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一文详细了解复合材料在无人机中的应用

发表时间:2020-04-24 09:33:53 来源:新材料在线

自从航空事业起步以来,工程师们一直致力于开发无人机(Unmanned Aerial Vehicles,缩写UAVs),以便在不造成人员伤亡的情况下开展军事行动。

从军用到民用

无人机的首次使用是在1849年第一次意大利独立战争期间,当时奥地利军队使用装有定时引信控制炸弹的无人驾驶气球。

尽管全球各地的现代化军队对这些无人机有着广泛的军事应用,从情报到冲突地区的行动,但在威尼斯“无人机”轰炸170年后,这些无人机已经从军事用途转移到民用用途。

目前,世界各地的政府、私营公司和个人都在使用这些系统进行监视和执法,改善物流,甚至拍摄令人叹为观止的照片或视频。

减轻无人机重量

重于空气的飞机、无线电控制和视频等技术的发展,帮助我们建造了像MQ-1“捕食者”或DJI“幻影”无人机这样的标志性飞机,并增加了公众对无人机的兴趣。目前,无人机在未来的航空,特别是军事应用中发挥着越来越重要的作用。

然而,由于无人机往往比传统飞机小,燃料容量有限,其飞行时间往往大大低于有人驾驶的同类飞机。当考虑到运载工具的有效载荷时,这个问题变得更加严重,有效载荷的范围可能从一组地狱火导弹到民用小型摄像机。

为了改善这一点,飞机的轻量化至关重要,在无人机的建造中,使用常规航空航天材料,如铝6061-T6,可能不是一个可行的设计选择。因此,复合材料在无人机的设计和制造中起着核心作用。

复合材料

复合材料是由两种或两种以上具有不同物理或化学性质的成分(基体/粘合剂和增强纤维)加工而成的材料。当这些材料组合在一起时,新材料具有不同于单个部件的特性。

通常,载荷由增强纤维(70-90%的载荷)承担,而刚度和形状由基体提供,而且基体可将载荷传递给纤维,并通过隔离纤维阻止或减缓裂纹的扩展,从而使单个元件可以单独发挥作用。

但是,在使用复合材料时,最重要的特征之一是,其机械性能(如强度)通常取决于施加荷载的方向。这些材料以混凝土和泥砖的形式使用了数千年,并且木材和骨头是天然的复合材料。

复合材料在航天工业中的历史

复合材料对航空航天工业而言并不陌生,早在20世纪40年代,玻璃纤维增强聚合物(GFRP)就开始进入海洋工业。1944年,第一架带有复合材料机身结构的飞机在美国起飞,这是一架经过实验改进的Vulete BT-15。

1960年初,复合材料以预浸料的形式使用,预浸料由一系列预先浸渍环氧树脂的纤维增强塑料(FRP)组成。AV-8B鹞式飞机的机翼和前机身以及A-320的尾部,以及欧洲战斗机2000等其他军用飞机都可以看到这样的例子。

最近,空客将复合材料的使用率从标志性的A380的25%提高到新A350 XWB的53%。波音也做了同样的事情:777飞机的12%的结构是由复合材料制成的,现在他们最新的飞机787由50%的复合材料组成。这使得787的重量减少了20%,并且由于减少了腐蚀和疲劳的风险,减少了计划和非常规维护。

利用复合材料设计无人机

这种复合材料的使用在无人机行业中得到了体现。2009年,composite world对200个模型进行了调查,发现所有模型都具有复合材料组件,许多案例报告了使用碳纤维建造机身的情况。

然而,对有效载荷能力和无人机性能的需求增加,使得工业界转而采用另一种复合材料来建造无人机结构:碳纤维增强聚合物(CFRP),它现在是无人机机身建造中使用的主要材料。一般来说,碳纤维复合材料使用热固性树脂,热固性树脂在加热时固化,与碳纤维结合作为主要的结构成分。这使得这种材料比玻璃纤维复合材料更轻,也更坚固,即使与金属相比也是如此。

无人机设计的未来

据复合材料世界(composite world)统计,在2007年和2008年,为支持无人机生产了231和247公吨复合材料,预计2018年,市场将生产738公吨机身结构。

随着无人机在民用和军用领域的市场份额不断增加,对更具机动性、有效载荷的无人机的需求将不断增加,而复合材料在这些新型飞机的开发中起着至关重要的作用。

将熔融沉积建模(FDM)和激光烧结(LS)等增材制造技术与复合材料结合使用,将有助于开发更有效的用于安全和军事目的的无人机。