無人機復合材料結構及制造技術發(fā)展

無人機復合材料結構及制造技術發(fā)展

無人飛機（iuv）是世界上軍事裝備發(fā)展的熱點。根據(jù)2005年美國空軍發(fā)布的“無人機路線圖”(UnmannedAerialVehiclesRoadmap)(見右圖),在21世紀前25年發(fā)展計劃中的49個目標中,開發(fā)無人戰(zhàn)斗機(UCAV)被列為首位。目前無人機已由執(zhí)行偵察任務逐漸發(fā)展到進行空中力量壓制、武裝監(jiān)視/偵察、電子戰(zhàn)及縱深攔截能力的無人作戰(zhàn)系統(tǒng)(如美國空軍的J-UCAS項目)。重量輕、小型化、長航時、高隱蔽和高安全性等特性是無人機區(qū)別于有人機的顯著特點和技術發(fā)展方向。在材料選擇方面復合材料無疑是最佳選擇?？v觀世界上各種無人機,包括軍、民用無人偵察機、無人作戰(zhàn)飛機以及微型無人機等,均無一例外地大量使用了復合材料結構,有些甚至是全復合材料機體。因此以復合材料為核心的無人機機體結構及制造技術應是無人機發(fā)展的關鍵技術之一。非機合材料在無人機結構中的應用1無人機復合材料的使用前景與有人機相比,無人機在機體結構設計中既不需要考慮機動飛行過程中人的生理承受能力限制,也不需要因為特別強調人的生存性而對隱身及抗彈傷能力結構和材料作特殊考慮。不過由于無人機機載設備技術先進,要求高,因此也要求無人機有相當好的機體結構性能,這使無人飛機在結構選材上具有一些有別于有人機的新特點。與傳統(tǒng)金屬材料相比,復合材料具有比強度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、抗疲勞能力和抗振能力強的特點,將它應用于無人機結構中可以減重25%~30%。據(jù)統(tǒng)計,目前世界上各種先進的無人機復合材料的用量一般占機體結構總重的60%~80%,即復合材料的用量可達90%以上。在無人機上大量采用復合材料的優(yōu)點是多方面的。(1)復合材料本身具有優(yōu)異的可設計性,在不改變結構重量的情況下,可根據(jù)飛機的強度和剛度要求進行優(yōu)化設計;在設計制造技術上滿足了大多數(shù)無人機高度翼身融合結構所需的大面積整體成型這一特點。(2)聚合物基復合材料具有特殊的電磁性能,研究改性后有望滿足無人機結構/功能一體的高隱身技術要求。復合材料的耐腐蝕性可滿足無人機惡劣環(huán)境下長儲存壽命的特殊要求,降低使用維護的壽命周期成本。(3)復合材料中易植入芯片或合金導體,形成智能材料、結構。目前,復合材料在無人機領域已成為主要結構材料,如碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料、蜂窩夾層復合材料等。通常,無人機除機身的龍骨、梁和隔框、起落架等結構件采用鋁合金外,機翼、尾翼及各種天線罩、護板、蒙皮等結構件均大量使用復合材料。另外,在中小型無人機上,木質材料、輕型塑料、塑料薄膜等非金屬材料也得到大量使用。復合材料的應用對無人飛機結構輕質化、小型化和高性能化已經(jīng)起到了至關重要的作用。2全復合材料飛機如前所述,國外的無人機,包括UCAV均無一例外地大量采用了復合材料,且多數(shù)以碳纖維復合材料為主,并混雜以玻璃纖維和芳綸等復合材料?；祀s復合材料在無人機上的應用是其特色之一,有利于降低成本。下面按無人機的用途,對復合材料應用的概況作較詳細的說明。(1)偵察/監(jiān)視型無人機。將復合材料用于偵察/監(jiān)視型無人機具有比強度和比剛度高、耐疲勞性能好、減震性能好、顯現(xiàn)出具有多種功能及良好的加工工藝性。國外目前常規(guī)在制、在研的無人機均以復合材料和傳統(tǒng)鋁合金的混合結構為主,如美國的“暗星”無人機機體采用復合材料外加吸波涂層,滿足其高隱身性能的要求;以色列的“先鋒”和“搜索者”、美國的“鷹眼”、英國的“不死鳥”和南非的“禿鷲”等許多著名的無人機均為全復合材料飛機,其中尤以美國的“全球鷹”高空長航時無人偵察機最為著名。