【研究文章】先进复合材料在无人机结构的应用

01

引言

无人驾驶飞机简称 “无人机” ( unmanned aerial vehicle，UAV) ，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵不载人的飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主操作。无人机作为一种新式航空器，与有人飞机相比，无论是使用要求还是任务使命都有所不同。无人机通常具有低成本、轻结构、高隐身、长航时和高存储寿命等要求，对于无人作战飞机来说还有高机动和大过载的要求。

由于复合材料具有比强度高、比模量大、可设计性强、抗疲劳能力强、可提升机体隐身性能、使用寿命长、减震性能好等特点，因此，无人机大多数结构采用复合材料，如机身、机翼、平尾、垂尾、尾撑、舵面和起落架等。 复合材料应用于无人机结构可以减重20%-30%。目前，行业认为复合材料的用量已经成为衡量一款无人机先进程度的重要指标之一，一般需要达到60%-80%左右，但是美国已有无人机达到全复合材料结构 (复合材料用量达到90%以上) 。

02

国内外无人机发展历程

2.1

国内无人机发展情况

自 1958 年，西安爱生技术集团有限公司 (西北工业大学第三六五研究所) 成功研制试飞我国第一架无人机以来，中国无人机已有 60 多年的发展经历。先后成功研制长空一号 ( CK-1) 无人靶机系列、长虹高空高速无人侦察机、ASN 系列无人机、BZK-002 型、“蓝箭”、“天眼”等无人侦察机，尤其是在 1994 年，由西北工业大学研制的ASN206 多用途无人机，采用后推式双尾撑结构形式，是我军较为先进的一种无人机。近年来，研制出 “翔龙”、“翼龙”、“彩虹”、“利剑”、“WJ600” 等系列察打一体固定翼无人机，“WJ600”无人机被人们称做中国版的 “全球鹰”，是迄今为止我国国产最先进的无人机，除机身中段采用部分金属材质外，机身基本全部采用复合材料，具有很高的隐身功能。其中，“彩虹”系列无人机目前谱系最为齐全，包括彩虹-3中空多用途无人机系统、彩虹- 4 中空长航时无人机、彩虹- 5 中高空长航时无人机、彩虹-7隐身无人机、彩虹-804D垂直起降固定翼无人机、彩虹-10 无人倾转旋翼机、彩虹-801 /802 /803 /804无人机系统、彩虹-811 /815系留无人机系统、彩虹-812 /813 /814旋翼无人机系统、彩虹-806长航时无人机系统、彩虹-821无人直升机系统和彩虹-101 无人自转旋翼机等。WZ-6、T333、 “战狼”、AV500W、 “金雕”CR500、“没羽箭”等察打一体无人直升机研制的成功，标志中国自主研发设计军用无人机水平已经迈入了国际先进水平。

目前，中国无人机的研究机构主要是大学、研究所和一些企业，包括西北工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学; 成都飞机设计研究所、成都飞机工业集团、贵航集团、沈阳飞机设计研究所、哈飞集团、航天科工三院无人机技术研究所、航天科技八院、航天科技九院、航天科技十一院彩虹公司、总参 60 所、602 所; 中国航空工业集团公司、江西洪都航空工业股份有限公司、西安爱生技术集团有限公司、株洲无人机公司、北方导航科技集团有限公司、北航天宇长鹰公司、中航智公司、四川腾盾公司、赛为智能、大疆等。其中西安爱生技术集团有限公司隶属于西北工业大学，是我国著名的研究、开发和生产系列中小型无人机系统及其动力装置的高科技企业，一九九五年被国务院发展研究中心确认为中国最大的无人机科研生产基地，并入选 “中华之最”。近年来，随着国家的重视，国内掀起了研制无人机的高潮，但客观来讲，中国和美国、以色列在无人机的谱系和应用上还存在一定的差距。

