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  高空長航時無人機平臺是我國急待發展的重大軍事裝備項目。與金屬材料相比，樹脂基復合材料具有結構重量輕、復雜或大型結構易于成型、設計空間大、比強度和比剛度高、熱膨脹系數小等諸多優點。將復合材料直接應用于無人機結構上對減輕空機身重量、增加有效載荷、提高安全性和隱身性具有重要的作用。

  縱觀國外無人機（包括中、高空無人偵察機、無人作戰飛機等），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結構，因此以復合材料為核心的無人機結構設計/ 制造技術是影響無人機發展的關鍵技術之一。

  無人機的發展有著較長的歷史，世界上第一架無人機是英國于1917年研制成功的。據不完全統計，目前世界上30 余個國家和地區已研制出了50 多種無人機，無人機型號超過300 余種，有55 個國家裝備了無人機，但發展最快、水平最高的主要是美國、以色列和俄羅斯。

  美軍擁有的近20 種型號約250架無人機。機型主要包括陸軍的“獵犬（Hunter）”、“指針（Pointer）”和“影子200（Shadow200）”無人機，海軍陸戰隊的“龍眼（Dragon Eye）”和“先鋒（Pioneer）”無人機，空軍的“全球鷹（Global Hawk）”和“捕食者（Predator）”無人偵察機以及X-45、X-47 新型無人攻擊機。另外，還包括其他幾種小型的無人機系統，用于支援特種作戰需求。

  我國研制無人機已有40 多年的歷史，先后研制成功長空一號無人靶機系列、長虹高空高速無人偵察機、T-6 通用型無人機、Z-5 系列無人偵察機、BZK-002 型無人偵察機、ASN系列無人機等。新近又開發了“翔龍”、“翼龍”無人偵察機、WZ-2000無人偵察機和“暗箭”等型號無人機。

  研究的機構主要是大學、研究所和一些企業，包括北京航空航天大學、南京航空航天大學、西北工業大學、成都飛機設計研究所、成都飛機工業集團、貴航集團和株洲無人機公司。近年來，隨著國家的重視, 國內掀起了研制無人機的高潮。

2復合材料在無人機上的應用

   1、復合材料在無人機上應用的優點與有人飛機相比，無人飛機（UAV）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的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飛機的新特點。無人機遂行任務的特殊性，也使其成為采用新型結構材料的極好的平臺。

  和傳統金屬材料相比，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％。據統計，目前世界上各種先進無人機的復合材料用量一般占機體結構總重的60％ ~80％，復合材料的總用量可達90％以上。在無人機上大量采用復合材料的益處是多方面的。

  首先，復合材料本身具有可設計性，在不改變結構重量的情況下，可根據飛機的強度剛度要求進行優化設計；在設計制造技術上滿足了大多數無人機在高度翼身融合結構所需的大面積整體成形這一特點。其次，聚合物基復合材料具有特殊的電磁性能，改性后有希望滿足無人機結構/ 功能一體的高隱身技術要求。復合材料的耐腐蝕性能，可滿足無人機惡劣環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。

  再次，復合材料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起到了至關重要的作用。

  2、復合材料在高空長航時無人機上應用

  “全球鷹”作為世界上最為著名的高空長航時無人偵察機，是由美國諾斯羅譜· 格魯門公司為美空軍研制的，由沃特（Vought）飛機工業公司生產。其采用大展弦比下單翼，細長機身，V 形尾翼，前三點起落架布局，機翼1/4 弦長處后掠5°54′，V 形尾翼（上反角50°）。復合材料機翼長達35m，復合材料占結構重量的65％。沃特（Vought）飛機工業公司生產改進型“全球鷹”RQ-4B 飛機機翼時，使用了商用復合材料和環氧材料。新機翼更增至39.9m，重約1814kg。“全球鷹”的活動半徑為5500km，航程26000km，續航時間達到42h，實用升限19.8km，整機起飛重量11640kg，燃油重量6727kg，超過總重量的一半，具有從美國本土起飛對全球任何地點進行戰略偵察和戰術偵察的能力，是目前世界上最先進的高空長航時無人偵察機，它代表了目前高空長航時無人機發展的水平和趨勢。

