑，蒙皮和桁、冀肋、翼梁等構(gòu)件之間，以及各構(gòu)件中的梁的緣條和腹板之間的承載路徑應(yīng)盡量連續(xù)。連接的形式和方法應(yīng)與傳遞載荷的性質(zhì)（拉壓、剪切等）和方向相適應(yīng)，盡量避免偏心和切口效應(yīng)。同一部件須要拼接時(shí)，其纖維取向也應(yīng)連續(xù)。

（6）良好的工藝性

無(wú)人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)工藝性主要指固化成形工藝性和裝配工藝性。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮工藝分離面劃分、成形工藝方法和整體化成形的可行性。不同成形工藝方法，結(jié)構(gòu)工藝性考慮的重點(diǎn)不同。裝配工藝性設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)在于配合精度、連接技術(shù)和組裝方法。為了保證制造出高質(zhì)量和低成本復(fù)合材料，在成形和裝配時(shí)，應(yīng)盡量避免可能出現(xiàn)的各種缺陷。

無(wú)人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程

油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)綜合設(shè)計(jì)思想是，在最大限度滿足無(wú)人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)性要求的前提下，按照無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各項(xiàng)基本要求及復(fù)合材料的特性，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評(píng)估，并將綜合評(píng)估的結(jié)果以權(quán)值方式融入無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。無(wú)人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程大致分為4個(gè)階段。

（1）設(shè)計(jì)要求

無(wú)人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足空氣動(dòng)力學(xué)，強(qiáng)度、剛度和重量，結(jié)構(gòu)力學(xué)，最小重量，最短傳力路線，耐損性，使用維護(hù)和形狀尺寸等要求。

（2）材料設(shè)計(jì)

材料設(shè)計(jì)包括組分材料選用、結(jié)構(gòu)性能要求、工藝要求，使用環(huán)境要求，以及單層性能確定、層級(jí)組織設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)形式的確定、結(jié)構(gòu)打樣設(shè)計(jì)、零構(gòu)件設(shè)計(jì)和裝配圖設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

（4）結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件尺寸和變形控制，不僅要進(jìn)行分析計(jì)算，更重要的是進(jìn)行必要的工藝試驗(yàn)，總結(jié)積累經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)視不同階段進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)，包括某些工藝試驗(yàn)。其中復(fù)合材料試樣、零構(gòu)件、組件和部件4個(gè)層次驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)保證復(fù)合材料滿足無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求非常重要。在無(wú)人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最后階段，還要進(jìn)行損傷容限的評(píng)定，以保證結(jié)構(gòu)滿足完整性要求。

油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)復(fù)合材料組分設(shè)計(jì)

材料設(shè)計(jì)是無(wú)人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，關(guān)系到結(jié)構(gòu)完整性、結(jié)構(gòu)效率、耐久性、工藝性和成本。油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)復(fù)合材料組分設(shè)計(jì)充分反映了復(fù)合材料的性能特點(diǎn)，以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)之間的顯著差異。

無(wú)人機(jī)復(fù)合材料組分設(shè)計(jì)是指，應(yīng)用已知理論與信息，通過(guò)計(jì)算，預(yù)報(bào)新材料的組分與性能，或者說(shuō)，采用一種理論方法，設(shè)計(jì)具有特定性能的新材料方案。根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象所涉及的空間尺度，材料組分設(shè)計(jì)可劃分為顯微結(jié)構(gòu)層次、原子分子層次和電子層次設(shè)計(jì)，以及綜合考慮各個(gè)層次的多尺度材料設(shè)計(jì)。從工程角度看，材料設(shè)計(jì)是依據(jù)產(chǎn)品所須材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)，利用各種有用理論知識(shí)和信息，建立相關(guān)模型，設(shè)計(jì)出能滿足預(yù)想要求的微觀結(jié)構(gòu)和性能的材料，以及材料生產(chǎn)工藝方法，以滿足特定產(chǎn)品對(duì)新材料的需求。

材料設(shè)計(jì)的目的是，按指定性能指標(biāo)要求，確定材料成分或相的組合，按生產(chǎn)要求設(shè)計(jì)最佳的制備方法和工藝流程，以制造出滿足產(chǎn)品要求的各種材料。材料設(shè)計(jì)包括三方面內(nèi)容。

（1）材料各組分性能研究與設(shè)計(jì)

（2）材料使用性能預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)

（3）材料成分結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)復(fù)合材料選材的基本要求

樹脂基體和增強(qiáng)纖維是無(wú)人機(jī)復(fù)合材料的主要組成。

復(fù)合材料選材的基本要求與金屬材料大體相同，但必須重點(diǎn)考慮復(fù)合材料特有的性能。選材應(yīng)按無(wú)人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的具體使用部位（如主承力結(jié)構(gòu)還是次承力結(jié)構(gòu)）、承載和工作環(huán)境條件，選擇具有良好環(huán)境適應(yīng)性（耐濕熱、抗沖擊、耐介質(zhì)等）的復(fù)合材料品類型。所選材料的性能應(yīng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能要求相匹配，綜合考慮結(jié)構(gòu)完整性、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)疲勞/耐久性，材料耐腐蝕性、熱性能、力學(xué)性能、工藝性、成本、使用經(jīng)驗(yàn)、材料來(lái)源等因素而擇優(yōu)選材。 ■