随着碳纤维复合材料在大型民用客机上的户泛应用,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,应用于无入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%以上午。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。
由于无人机在结构设计中不需要考虑人的生理承受能力限制,能更专注的针对无人机的机动性能进行设计,使其在材料选用上具有一些有别于载人飞机的新特点国。再加上无人机往往被用来执行空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等特殊任务,也使得碳纤维复合材料在多个方面都体现出了其应用优势。
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。表1为无人机使用的各种类型材料的比强度和比刚度对比。
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。
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问。
研究人员凭借碳纤维复合材料的特性,按照机身机体结构外形一体化设计理念,研制出适用于无人机的碳纤维复合材料设计及工艺体系。同时,兼顾降低成本、快速修补技术等方面的研究,对于一些特殊用途,开展具有隐身性能碳纤维复合材料的结构设计和工艺研究。复合材料业界同仁应当密切关注先进无人机的发展趋势,以应用为导向,积极开展碳纤维复合材料在无人机上的应用研究,推动这一前沿领域的技术发展。