復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)在小型無人機(jī)中的應(yīng)用

王丹 李俊斌 孟要偉

摘 要 無人機(jī)具有零生命損傷、操作靈活、功能多樣、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在社會(huì)各領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。小型無人機(jī)具有風(fēng)險(xiǎn)低、重量輕、總體尺寸小等特點(diǎn)，這對(duì)其結(jié)構(gòu)提出了保證性能、控制成本的設(shè)計(jì)要求。復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)能夠在保證結(jié)構(gòu)承載的前提下，最大程度減輕結(jié)構(gòu)重量，同時(shí)在工藝方面具有一體化成型的成本優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能優(yōu)勢(shì)、材料選擇、成型工藝進(jìn)行重點(diǎn)介紹，并探究了泡沫夾芯結(jié)構(gòu)在小型無人機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，為小型無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞 小型無人機(jī)；復(fù)合材料；泡沫夾芯；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Application of Composite Foam Sandwich

Structure in Small Drone

WANG Dan， LI Junbin， MENG Yaowei

（AVIC Xian Aircraft Industry Group Co.，Ltd.，Xian 710000）

ABSTRACT Drones have played an important role in various fields of society as for the advantages of zero life damage， flexible operation， diverse functions and strong environmental adaptability. Small drones have the characteristics of low risk， light weight and small overall size， which puts forward design requirements for their structure to ensure performance and control costs. Composite foam sandwich structure can reduce the weight to the greatest extent while ensuring the bearing capacity of the structure， and have the cost advantage of integrated molding in terms of process. This paper introduces the foam sandwich structure， and discusses its characteristics， performance advantages， material selection， and molding process. Emphasis is placed on the application of foam sandwich structure in small drone is explored， which provides a reference for the structural design of small drone.

KEYWORDS small drones；composite materials；foam sandwich structure；structural design

通訊作者：王丹，女，碩士生。研究方向?yàn)轱w機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。E-mail：wangdan3697@163.com

1 引言

無人機(jī)即無人駕駛飛行器，是利用其內(nèi)部設(shè)備被遠(yuǎn)程操縱或進(jìn)行自主飛行并完成特定任務(wù)的飛行器。近年來，各式各樣的無人機(jī)進(jìn)入了井噴式發(fā)展的階段。與有人或載人飛機(jī)相比，無人機(jī)突破生物個(gè)體對(duì)機(jī)械設(shè)施的限制，具有零生命損傷、操作靈活、功能多樣、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在軍用領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于偵察監(jiān)視、通信中繼、空中預(yù)警、電子干擾、火炮校射、攻擊格斗等諸多軍事行動(dòng)中^［1］，在民用領(lǐng)用則在航空拍攝、氣象監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘探、信息通訊、邊境巡邏、治安反恐、農(nóng)業(yè)種植等活動(dòng)中發(fā)揮了巨大作用。同時(shí)，無人機(jī)在社會(huì)各方面的廣泛應(yīng)用也對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更為嚴(yán)苛的成本控制要求。在滿足強(qiáng)度、剛度要求的前提下，無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)形式、減小結(jié)構(gòu)重量、降低結(jié)構(gòu)成本。目前，在無人機(jī)上大量使用復(fù)合材料是降低成本的必然選擇^［2］。

小型無人機(jī)具有風(fēng)險(xiǎn)低、重量輕、總體尺寸較小的特點(diǎn)。復(fù)合材料性能優(yōu)良，可作為小型無人機(jī)的主體材料，同時(shí)，根據(jù)小型無人機(jī)特點(diǎn)，利用復(fù)合材料良好的整體成型工藝性，使用新構(gòu)型，可以達(dá)到減少機(jī)體內(nèi)部零件、提高可用空間、降低重量的目的，滿足成本控制要求^［3］。相對(duì)傳統(tǒng)復(fù)合材料實(shí)體板結(jié)構(gòu)，夾芯結(jié)構(gòu)是一種材料分布更為合理的輕量化結(jié)構(gòu)，并有望在小型構(gòu)件中發(fā)揮重要作用。

2 泡沫夾芯結(jié)構(gòu)

