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碳纤维复合材料在无人机上的应用
2018年07月23日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:3565
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随着碳纤维复合材料在大型民用客机上的广泛应用,其在无人机上也被认为是解决减轻质量难题的最佳选择。与传统的金属材料及复合材料相比,碳纤维复合材料具有轻质高强、抗疲劳和防盐雾侵蚀的特性,应用于无人机结构中可以大大改善和提高无人机的综合性能。据统计,目前,世界各国都在无人机上大幅度使用以碳纤维复合材料为主的先进复合材料,占到了结构总质量分数的60%80%,使机体减质量25%以上。碳纤维复合材料的应用对无人机结构的轻质化、小型化和高性能化起到了至关重要的作用。

 

一、碳纤维复合材料应用在无人机上的优势

1、比强度和比刚度大

相比于其它复合材料,在满足无人机机体相同强度和刚度的前提下,碳纤维复合材料高比强度和高比刚度的特性能够大大减轻无人机的机身质量,降低无人机的载荷成本,对无人机结构的轻质化、小型化和高性能化意义重大,以确保无人机拥有更长的飞行距离和飞行时间。

 

2、可整体一体化成型

无人机往往需要具有高度翼身融合的飞翼式总体气动外形,需要在结构上采用大面积整体一体化成型技术。而碳纤维复合材料在模拟和仿真计算后,不仅可以通过模压成型、热压罐外固化成型或RTM树脂传递模塑成型等工艺进行大面积一体化整体成型,而且还可以引入自动化流水线生产工艺,提高效率,大大降低生产制造成本,非常适合大规模制造无人机的机身结构。

 

图一 RTM树脂传递模塑成型工艺示意图

 

3、耐腐蚀和耐热性好

碳纤维复合材料还具有优异的耐腐蚀和耐热性能,能够耐受自然界中的水和多种介质的腐蚀以及热膨胀的影响,可满足无人机各种环境条件下长储存寿命的特殊要求,降低使用维护的寿命周期成本。

 

4、可植入芯片或合金导体

碳纤维复合材料还可以植入芯片或合金导体,形成具有智能的结构整体,可在恶劣环境下长期使用,且不会破坏植入的设备性能,能够可靠的执行特殊任务。

 

二、碳纤维复合材料在无人机上的应用现状

由于碳纤维复合材料在无人机上应用的诸多优势,近年来,国内外大量的先进无人机都使用了碳纤维复合材料。例如美国的全球鹰无人侦察机、X-45系列无人战斗机、太阳神(Helios无人机、以及极速5分快三的雷鸟碳纤维无人机等多种无人机。

 

1、美国“全球鹰”碳纤维复合材料无人侦察机

“全球鹰”无人侦察机是由美国诺斯罗普•格鲁曼公司研制的全世界最先进的无人机。其最大飞行速度740 km/h,最大飞行高度近2×104 m,续航时间长达42 h以上,可从美国本土起飞到达全球任何地点进行侦察,完成跨洲际飞行。其最大起飞质量达1.161×104 kg,可携带超过7000 kg的机载燃料,它代表了目前高空长航时无人机的最高技术水平和发展趋势。

 

图二 “全球鹰”无人侦察机

 

2、美国X-45系列碳纤维复合材料无人战斗机

无人战斗机一直是世界各国的研究关注热点。目前世界上的主要航空大国都已经认识到无人战斗机是未来航空武器装备的一个重要发展趋势。为了尽可能的降低结构质量,无人战斗机结构的一个显著特点是大量应用复合材料,特别是碳纤维复合材料,且远远超过有人战斗机的应用水平。

 

3、美国“太阳神”碳纤维复合材料无人机

美国宇航局和航空环境公司曾研制过“太阳神(Helios)”太阳能无人机,其主要承力结构就采用了碳纤维复合材料,大大降低了机身质量,可环绕地球长时间连续飞行。这架飞机的展长75.3 m,远超波音747的展长,弦长2.44m,主结构由碳纤维/环氧树脂复合材料制成,全机均匀分为6 段,每段连接处都有一个复合材料舱,用来装载有效载荷。太阳能硅片布满整个上翼面,驱动14 台电动发动机,各带动一个双叶螺旋桨。

 

图三“太阳神(Helios)”太阳能无人机

 

4、美国哈佛“昆虫”碳纤维复合材料无人机

据报道,2014年美国哈佛大学的科学家们在昆虫的启发下,研制出如苍蝇般大小的机器人将成为世界上最小的无人机,其小巧程度也成为了无人机研发领域中的最新突破。该无人机的主体由碳纤维制成,质量仅106mg。所以,这也是世界上最为小巧和轻便的无人机。这款无人机有一对通过导电的“肌肉”来供应能量的“翅膀”。整个无人机的能量供应和控制都要经过一根轻量级的系绳线,因此能够像自然界随处可见的昆虫那样进行各种敏捷的回旋“飞舞”。由于其“头部”安装有金字塔状的光传感器,所以它可以平稳地飞行。此外,在其光敏“眼睛”的导航下,无人机也不会迷失方向。

 

5、极速5分快三“雷鸟”碳纤维复合材料无人机

我国无人机的研制工作也在积极进行之中,采用材料也开始从玻璃纤维复合材料,逐渐转向碳纤维复合材料。2013年,极速5分快三首架应用碳纤维复合材料和燃料电池动力的“雷鸟”无人机首次亮相,其机身和机翼为全碳纤维复合材料。

 

图四 极速5分快三“雷鸟”碳纤维复合材料无人机

 

三、无人机用碳纤维复合材料研发趋势

综上所述,近年来各国无人机在碳纤维复合材料方面的应用都取得了长足的发展,主要表现在以下几个方面:1、研究完善适用于无人机机身碳纤维复合材料的设计及工艺体系;2、降低无人机使用碳纤维复合材料的成本;3、开展无人机碳纤维复合材料结构设计研究;4、研发新的碳纤维复合材料制造成型工艺技术;5、发展隐身技术;6、低成本碳纤维复合材料无人机修补技术。

 

参考文献:

1、无人机结构复合材料应用进展,程文礼,邱启艳,赵彬

2、先进复合材料在无人机和太阳能飞机上的应用,黄春芳,曾竟成,江大志,鞠苏,石刚

3、碳纤维复合材料在无人机上的应用,赵凯,陈虹,张婧,于今,张定金

4、复合材料在无人机上的应用与展望,袁立群,单杭英,杨忠清,樊芃

 

 

作者:谷雨


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