小型無人飛機(jī)復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)形式分析

王建華，陳令國，朱成香，胡定紅

（洪都航空工業(yè)集團(tuán),南昌 330024）

0 引言

小型無人飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要功能是保持氣動外形及艙室形狀，承受飛機(jī)氣動載荷、發(fā)射回收產(chǎn)生的集中載荷以及機(jī)載設(shè)備的質(zhì)量力，為機(jī)載設(shè)備提供一個良好安裝平臺。飛機(jī)結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度、剛度的前提下，還應(yīng)滿足重量輕、成本低、工藝性好等要求。

小型無人機(jī)由于其低風(fēng)險、低成本及總體尺寸較小的特點(diǎn)，使一些新材料、新式構(gòu)型與新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用成為可能。利用先進(jìn)復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)/功能一體化、采用夾芯壁板的硬殼式結(jié)構(gòu)，減少機(jī)體內(nèi)部骨架支持的結(jié)構(gòu)形式，可以提高機(jī)體內(nèi)可用空間，增大設(shè)備空間、油量，同時降低結(jié)構(gòu)重量系數(shù)，另外，整體壁板的結(jié)構(gòu)形式，便于實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)/功能一體化。復(fù)合材料優(yōu)良的性能、顯著的減重效益及良好的整體成型工藝性，為小型無人機(jī)減輕重量和降低制造成本提供了更大的可能性，使其逐漸成為了小型無人飛機(jī)的主體材料。

1 小型無人機(jī)新型結(jié)構(gòu)型式

1.1 主要結(jié)構(gòu)新型構(gòu)型與新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型無人機(jī)采用泡沫夾層結(jié)構(gòu)等新式構(gòu)型，泡沫夾層結(jié)構(gòu)重量輕、具有較大的彎曲剛度和強(qiáng)度。泡沫夾層結(jié)構(gòu)是承載效率較高的結(jié)構(gòu)形式，對于小型無人機(jī)，不僅一般結(jié)構(gòu)可以采用，主要承載結(jié)構(gòu)也可采用，而且，一般情況下，面板采用玻璃纖維復(fù)合材料，就能滿足強(qiáng)度要求。

泡沫夾層結(jié)構(gòu)由上下薄復(fù)合材料面板、泡沫芯和膠粘劑組成，膠粘劑將面板和芯材膠接成一個整體，如圖1所示。（面板主要承受面內(nèi)拉伸、壓縮和面內(nèi)剪切；芯材支持面板承受垂直于面板的壓縮應(yīng)力，并能防止面板在側(cè)壓載荷下產(chǎn)生屈曲 （芯材承受壓縮和剪切載荷）。

泡沫夾層結(jié)構(gòu)薄復(fù)合材料面板根據(jù)載荷大小可選用玻璃布或碳纖維:

1)玻璃布成本低，粘接成型工藝性好，可在常溫下進(jìn)行粘接固化，但強(qiáng)度性能相對要差一些，適用于載荷較小、重量/剛度要求較低的部件；

2)碳纖維成本相對較高，需高溫高壓固化，熱壓罐成型，工藝復(fù)雜，但碳纖維強(qiáng)度性能較好，適用于載荷較大、重量/剛度要求高的部件。

泡沫芯可選用NOMEX蜂窩、ROHACELL泡沫板和硬質(zhì)聚氨脂泡沫:

1）NOMEX蜂窩夾芯優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度、比剛度大，價格便宜，工藝方法成熟，缺點(diǎn)是制造曲板較困難，蜂窩與形面貼合較難，需銑切加工，因蜂窩較軟，不易裝夾，加工困難；蜂窩為開暢式結(jié)構(gòu)，蜂窩內(nèi)易積水等液體，蜂窩與內(nèi)、外玻璃鋼面板膠接成形后，不易排除，在高空底溫環(huán)境下結(jié)冰，易漲破面板，造成面板脫膠，從而破壞壁板蒙皮結(jié)構(gòu)；蜂窩與壁板膠接面較小，蜂窩內(nèi)需預(yù)浸一定厚度的膠粘劑，才能保證膠接強(qiáng)度，蜂窩內(nèi)預(yù)浸的膠粘劑的厚度不容易控制，因此，膠接重量難以控制，這是蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)超重的主要因素之一。