泡沫夾芯結(jié)構(gòu)屬于夾芯結(jié)構(gòu)的一種，是典型的輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式。夾芯結(jié)構(gòu)一般由上面板、膠接層、芯材、膠接層及下面板構(gòu)成，其上、下面板一般為碳纖維/樹脂層壓板結(jié)構(gòu)，在層壓板中間填充低密度材料，可以以較小的重量為代價(jià)，大幅度提高層板強(qiáng)度，達(dá)到減重增效及一體化制造的目的。同時(shí)，夾芯結(jié)構(gòu)具有較大的設(shè)計(jì)空間?？蓪?duì)面板的鋪層順序、芯材的形狀、夾芯結(jié)構(gòu)的成型方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到不同性能的復(fù)合材料制件，使之適應(yīng)不同部件的使用需求。

2.1 芯材選擇

夾芯結(jié)構(gòu)的性能很大程度上取決于芯材的性能，如表1所示。

夾芯結(jié)構(gòu)中的芯材一般為多孔結(jié)構(gòu)，是一種由相互貫通的棱邊和壁板或封閉孔洞相互聯(lián)結(jié)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)體。由類蜂窩的六邊形孔格相互堆積構(gòu)成的多孔材料為蜂窩材料，包括鋁蜂窩、芳綸紙蜂窩等。由填充三維空間的多面體構(gòu)成的多孔材料為泡沫材料，包括PMI泡沫、PVC泡沫等。其中，PMI泡沫密度小、耐高溫、抗壓和比強(qiáng)度高^［4］，具有優(yōu)異的二次加工性能，可加溫成形、機(jī)械加工成形，且高溫下耐蠕變性能好，能夠適用高溫固化的樹脂和預(yù)浸料并滿足固化工藝對(duì)泡沫尺寸穩(wěn)定性的要求，在航天航空領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。例如，空客公司采用泡沫夾芯結(jié)構(gòu)用于其A330飛機(jī)和A340飛機(jī)的壓力框、擾流板、翼身整流罩等部件；波音公司采用泡沫夾芯結(jié)構(gòu)用于MD11飛機(jī)尾部的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口側(cè)板件結(jié)構(gòu)；ATR公司采用泡沫夾芯壁板結(jié)構(gòu)做ATR 72飛機(jī)的襟翼整流罩和翼尖；商飛公司的ARJ21飛機(jī)小翼也采用了泡沫夾芯結(jié)構(gòu)^［5］。

相比蜂窩材料，泡沫具有各向同性的力學(xué)性能，能滿足復(fù)雜的受力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求，適用于無人機(jī)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，在小尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，泡沫材料的應(yīng)用也有遠(yuǎn)超于蜂窩材料的優(yōu)勢(shì)。

（1）泡沫材料制備方法簡(jiǎn)單，適用各種液體成型工藝，且機(jī)械加工性能較好，加工成本更低，可制造復(fù)雜異形件，更能滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)和小尺寸結(jié)構(gòu)的加工制造要求，減少裝配環(huán)節(jié)并節(jié)省成本。

（2）作為夾芯結(jié)構(gòu)的芯材，泡沫與復(fù)合材料面板貼合性能更好，在共固化成型時(shí)，避免蜂窩孔格處出現(xiàn)的面板纖維彎曲、樹脂富集等問題，在保證性能的前提下增加產(chǎn)品合格率，減少夾芯結(jié)構(gòu)制造成本。

（3）結(jié)構(gòu)件中多選用高閉孔率的泡沫作為芯材，吸濕性更低，水和水汽不能進(jìn)入閉孔泡沫內(nèi)部，減少了由于吸水率帶來的結(jié)構(gòu)破壞、重量增加、維修次數(shù)增大等風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 成型方法

泡沫夾芯結(jié)構(gòu)可通過預(yù)成型泡沫芯和面板法、預(yù)成型面板法、預(yù)成型泡沫芯法以及澆鑄成型法等方法制得，不同成型方法的區(qū)別在于面板成型、芯子成型及二者連接的先后順序。

預(yù)成型泡沫芯和面板法是在分別制備好面板和泡沫芯子后，選擇合適的膠黏劑，按順序粘合面板和芯子制成夾芯結(jié)構(gòu)。該法工藝簡(jiǎn)單，但是生產(chǎn)效率較低。