  中國“翔龍”無人機2006 年珠海航展上首次亮相。由成都飛機工業公司制造，初期采用金屬機翼，翼展25m，機身長度14.3m，巡航速度750km/h，最大任務載荷650kg，最大續航時間9.3h。

  可以看出：“全球鷹”無人機的航程是“翔龍”的3 倍，翼展較“翔龍”多10m，任務載荷多250kg。比較國內、外高空長航時無人機各項性能指標，研究發現：影響我國無人機性能的關鍵是設計制造并使用大展弦比復合材料柔性機翼。根據使用環境（通常高空）和性能要求（通常續航時間大于24h 和一定的任務載荷），高空長航時無人機需要攜帶盡量多的燃油（可以提高航程）和使用大展弦比柔性機翼（可以提高升力）。利用樹脂基復合材料密度小、比強度、比剛度大和可剪裁的優點，可以設計出大展弦比柔性機翼；利用復合材料整體化設計/ 制造技術，可以在機翼上設置整體油箱，提高無人機的續航時間和航程。由此可見，無人機大展弦比復合材料柔性機翼整體化設計/制造技術是提高我國高空長航時無人機各種性能，特別是高空、長航時性能的關鍵技術之一。

  3、復合材料在攻擊無人機上應用

  美國已經開始以X-45A、X-47A的概念驗證基礎上發展空／海軍通用的無人戰斗機。為了盡可能地降低結構重量，無人戰斗機結構的一個顯著特點就是大量應用復合材料，且遠遠超過有人戰斗機的應用水平。

  波音公司X-45A 翼展10.3m，弦長8m，空重3640kg，搭載有效載荷的能力為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。將美國先進復合材料集團開發的LTM45EL 長壽命機織碳／環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 工業公司提供。低溫固化預浸料的固化應用了該公司的兩個船形模具。該機身上部蒙皮約9m×3.7m，被鋪成一個整體件，而下部蒙皮則被加工成兩個4.5m×3.7m的部分。噴管部分的上、下蒙皮將分別采用Cytec 公司的BMI-5250.4 碳纖維／雙馬樹脂制造。它的固化溫度范圍處于177℃ ~204℃，使用溫度在59℃ ~204℃之間。依據美國國防部合同，波音獲準放棄X-45B 的開發，將該項目的有效載荷、航程及目標并入目前正在開發的J-UCAS 計劃中的X-45C，X-45C 弦長11m，翼展14.6m，飛行重量達l5900kg。

  高空長航時無人機平臺是我國急待發展的重大軍事裝備項目。與金屬材料相比，樹脂基復合材料具有結構重量輕、復雜或大型結構易于成型、設計空間大、比強度和比剛度高、熱膨脹系數小等諸多優點。將復合材料直接應用于無人機結構上對減輕空機身重量、增加有效載荷、提高安全性和隱身性具有重要的作用。

  縱觀國外無人機（包括中、高空無人偵察機、無人作戰飛機等），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結構，因此以復合材料為核心的無人機結構設計/ 制造技術是影響無人機發展的關鍵技術之一。

3無人機用復合材料設計/ 制造關鍵技術

  1、無人機用復合材料設計標準制定無人機不需要考慮人的生理承受能力，為充分發揮復合材料的性能優勢，可以設計比有人機更低的安全系數，為了達到更高的靈活機動性能，無人機可以設計較大的過載荷系數，達到15~20g ；同樣因為不需要考慮人員因素，無人機可以有更大的設計空間，采用更為先進的氣動構型，因此要研究制訂一些新的設計規范和計算準則, 以指導無人機復合材料結構的設計、計算、試驗和驗收鑒定等。

  2、復合材料機翼氣動、結構設計難點

以高空長航時無人機為背景，國內已經開展了大展弦比柔性復合材料機翼的相關研究，但這些研究對柔性復合材料機翼還缺乏足夠的認識，沒能有效揭開結構、強度、氣動、控制之間強烈的耦合關系，更談不上有效利用大展弦比復合材料機翼的柔性來提高飛機的性能。

