隨著碳纖維復(fù)合材料在大型民用客機上的廣泛應(yīng)用，其在無人機上也被認為是解決減輕質(zhì)量難題的最佳選擇。與傳統(tǒng)的金屬材料及復(fù)合材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強、抗疲勞和防鹽霧侵蝕的特性，應(yīng)用于無人機結(jié)構(gòu)中可以大大改善和提高無人機的綜合性能。據(jù)統(tǒng)計，目前，世界各國都在無人機上大幅度使用以碳纖維復(fù)合材料為主的先進復(fù)合材料，占到了結(jié)構(gòu)總質(zhì)量分數(shù)的60%～80%，使機體減質(zhì)量25%以上。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用對無人機結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化、小型化和高性能化起到了至關(guān)重要的作用。

一、碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在無人機上的優(yōu)勢

1、比強度和比剛度大

相比于其它復(fù)合材料，在滿足無人機機體相同強度和剛度的前提下，碳纖維復(fù)合材料高比強度和高比剛度的特性能夠大大減輕無人機的機身質(zhì)量，降低無人機的載荷成本，對無人機結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化、小型化和高性能化意義重大，以確保無人機擁有更長的飛行距離和飛行時間。

2、可整體一體化成型

無人機往往需要具有高度翼身融合的飛翼式總體氣動外形，需要在結(jié)構(gòu)上采用大面積整體一體化成型技術(shù)。而碳纖維復(fù)合材料在模擬和仿真計算后，不僅可以通過模壓成型、熱壓罐外固化成型或RTM樹脂傳遞模塑成型等工藝進行大面積一體化整體成型，而且還可以引入自動化流水線生產(chǎn)工藝，提高效率，大大降低生產(chǎn)制造成本，非常適合大規(guī)模制造無人機的機身結(jié)構(gòu)。

圖一 RTM樹脂傳遞模塑成型工藝示意圖

3、耐腐蝕和耐熱性好

碳纖維復(fù)合材料還具有優(yōu)異的耐腐蝕和耐熱性能，能夠耐受自然界中的水和多種介質(zhì)的腐蝕以及熱膨脹的影響，可滿足無人機各種環(huán)境條件下長儲存壽命的特殊要求，降低使用維護的壽命周期成本。

4、可植入芯片或合金導(dǎo)體

碳纖維復(fù)合材料還可以植入芯片或合金導(dǎo)體，形成具有智能的結(jié)構(gòu)整體，可在惡劣環(huán)境下長期使用，且不會破壞植入的設(shè)備性能，能夠可靠的執(zhí)行特殊任務(wù)。

二、碳纖維復(fù)合材料在無人機上的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于碳纖維復(fù)合材料在無人機上應(yīng)用的諸多優(yōu)勢，近年來，國內(nèi)外大量的先進無人機都使用了碳纖維復(fù)合材料。例如美國的“全球鷹”無人偵察機、X-45系列無人戰(zhàn)斗機、“太陽神（Helios）”無人機、以及中國的“雷鳥”碳纖維無人機等多種無人機。

1、美國“全球鷹”碳纖維復(fù)合材料無人偵察機

“全球鷹”無人偵察機是由美國諾斯羅普?格魯曼公司研制的全世界最先進的無人機。其最大飛行速度740 km/h，最大飛行高度近2×104 m，續(xù)航時間長達42 h以上，可從美國本土起飛到達全球任何地點進行偵察，完成跨洲際飛行。其最大起飛質(zhì)量達1.161×104 kg，可攜帶超過7000 kg的機載燃料，它代表了目前高空長航時無人機的最高技術(shù)水平和發(fā)展趨勢。

圖二 “全球鷹”無人偵察機

2、美國X-45系列碳纖維復(fù)合材料無人戰(zhàn)斗機

無人戰(zhàn)斗機一直是世界各國的研究關(guān)注熱點。目前世界上的主要航空大國都已經(jīng)認識到無人戰(zhàn)斗機是未來航空武器裝備的一個重要發(fā)展趨勢。為了盡可能的降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，無人戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)的一個顯著特點是大量應(yīng)用復(fù)合材料，特別是碳纖維復(fù)合材料，且遠遠超過有人戰(zhàn)斗機的應(yīng)用水平。

3、美國“太陽神”碳纖維復(fù)合材料無人機

美國宇航局和航空環(huán)境公司曾研制過“太陽神（Helios）”太陽能無人機，其主要承力結(jié)構(gòu)就采用了碳纖維復(fù)合材料，大大降低了機身質(zhì)量，可環(huán)繞地球長時間連續(xù)飛行。這架飛機的展長75.3 m，遠超波音747的展長，弦長2.44m，主結(jié)構(gòu)由碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成，全機均勻分為6 段，每段連接處都有一個復(fù)合材料艙，用來裝載有效載荷。太陽能硅片布滿整個上翼面，驅(qū)動14 臺電動發(fā)動機，各帶動一個雙葉螺旋槳。

圖三“太陽神（Helios）”太陽能無人機

4、美國哈佛“昆蟲”碳纖維復(fù)合材料無人機

據(jù)報道，2014年美國哈佛大學(xué)的科學(xué)家們在昆蟲的啟發(fā)下，研制出如蒼蠅般大小的機器人將成為世界上最小的無人機，其小巧程度也成為了無人機研發(fā)領(lǐng)域中的最新突破。該無人機的主體由碳纖維制成，質(zhì)量僅106mg。所以，這也是世界上最為小巧和輕便的無人機。這款無人機有一對通過導(dǎo)電的“肌肉”來供應(yīng)能量的“翅膀”。整個無人機的能量供應(yīng)和控制都要經(jīng)過一根輕量級的系繩線，因此能夠像自然界隨處可見的昆蟲那樣進行各種敏捷的回旋“飛舞”。由于其“頭部”安裝有金字塔狀的光傳感器，所以它可以平穩(wěn)地飛行。此外，在其光敏“眼睛”的導(dǎo)航下，無人機也不會迷失方向。

5、中國“雷鳥”碳纖維復(fù)合材料無人機

我國無人機的研制工作也在積極進行之中，采用材料也開始從玻璃纖維復(fù)合材料，逐漸轉(zhuǎn)向碳纖維復(fù)合材料。2013年，中國首架應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料和燃料電池動力的“雷鳥”無人機首次亮相，其機身和機翼為全碳纖維復(fù)合材料。

圖四 中國“雷鳥”碳纖維復(fù)合材料無人機

三、無人機用碳纖維復(fù)合材料研發(fā)趨勢

綜上所述，近年來各國無人機在碳纖維復(fù)合材料方面的應(yīng)用都取得了長足的發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1、研究完善適用于無人機機身碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計及工藝體系；2、降低無人機使用碳纖維復(fù)合材料的成本；3、開展無人機碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計研究；4、研發(fā)新的碳纖維復(fù)合材料制造成型工藝技術(shù)；5、發(fā)展隱身技術(shù)；6、低成本碳纖維復(fù)合材料無人機修補技術(shù)。

參考文獻：

1、無人機結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用進展，程文禮，邱啟艷，趙彬

2、先進復(fù)合材料在無人機和太陽能飛機上的應(yīng)用，黃春芳，曾竟成，江大志，鞠蘇，石剛

3、碳纖維復(fù)合材料在無人機上的應(yīng)用，趙凱，陳虹，張婧，于今，張定金

4、復(fù)合材料在無人機上的應(yīng)用與展望，袁立群，單杭英，楊忠清，樊芃

作者：谷雨