預(yù)成型面板法，又稱泡沫澆注成型法，是指先制成面板，隨后利用面板及其他材料預(yù)制夾芯結(jié)構(gòu)的模具，在模具中發(fā)泡形成泡沫芯子，使之與面板緊密粘接制得泡沫夾芯結(jié)構(gòu)。

預(yù)成型泡沫芯法是先制備泡沫芯子并對(duì)其進(jìn)行修切作成模具，將預(yù)浸料鋪放在泡沫芯子上，之后進(jìn)行面板的固化成型，在面板固化過程中制得泡沫夾芯結(jié)構(gòu)。

澆鑄成型法，是指預(yù)先成型纖維增強(qiáng)的空腔結(jié)構(gòu)，再在空腔結(jié)構(gòu)中進(jìn)行泡沫芯子的發(fā)泡成型，泡沫發(fā)泡過程中充滿整個(gè)空腔結(jié)構(gòu)，發(fā)泡完成后即得到泡沫夾芯結(jié)構(gòu)。該法適用于制備復(fù)雜的泡沫夾層結(jié)構(gòu)制件。

3 泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

3.1 翼面結(jié)構(gòu)

機(jī)翼是無人機(jī)的主升力面，其主要作用是提供無人機(jī)飛行時(shí)所需的升力，同時(shí)承受了整個(gè)無人機(jī)的重量，保證無人機(jī)在戰(zhàn)術(shù)技術(shù)所要求的所有飛行狀態(tài)下的飛行性能。因此，在結(jié)構(gòu)輕量化的前提下，無人機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求，同時(shí)保證機(jī)翼與機(jī)身結(jié)構(gòu)的連接。

目前，無人機(jī)機(jī)翼常用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式主要有夾層板梁式、夾層壁板墻式、全高度泡沫夾芯式、蒙皮空腔式、夾層盒式等^［6］。其中，泡沫夾芯結(jié)構(gòu)可用于全高度泡沫夾芯式和夾層盒式機(jī)翼。

對(duì)于翼型較小的無人機(jī)，采用全高度泡沫夾芯結(jié)構(gòu)作為機(jī)翼結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。全高度泡沫夾芯機(jī)翼結(jié)構(gòu)由蒙皮、翼梁、翼肋及泡沫芯材組成^［7］。一種小型無人機(jī)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)截面示意如圖1所示。

翼梁與翼肋連接作為機(jī)翼骨架，與蒙皮膠接固化，內(nèi)部填充泡沫芯材。被泡沫芯材密集支撐的蒙皮承載氣動(dòng)力，翼梁傳遞氣動(dòng)力產(chǎn)生的彎矩和剪力，扭矩由蒙皮和翼肋組成的閉室來傳遞。

蒙皮為碳纖維單向帶與碳纖維織物混雜的復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)，厚度一般較薄，內(nèi)部填充泡沫芯材，上、下蒙皮與泡沫芯材形成盒狀結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。

翼梁為碳纖維復(fù)合材料層壓板，為機(jī)翼主承力部件?？稍谝砹禾幵O(shè)計(jì)機(jī)翼與機(jī)身的連接部件，將機(jī)翼載荷傳遞到機(jī)身上。單梁式翼梁一般位于翼剖面最大的高度處，雙梁式翼梁分別位于機(jī)翼弦長(zhǎng)15%～20%和55%～60%處^［8］，翼梁截面形式包括“C”形、“工”形、矩形、圓形等?？筛鶕?jù)具體承載要求和尺寸要求進(jìn)行合理選擇和布置。

由于泡沫芯材對(duì)蒙皮的密集支持，因此所需翼肋數(shù)量較少。僅在機(jī)翼兩端設(shè)計(jì)端肋，可選用“C”形截面的碳纖維層板結(jié)構(gòu)，其緣條與蒙皮膠接固化，形成封閉盒狀結(jié)構(gòu)。