  高空、超高空長航時無人偵察機工作在20~30km 的高度上，空氣稀薄，空氣密度小于海平面空氣密度的8.4%，因此研究這種低雷諾數氣動特性和升力之間的關系，是提高機翼升力的途徑之一。

  大展弦比復合材料柔性機翼，在飛行載荷作用下，當有一個外部激勵時，必將產生一個非線性的結構變形，同時結構的非線性變形又對氣動產生影響，形成結構和氣動力的耦合作用，這種耦合影響容易導致高空長航時無人機氣動發散，無法收斂導致機翼失效。因此，采用大展弦比機翼的高空無人機必須解決這種柔性機翼的飛行控制問題。

  大展弦比復合材料柔性機翼為輕結構，要滿足結構具有最小重量和具最大的效率要求，往往要依靠綜合結構優化設計技術。由于大展弦比復合材料柔性機翼設計的復雜性，這種綜合優化設計需要在多個層次上進行優化設計，例如拓撲形狀優化、尺寸優化，而且，這種優化是考慮復雜的氣動彈性問題的有多種目標、多種約束性質、多種多級設計變量的綜合優化設計技術。

  3、大型復合材料復雜結構整體化制造變形

  復合材料制造的一個突出的問題是不能類似于金屬構件那樣得到精確的幾何或構型尺寸，特別是對于大型整體化復雜復合材料結構，往往可能因為一個較小的局部結構制造變形，最終會造成大型整體化復雜結構產生很大的變形，不能用于部件的裝配。典型的大型復合材料復雜結構有高空長航時無人機大展弦比柔性復合材料機翼、無人攻擊機翼身融合體大型復合材料整體構件等。在研究這些結構制造過程中，關注溫度分布不均、壓力分布不均勻、結構非對稱等因素對變形的影響并確定影響變形的關鍵因素、提出變形控制方法和提供對變形進行補償的各種措施，以便合理而有效地解決大型復雜結構制造變形問題。

  4、隱身復合材料結構設計/ 制造技術

  隱身是現代戰機要求的一項高尖端技術，無人機由于經常出現在敵方的防空和雷達監測的空域中，對隱身提出了更高的要求。現代隱身技術主要有材料隱身、涂層隱身、等離子體隱身、結構細節設計隱身等手段。無人機結構多為復合材料夾層結構，在結構細節設計隱身的基礎上，作者認為可以優先開展復合材料泡沫或蜂窩夾層結構隱身設計和制造技術研究，在細節設計和結構設計、制造層次上解決無人機復合材料隱身技術。

  5、RTM 和RFI成型復合材料結構件力學性能評估技術

  低成本、高效費比是無人機的顯著特點。采用整體化成形技術對于減少復合材料部件結構數量、降低使用和維護費用、節約成本、提高效率具有重要的作用。近年來，工程上，已經能夠用RTM 和RFI 成型工藝方法制造復合材料構件，但是國內尚沒有將這種成型工藝方法制造復合材料構件批量應用到具體型號上。究其原因，作者認為是對RTM 和RFI成型復合材料結構件（如編織復合材料構件）設計、力學性能、構型和力學性能之間的關系尚未認識清楚。國內盡管部分對RTM 和RFI 成型復合材料構件力學性能進行了研究，但這種研究是不系統和不完整的。因此進一步深入研究評估RTM 和RFI成型復合材料結構件力學性能是實現低成本、高效費比無人機結構平臺的設計/ 制造的有力保證。

  另外，還有低成本制造技術（低成本材料、自動化制造、結構連接技術等）、快速復合材料無損檢測技術、智能材料設計/ 制造技術等。

  先進樹脂基復合材料在國外無人機上得到了廣泛的應用，為復合材料的發展迎來了嶄新的發展機遇。國內先進樹脂基復合材料在無人機上的應用才剛剛開始，積極地開展復合材料在無人機上各種關鍵技術的研究和應用，必將推動無人機各項性能指標邁上一個新臺階。