除了军用，无人机在交通领域、航拍领域、通信传输领域、高空作业方面、救援救灾方面，具备越来越大的应用潜力。

2.2

美国无人机发展情况

美国无人机发展水平一直遥遥领先，其无人机技术先进，种类多，具有侦察类无人机，也具备实现察打一体的攻击型无人机和运输无人机，很多结构实现模块化设计。美国无人机研制时间最早追溯至 1939 年，先后涌现出多种型号，包括诺斯罗普 ＆ 格鲁门公司的 MQ-1C灰鹰、MQ-4C海神、MQ-8C火力侦察兵无人机、MQ-9死神、MQ-9B 守卫者无人机、X47B。MQ-9B守卫者无人机，最大 飞 行 高 度 可 达 12.192 km，最 大 平 飞 速 度389km /h，续航时间 40h，巡逻半径超过 7000 km，非常适合对大面积海域或空域进行巡逻。X-47B的最大特点是能直接从航空母舰上起飞，其航程是F-35 战机的近 2 倍。X-47B 外形与 B-2型隐身轰炸机极其相似，采用无尾翼设计，隐身性能极高 洛克西德马丁公司的 RQ-170哨兵、RQ-3暗星、RQ-7影子、RQ-4全球鹰、P175臭鼬、 MFX-2 “柔性蒙皮”变形无人机、鸬鹚水下无人机；通用原子公司 MQ-9A “死神”、MQ-1B “捕食者”、MQ-1C “灰鹰”、CQ-10B “雪雁”; 波音公司的 A160T “蜂鸟”、RQ-21 “黑杰克”、X45C “鬼鳐”、垂直起降的蜻蜓无人机、液氢燃料无人机 PhantomEye 鬼眼等。RQ-4 全球鹰也是世界上已列装的无人机中续航时间最长、航程最远、尺寸和重量最大、实战应用最多的高空长航时无人机系统型号。 其中，自美国航母确立海上武器装备的霸主地位之后，以 X-47B 舰载无人机、MQ- 25 黄貂鱼舰载无人机、MQ- 8C 舰载无人直升机等为代表的舰载无人机，被用做编队执行海上任务。 此外，美军还装备了 RQ-11 “大乌鸦”、 RQ-12A “黄蜂”、 RQ-15 “海王星”、 RQ-20A “美洲狮”、 RQ-16 “雷鹰”、RQ-6A “警卫”等多种型号的小微型无人机。除此之外，美军为了实现无人化、网络化、信息化、智能化战场环境下的新型作战武器装备，已经开始重点研发无人机集群作战能力。 2.3

以色列无人机发展情况

  以色列作为世界主要军事技术强国，也是世界无人机研发和制造的佼佼者，在世界无人机市场上具有举足轻重的地位。以色列航空航天工业公司(IAI) 公司研制出了 “苍鹭”、 “侦察兵 Scout”、 “猎手 Hunter”、 “搜索者 Searcher”、 “黑豹 Panther”、“哈洛普”等无人机。其中 “苍鹭”无人机是由 1993 年开始研制的大型高空战略长航时无人机。该机起飞重量达到 1100 kg，有效载荷 250 kg，升限达 11000 m，航时 50 h 左右，主要承担实时监视、电子侦察和干扰、通信中继、地质测量、森林防火和海上巡逻等任务。以色列艾尔比特公司研制出了 “赫尔墨斯 Hermes900”、 “云雀 Skylark”、 “麻雀 Sparrow”、“蓝色地平线 BlueHorizon2”等无人机。“云雀 Skylark”无人机是采用电力作为动力的偏斜式、静音无人机，是以色列国防军目前装备最小的无人机，重量仅为 4. 54 kg，航时 1. 5 h。马扎拉特公司研制出了 “先锋 Pioneer”、 “驯犬MastiffMk3”无人机。航空防御公司研制的 “斗牛士 Picador”、“盘旋者 Oribiter”等多个型号无人机都是国际航展上的亮眼产品，装备以色列国防军后又在中东复杂战场环境下积累了丰富的作战经验，形成了技术研发与实战检验相互促进的良好局面。
  2.4

欧洲无人机发展现状

  神经元无人机是由法国达索公司牵头，希腊、意大利、西班牙、瑞典和瑞士等国联合参与研发的新型隐身察打一体无人机，代表了目前欧洲无人机领域的最先进水平