美國諾斯羅譜·格魯門公司為美空軍研制的“全球鷹”高空長航時無人偵察機,采用高度翼身融合布局,起飛重量11640kg,燃油重量6727kg,超過總重量的一半。除機身主結構為鋁合金外,其余均用復合材料制成,包括機翼、尾翼、后機身、雷達罩、發(fā)動機整流罩等,其中機翼和尾翼用石墨/環(huán)氧復合材料制造,復合材料機翼長達35m,復合材料占結構總重量的65%。沃特(Vought)飛機工業(yè)公司在生產(chǎn)改進型“全球鷹”RQ-4B飛機機翼時,使用了商用復合材料和環(huán)氧材料。新機翼的長度增至39.9m,重約1814kg。(2)無人戰(zhàn)斗機。自上世紀末起,無人戰(zhàn)斗機一直是世界各國的研究關注熱點。目前世界上的主要航空大國都已經(jīng)認識到無人戰(zhàn)斗機是未來航空武器裝備的一個發(fā)展重點。美國已經(jīng)開始在X-45A、X-47A的概念驗證基礎上發(fā)展空/海軍通用的無人戰(zhàn)斗機,并將其列為未來25年計劃發(fā)展的49個項目中最優(yōu)先發(fā)展的項目。為了盡可能降低結構重量,無人戰(zhàn)斗機結構的一個顯著特點就是大量應用復合材料,其用量遠遠超過有人戰(zhàn)斗機的應用水平。依據(jù)美國國防部5.4億美元的合同,波音獲準放棄X-45B的開發(fā),將該項目的有效載荷、航程及目標并入目前正在開發(fā)的J-UCAS計劃中的X-45C,X-45C弦長11m,翼展為14.6m,飛行重量達15900kg。b.X-47系列UCAV。(3)民用太陽能無人機。美國NASA于1994年啟動ERAST計劃,研制赫里阿斯(Helios)太陽能無人機,Aero-Vironment公司花費4000萬美元制造了原型機,空重600kg,有效載荷282kg,全機幾乎都用復合材料制造,其展長為75m,遠遠超過B747的展長,弦長為2.44m,主結構由碳/環(huán)氧復合材料制成,全翼均勻分成6段,每個對接點處有一個復合材料艙,裝載有效載荷。太陽能片布滿整個上翼面,驅動14臺電動發(fā)動機,各帶動一個雙葉螺旋槳。2001年8月曾創(chuàng)下了飛行高度29516m的世界紀錄,飛行了17h。可以想像若沒有先進復合材料的應用就沒有這一紀錄。熱壓罐成型技術從中長期來看,無人駕駛的軍用飛機所用的材料及工藝將顯著變化。有的無人機只需在緊急時期投入使用,損傷容限和壽命的要求均可以不考慮。在這種情況下,整個結構尺寸小,有可能采用整體鑄件、焊接結構或者熱塑性復合材料的注射成型件。屆時將有可能采用汽車工業(yè)的制造方式,目的是降低成本,甚至重新采用鈑金—焊接承力結構。降低成本是無人戰(zhàn)斗機結構和選材的主要依據(jù),將采用先進的商用復合材料技術,并發(fā)展低成本復合材料技術。比如,波音公司就應用了制造沖浪板的泡沫基復合材料技術制造整體機翼,大大降低了零部件數(shù)量、加工周期和制造成本。近年來,美國ATK及Aurora等公司不斷收到為“全球鷹”加工復合材料零件的合同,包括長度達20.1m的上、下翼蒙皮以及梁、肋、前緣、舵面、后緣及13.2m長的復合材料機身。到2010年,僅ATK一家獲得合同的年產(chǎn)值將達9200萬美元。綜合分析,無人機結構用復合材料的成型方法主要有熱壓罐成型、真空袋成型、模壓成型和低溫成型。(1)熱壓罐成型工藝。熱壓罐成型工藝的優(yōu)點是成型的零件質量好,缺點是成型費用昂貴,經(jīng)濟性差。目前的無人機復合材料成型多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的熱壓罐固化方法,如美國Aurora公司最近完成了大熱壓罐的采購及安裝工作,用以支持諸如“全球鷹”等無人機的生產(chǎn)計劃。該熱壓罐可用于175℃的高溫及壓力為0.72MPa的固化。熱壓罐工作區(qū)的直徑為2.4m,長7.8m,用一臺計算機控制。