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,要滿足結構具有小重量和具大的效率要求,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,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?,F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。