尾翼結(jié)構(gòu)與機(jī)翼結(jié)構(gòu)類似，但尾翼翼型更小。因此，可選用泡沫作芯材的夾層盒結(jié)構(gòu)，由泡沫芯材與蒙皮組成，如圖2所示。蒙皮由內(nèi)部泡沫芯材支撐傳遞彎矩和剪力。在尾翼端部設(shè)計(jì)“C”形截面的翼肋，翼肋與蒙皮固化組成的閉室傳遞尾翼扭矩。同時(shí)，可在端肋處設(shè)計(jì)尾翼與機(jī)身的連接部件。

3.2 機(jī)身結(jié)構(gòu)

機(jī)身是無人機(jī)的軀干，裝載其內(nèi)部所有電子設(shè)備、飛控系統(tǒng)、動(dòng)力裝置及其他任務(wù)載荷，并將機(jī)翼、尾翼等部件連接成完整結(jié)構(gòu)，承受且傳遞各部件傳來的載荷。機(jī)身結(jié)構(gòu)是一種典型殼體結(jié)構(gòu)，由蒙皮、長(zhǎng)桁、框等典型構(gòu)件組成。其中長(zhǎng)桁為機(jī)身重要的縱向受力骨架，承受機(jī)身縱向彎曲產(chǎn)生的縱向力，長(zhǎng)桁為蒙皮的縱向支撐，長(zhǎng)桁與蒙皮組成的薄壁板桿結(jié)構(gòu)為機(jī)身最重要的組合件之一，承載機(jī)身剪力。隔框?yàn)榭v向構(gòu)件的主要支持，承受垂直于蒙皮的集中面外載荷，并起到維持機(jī)身外形、提高縱向構(gòu)件承載能力的作用。

在滿足結(jié)構(gòu)承載要求的前提下，小型無人機(jī)機(jī)身內(nèi)部需要有足夠的空間放置任務(wù)載荷和設(shè)備，其結(jié)構(gòu)不能像常規(guī)飛機(jī)一樣設(shè)計(jì)得較為復(fù)雜，同時(shí)為減重和降低成本，所以在設(shè)計(jì)機(jī)身承載結(jié)構(gòu)時(shí)考慮泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，減少零件、構(gòu)件間的裝配連接，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化制造。

泡沫加筋加強(qiáng)的復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)是一種典型的泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，兼具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、重量?jī)?yōu)化、制造成本及裝配一體化的優(yōu)勢(shì)。首先，泡沫加筋結(jié)構(gòu)具有一定承載能力，泡沫夾層處結(jié)構(gòu)傳遞荷載的方式類似于工字梁，上下面板類似梁緣條，主要承受由彎矩引起的面內(nèi)拉壓應(yīng)力和面內(nèi)剪應(yīng)力，而泡沫芯材相當(dāng)于梁腹板，主要承受由橫向力產(chǎn)生的剪應(yīng)力。其次，泡沫加筋壁板穩(wěn)定性更高，薄壁結(jié)構(gòu)在彎曲載荷和軸向壓力作用下易發(fā)生失穩(wěn)破壞，泡沫材料壓縮強(qiáng)度很高，作為加強(qiáng)筋粘接在殼結(jié)構(gòu)上時(shí)能夠承受加強(qiáng)筋側(cè)表面垂直方向的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，從而在材料發(fā)生屈服前，保持結(jié)構(gòu)的形狀和強(qiáng)度，能夠提高結(jié)構(gòu)的抗失穩(wěn)能力。第三，泡沫材料具有一定承載能力，且密度較低，作為芯材能夠減少結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料層板中預(yù)浸料鋪層的數(shù)量，在相同承載要求下能夠?qū)崿F(xiàn)減重的目的。最后，高性能泡沫芯材在固化過程中具有很好的耐壓縮蠕變性能，泡沫加筋壁板制造成型時(shí)，可將泡沫芯材用作芯模加筋條^［9］，預(yù)浸料可以壓實(shí)鋪設(shè)在泡沫芯模上，實(shí)現(xiàn)蒙皮、長(zhǎng)桁的一體成型，相較于一般加筋壁板成型時(shí)蒙皮固化、筋條固化、二次膠接的過程，縮減了工藝流程，降低了制造成本。