為滿足“全球鷹”無人機機翼彎曲剛度的要求,翼梁和翼盒由Cytec公司提供的高模碳纖維環(huán)氧預浸料制造,蒙皮為層壓板結構,翼內為整體油箱,50%前后緣均為蜂窩夾層結構,采用Hexcel公司提供的Nomex芯材。主結構用121℃熱壓罐固化成型,梁和蒙皮分別固化后二次膠接,無緊固件,簡化了密封和裝配工藝。整個機翼分3段制造,彼此之間用機械方式連接。(2)真空袋成型工藝。真空袋成型工藝設備簡單,投資少,易于操作,但成型壓力小,能達到的質量標準不大高,尤其不適應結構件大型化整體成型的趨勢。將低溫低壓固化成型應用于無人機已有大量實例。Aurora飛行科學公司選擇LTM25樹脂來制造提休斯(Theseus)高空驗證機,該材料有高韌性,機翼及機身在50℃用真空袋成型。(3)模壓成型工藝。模壓成型工藝同時兼顧了以上2種成型工藝的優(yōu)點,使成型變得比較容易。以國內某中型無人機為例,其機翼與尾翼為玻璃鋼蒙皮泡沫夾芯結構,先采用半側蒙皮與骨架整體模壓成型,然后以弦平面為對稱面進行膠接。此制作工藝可以保證翼形的精度和外觀的表面質量,關鍵工序是模壓時加壓機的選擇。工藝過程為:模壓左右半側翼面壁板→在左右半側翼面壁板貼膠膜裝配膠接→放入組合模升溫加壓組合→脫?！鷻z驗。(4)低溫成型技術。由于熱壓罐成型工藝耗資、耗能驚人,國外近幾年正在不遺余力地開發(fā)非熱壓罐成型技術,低溫成型技術就是其中重要的一種。低溫成型技術(LTM)是在美空軍材料制造部指導下開發(fā)的,即在60℃~80℃進行固化的成型技術,它適用于低溫聚合樹脂,無需在熱壓罐中固化,可用泡沫材料、石膏、木材等廉價材料作工裝,不受工件尺寸限制,可在室溫及大氣壓力下進行固化。采用這種技術成型的產(chǎn)品與在120℃~180℃固化的產(chǎn)品性能相當,并已在一些航空器上應用,如X-36驗證機機翼、洛克希德和波音的無人機,該工藝可降低制造成本40%,其技術的關鍵是樹脂和低溫成型預浸帶的研制。目前應用最廣的是先進復合材料集團(ACG)公司開發(fā)的LTM系列樹脂和低溫成型預浸帶。LTM樹脂開發(fā)于上世紀80年代,歷經(jīng)改進,已形成系列產(chǎn)品,在無人機制造中獲得最佳力學性能的同時又保持了較低的工裝及制造成本。如用于F-15E/F機翼前緣的LTM110、用于洛克希德/波音的“暗星”Tier3無人機的LTM45UD、用于赫爾墨斯450原型機機身的LTM26EL等。LTM系列樹脂和低溫成型預浸帶在上述項目及其他計劃中的成功應用,積累了全面的飛機設計數(shù)據(jù),將有利于航空工業(yè)低溫成型系統(tǒng)獲得低成本效益。低成本制造在美國先進無人戰(zhàn)斗機制造中得到了更多的應用。在X-45機翼生產(chǎn)中,按肋條、桁條、電氣線路及其他機翼部件切削加工出模具,然后模塑出整體泡沫芯子。固化后,泡沫芯子纏繞纖維,放入由玻璃纖維E-布制成模具進行樹脂注射,最后固化,機翼從工裝取下進行裝配。據(jù)報道,原來用于制造沖浪板的泡沫芯材正在尋求用作X-45A無人戰(zhàn)斗機的機翼結構。該機翼被設計成可拆卸式,平時可以拆下來保存,使用時僅需0.5~lh即可重新安裝在機體上。用泡沫芯子制成的泡沫芯子系統(tǒng)是一種生產(chǎn)近無余量的模塑結構工藝,該創(chuàng)新技術由FoamMatrix公司開發(fā),不需用多件裝配而成,它適合用作機翼、操縱面之類結構。與傳統(tǒng)的螺接或膠接相比,泡沫芯子結構可提供結構完整性以及主載荷傳遞作用。其特點是部件少、無縫結構、精密裝配、周期短、重復性和維護性好。復雜的芯子可以一次模塑而成,不像傳統(tǒng)的蜂窩或切削加工的泡沫芯子那樣裝配起來很復雜。肋條或附件可在芯子模塑時定位,芯子起支撐作用。同時,它是無縫結構,不用膠接。泡沫模塑可在一天之內完成。泡沫芯子的應用有助于改善結構裝配中的損傷容限和分層,密封性好。由于蒙皮受芯子支撐,因此易于進行現(xiàn)場維修。中國現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1無人機結構材料與制造技術展望我國無人機發(fā)展已有40多年的歷史。