自航空技術(shù)發(fā)明以來(lái)，工程師們一直致力于的一個(gè)課題就是開(kāi)發(fā)無(wú)人機(jī)(無(wú)人機(jī))進(jìn)行軍事行動(dòng)，同時(shí)無(wú)需人為損失。

從軍事到民用

這些機(jī)器的第一次使用是在1849年的第一次意大利獨(dú)立戰(zhàn)爭(zhēng)中，奧地利軍隊(duì)使用了裝有時(shí)間引信控制的炸彈的無(wú)人氣球。

盡管世界各地的現(xiàn)代軍隊(duì)對(duì)這些無(wú)人機(jī)進(jìn)行了廣泛的軍事應(yīng)用，從情報(bào)到?jīng)_突地區(qū)的行動(dòng)，但直到威尼斯‘drones’轟炸166年后，無(wú)人機(jī)才從軍事轉(zhuǎn)移到民用。

目前這些系統(tǒng)都是由世界各地的政府、私人公司和個(gè)人用于監(jiān)測(cè)和執(zhí)法以提高物流，甚至用于休息、拍照或拍視頻。

減輕無(wú)人機(jī)的重量

技術(shù)的發(fā)展，如重于空氣的航空器，無(wú)線電控制和視頻已經(jīng)幫助我們構(gòu)建了標(biāo)志性的飛機(jī)如MQ-1捕食者或DJI幽靈無(wú)人機(jī)，并且提高了無(wú)人機(jī)的公眾興趣。目前，無(wú)人駕駛飛機(jī)在未來(lái)的航空業(yè)，特別是在軍事領(lǐng)域中有越來(lái)越重要的作用。

然而，由于無(wú)人駕駛飛機(jī)往往比傳統(tǒng)的飛機(jī)更小并具有有限的燃油容量，其飛行時(shí)間往往顯著低于載人飛機(jī)。當(dāng)考慮到飛機(jī)的有效載荷時(shí)，該問(wèn)題變得更加嚴(yán)重，載荷的范圍可以從一組地獄火導(dǎo)彈到民用小型相機(jī)。

為了改善這種情況，飛機(jī)重量的減少是至關(guān)重要的，使用傳統(tǒng)航空航天材料如鋁6061-T6在無(wú)人機(jī)的建設(shè)上不是一個(gè)可行的設(shè)計(jì)方案。因此，復(fù)合材料在無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)和制造中起著核心的作用。

復(fù)合材料

復(fù)合材料是由兩種材料(基底或粘結(jié)劑和增強(qiáng)劑)或更多的具有不同物理或化學(xué)性質(zhì)的成分組成。當(dāng)這些材料相結(jié)合，新材料與各個(gè)組成部分具有不同的特點(diǎn)。

通常由纖維承擔(dān)負(fù)載(70-90%的負(fù)荷)，然后剛度和形狀是由基底提供，其可以將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到纖維上并且通過(guò)將纖維隔開(kāi)使得各個(gè)元素可以單獨(dú)行動(dòng)，停止或減緩裂紋的擴(kuò)展。

然而，在處理復(fù)合材料時(shí)需要考慮的最重要的特性之一是它們的機(jī)械性能，如強(qiáng)度，通常取決于所施加負(fù)載的方向。這些材料已經(jīng)以混凝土和泥磚的形式應(yīng)用了幾千年，以及木材和骨頭等天然復(fù)合材料。

航空工業(yè)復(fù)合材料的歷史

復(fù)合材料對(duì)于航空航天工業(yè)并不陌生，早在上世紀(jì)40年代，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)就已經(jīng)開(kāi)始以自己的方式進(jìn)入航海工業(yè)。1944年第一架復(fù)合材料機(jī)身的飛機(jī)在美國(guó)起飛，一架實(shí)驗(yàn)性修改的VulteeBT-15。

在1960年初，復(fù)合材料以pre-pegs的形式使用，其是由一系列預(yù)浸漬環(huán)氧樹(shù)脂的纖維增強(qiáng)塑料(FRP)組成。樣品可以在AV-8BHarrier的翅膀和機(jī)身前部、A-320的尾部以及其他軍用飛機(jī)中看到，如歐洲戰(zhàn)斗機(jī)2000。

近日，空客公司將復(fù)合材料的使用從iconicA380的25%增加到新A350XWB的53%。波音公司也這樣做：777結(jié)構(gòu)的12%是由復(fù)合材料制成的，并且現(xiàn)在他們的最新飛機(jī)787是由50%的復(fù)合材料構(gòu)成。這減少了787飛機(jī)20%的重量，并減少了預(yù)定的、非常規(guī)的保養(yǎng)，由于減少了腐蝕和疲勞的風(fēng)險(xiǎn)。

采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)UVAs

這種復(fù)合材料的使用在無(wú)人機(jī)行業(yè)中得到了體現(xiàn)。2009年，一個(gè)對(duì)復(fù)合材料領(lǐng)域200個(gè)模型的調(diào)查發(fā)現(xiàn)所有的模型均具有復(fù)合材料部件并且很多實(shí)例報(bào)道了碳纖維在機(jī)身構(gòu)建中的使用。

然而，對(duì)有效負(fù)載荷能力和無(wú)人駕駛性能要求的增加，使得工業(yè)上開(kāi)發(fā)出另一種無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)建設(shè)的復(fù)合材料：碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)，這是現(xiàn)在無(wú)人機(jī)機(jī)身建設(shè)使用的原材料。

在一般情況下，碳纖維復(fù)合材料使用熱固性樹(shù)脂，其在加熱時(shí)發(fā)生固化時(shí)，作為基本的結(jié)構(gòu)組成與碳纖維結(jié)合。這使得材料的重量比玻璃鋼復(fù)合材料更輕、強(qiáng)度更大，即使與金屬相比。

例如，鋼結(jié)構(gòu)的重量約為同等強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的5倍以上。然而，他們的高成本(比玻璃纖維貴5至25倍)已經(jīng)抑制了這種材料在工業(yè)上的使用。此外，該材料具有導(dǎo)電性，使其不適于特定應(yīng)用。

芳綸纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料已用于螺旋槳結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗忍祭w維更輕。考慮到無(wú)人機(jī)的幾種設(shè)計(jì)由4個(gè)或更多的螺旋槳組成，這種材料的應(yīng)用的具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。螺旋槳的慣性減小，從而降低了振動(dòng)，有助于使無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中更加穩(wěn)定。