機(jī)身框分為普通框和加強(qiáng)框，普通框用于維持機(jī)身外形，加強(qiáng)框位于集中傳力處，例如機(jī)翼與機(jī)身連接處、發(fā)動(dòng)機(jī)連接處、機(jī)身各艙段連接處等。典型的加強(qiáng)框一般為“C”形或“工”形截面的層壓板結(jié)構(gòu)，此外，可在框腹板的鋪層之間增加泡沫芯子，以大幅度提高框腹板的剛度。

典型機(jī)身結(jié)構(gòu)截面示意如圖3所示，主要由泡沫加筋壁板、橫向框和底板組成。依據(jù)載荷情況，在機(jī)身周圈壁板上合理布置4根泡沫筋條，橫向框中，普通框?yàn)榫匦闻菽瓓A芯結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)框?yàn)椤癈”形泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

3.3 天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線罩^［10］是無人機(jī)上的“電磁窗口”，保護(hù)內(nèi)部天線和微波系統(tǒng)免受雷擊、靜電、雨蝕和高溫等惡劣環(huán)境影響，同時(shí)，需要較高的透波率，保證微波信號(hào)的接收與發(fā)射。

小型無人機(jī)天線罩尺寸較小，一般位于機(jī)頭，為內(nèi)部天線系統(tǒng)的安裝空間，常采用薄殼式結(jié)構(gòu)。薄殼式結(jié)構(gòu)可分為均勻單層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)。均勻單層結(jié)構(gòu)采用單一材料，應(yīng)用廣泛，但透波頻段窄、效率低，且重量較大，不符合輕量化要求。多層結(jié)構(gòu)多為奇數(shù)層夾層結(jié)構(gòu)，電磁波在多介質(zhì)之間的反射能夠相互抵消，從而降低反射波的影響，保證結(jié)構(gòu)良好的透波性能。多層結(jié)構(gòu)一般由若干層蒙皮和芯材組成，也稱為夾芯結(jié)構(gòu)，根據(jù)蒙皮和芯材的類別，一般分為A結(jié)構(gòu)、B結(jié)構(gòu)、C結(jié)構(gòu)等^［11］。A結(jié)構(gòu)是指由兩層比較致密的、薄的蒙皮和一層芯子組成，對(duì)芯子厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)可使內(nèi)外兩層蒙皮的反射基本抵消，因而具有較高的寬頻透波性能。B結(jié)構(gòu)與A結(jié)構(gòu)相反，可用于雙波段天線罩的設(shè)計(jì)。C結(jié)構(gòu)共為5層，由三層蒙皮和兩層芯子交錯(cuò)組成，相較于A結(jié)構(gòu)，夾芯結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加能夠利用芯層厚度進(jìn)一步抵消反射波，因而提高整體結(jié)構(gòu)的寬頻透波性。

一種寬頻帶透波天線罩結(jié)構(gòu)的截面示意如5所示。蒙皮受剪切載荷作用，通常采用玻璃纖維、石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料^［12］；芯材承受拉彎復(fù)合作用，選用介電常數(shù)低、介電損耗低、密度較低的材料。PMI泡沫兼具優(yōu)異的電性能、力學(xué)性能及工藝成型性能，其介電常數(shù)（1.05～1.13）較低，透波性能良好，比強(qiáng)度、比模量較高，滿足一定結(jié)構(gòu)承載能力，且工藝成型性能好，經(jīng)常用作高透波要求天線罩夾芯結(jié)構(gòu)的芯材。同時(shí)，PMI泡沫的電性能與泡沫的相對(duì)密度有關(guān)，其介電常數(shù)和介電損耗角正切值隨泡沫密度的增大而增加，因此可選擇不同密度的PMI泡沫設(shè)計(jì)不同介電性能的芯材。

4 結(jié)語

（1）在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的前提下，復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)在機(jī)械加工、成型工藝、成本控制方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，更適合小型無人機(jī)中復(fù)雜結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

（2）小型無人機(jī)中各部件受力形式、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)各不相同，應(yīng)綜合考慮各部位設(shè)計(jì)需求，合理選擇結(jié)構(gòu)構(gòu)型，力求布局合理、傳力直接、結(jié)構(gòu)高效。

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