從20世紀50年代后期,北航、南航和西工大先后對無人機技術開展了探索性研究。90年代以來,隨著對無人機需求的增長,我國無人機得到了迅猛的發(fā)展,現(xiàn)已具有相當?shù)纳a(chǎn)規(guī)模和技術儲備,基本形成了一個完整的科研、生產(chǎn)配套體系,已初步形成了產(chǎn)業(yè)規(guī)模和產(chǎn)品型號系列化。國內各型無人機普遍采用了復合材料,有的還是全復合材料結構,但根據(jù)文獻報道,多為玻璃鋼蒙皮的夾層結構,近期則有轉向以先進復合材料為主的趨勢,如某單位研制的某型中高空遠程無人偵察機。但由于高質量的碳纖維和預浸料等關鍵材料大部分依賴進口,加上復合材料結構制造工藝、裝備水平不高,限制了輕量結構材料的應用與制造技術的提高。無人機對結構材料與制造技術有特殊的需求,從無人機的任務特點和戰(zhàn)術指標要求出發(fā),技術研究前景展望如下:(1)低成本復合材料技術的發(fā)展研究。無人作戰(zhàn)飛機以及其他無人機最重要的特點之一是成本要低,一般其采購成本可能只是先進有人機的1/2~1/4,低成本的概念和要求將貫穿無人機研制的始終,包括低成本的設計技術、材料和制造技術。(2)發(fā)展新制造技術的重點應是共固化、共膠接為核心的整體成型技術,包括模具技術,減少零件和緊固件數(shù),減少后加工量和裝配工作量;發(fā)展、完善各種低成本制造技術,如RTM、RFI;發(fā)展機械化、自動化制造技術,如自動纖維鋪放技術等。(3)發(fā)展研究無人機適用的材料體系,包括增強纖維、預浸料和系列樹脂。目前各種無人機飛行速度相對不高,耐溫要求相對較低,因此,發(fā)展各型中、低溫固化和適用于RTM成型用的系列樹脂體系十分必要。目前普遍使用的都是小絲束碳纖維,應逐漸嘗試使用較低成本的大絲束碳纖維(40K~60K以上)。目前有相關報道,大絲束碳纖維在性能(抗拉強度能達到或超過3600MPa)及其預浸料的制造技術上都有了很大的進步。(4)工程化問題。經(jīng)過“九五”、“十五”的努力,我國已在無人機結構材料應用領域取得了跨越式的發(fā)展,但對于復合材料及工藝工程化的定位、認識尚未理順。我們必須正視的是工程化不僅是個實踐問題,更是個系統(tǒng)的理論問題。近年來國外對這一轉化過程有許多新的理念、思想、模式,而在我國現(xiàn)階段僅處于內部調研階段,根本談不到合理地配置資源、技術的開放性和經(jīng)濟性的商務運作,直接影響了先進材料和工藝的工程化轉化,因此需要重視與調整。x-45a—結束語隨著未來無人機性能要求的不斷提高,如飛行更高、更遠、更長,隱身性能更好,有效載荷更先進,制造更加簡便快捷,成本更低等;同時,無人機應用,先進材料的比例會逐漸加大,因此,加快發(fā)展高性能、低成本無人機機體復合材料及其制造工藝將是航空領域的需求和面臨的重大挑戰(zhàn)。隨著未來無人機性能要求的不斷提高,先進材料在無人機上的應用比例將逐漸增大,因此,加快發(fā)展高性能、低成本無人機機體復合材料及其制造工藝將是航空領域的需求和面臨的重大挑戰(zhàn)a.X-45系列UCAV。波音公司的X-45A翼展10.3m,弦長8m,空重3640kg,搭載有效載荷能力為680kg,復合材料占X-45A結構重量的45%。其機身由高速切削的鋁合金龍骨、梁及隔框覆以復合材料蒙皮構成。美國先進復合材料集團開發(fā)的LTM45EL長壽命機織碳/環(huán)氧低溫固化預浸帶采用鋪層方式制造蒙皮、進氣道及艙門,工裝由Janicki工業(yè)公司提供。低溫固化預浸料的固化應用了該公司的2個船形模具。該機身上部蒙皮約9m×3.7m,被鋪成一個整體件,而下部蒙皮則由2塊4.5m×3.7m的蒙皮構成。噴管部分的上、下蒙皮采用Cytec公司的BMI-5250-4碳纖維/雙馬樹脂制造,其固化溫度范圍為177℃~204℃,使用溫度為-59℃~204℃。諾斯羅譜·格魯門飛機公司為美海軍研制的無人攻擊機X-4