【专业讲堂】一文详细了解复合材料在无人机中的应用

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。

（原文文献The Use of Composite Materials in Unmanned Aerial Vehicles ，本公众号编译）