2）在相同密度下，ROHACELL泡沫是強(qiáng)度和剛度最高的泡沫材料。ROHACELL泡沫板為閉孔結(jié)構(gòu)，各向同性,平面和橫向、法向都有較高的剪切模量，橫向、法向變形??；100%閉孔泡沫，不易受潮和進(jìn)水；可加溫軟化成型與面板貼合，成型性能好；ROHACELL泡沫板為閉孔結(jié)構(gòu)，低樹脂吸收率，而降低樹脂吸收率，在一定程度上會優(yōu)化夾層結(jié)構(gòu)的重量，減少面板和芯材之間的樹脂量，使之與壁板膠接面大，膠粘劑厚度均勻，從而提高膠接強(qiáng)度。

3）硬質(zhì)聚氨脂泡沫注射填充在已成型的復(fù)合材料層壓板蒙皮內(nèi)，不用加工芯材外形，結(jié)構(gòu)形式、工藝方法簡單，缺點(diǎn)是發(fā)泡性能不穩(wěn)定，注射填充時泡沫芯材密度不易控制，容易超重，影響結(jié)構(gòu)的重心分布和結(jié)構(gòu)剛度。

1.2 機(jī)身新型結(jié)構(gòu)形式

無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是選擇合理的結(jié)構(gòu)型式，應(yīng)力求設(shè)計(jì)簡練、傳力合理，結(jié)構(gòu)重量輕和制造工藝性好,常規(guī)布局的機(jī)身典型結(jié)構(gòu)型式為梁式結(jié)構(gòu)和壁板式蒙皮結(jié)構(gòu)（無梁）。

梁式結(jié)構(gòu)是常見的機(jī)身結(jié)構(gòu)形式 （如圖2所示），由縱向梁凸緣、蒙皮和橫向框組成,依據(jù)載荷情況,在機(jī)身截面周圈合理布置四根梁，上、下大梁承受總體彎矩產(chǎn)生的軸力，蒙皮只受剪，為了維持承載構(gòu)件的穩(wěn)定性，設(shè)若干框。壁板蒙皮采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu),上、下大梁為復(fù)合材料預(yù)成型結(jié)構(gòu)，可以很好地滿足較復(fù)雜的機(jī)身外形面的要求?？v向梁凸緣與蒙皮形成了可承受雙向彎矩的梁，以承受剪力和彎矩。而扭矩則通過閉式壁板或兩側(cè)梁的參差受剪(有口蓋時)來承受。機(jī)身上、下大梁和夾層結(jié)構(gòu)的面板主要采用玻璃纖維復(fù)合料，其結(jié)構(gòu)成本低，而且具有良好的抗疲勞特性和沖擊韌性。

由于輕型無人機(jī)結(jié)構(gòu)較輕，載荷較小，也可考慮采用壁板式蒙皮結(jié)構(gòu)，壁板蒙皮（如圖4、圖5所示）采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，夾芯有一定高度，機(jī)身形成了可承受結(jié)構(gòu)雙向彎矩的整體梁，以承受剪力和彎矩，而扭矩則通過機(jī)身上、下壁板合攏后（如圖3所示）形成的閉式結(jié)構(gòu)來承受。上、下壁板蒙皮為復(fù)合材料預(yù)成型結(jié)構(gòu)，可以很好地滿足較復(fù)雜的機(jī)身外形和內(nèi)形要求，大大減少了零件數(shù)量和裝配工作量，簡化了裝配協(xié)調(diào)關(guān)系。

圖3 壁板式機(jī)身典型切面

圖4 機(jī)身上壁板

圖5 機(jī)身下壁板

1.3 翼面新型結(jié)構(gòu)形式

1.3.1 機(jī)翼新型結(jié)構(gòu)形式

小型無人機(jī)機(jī)翼或較大型無人機(jī)安定面等大型翼面，載荷較大，一般采用梁式壁板結(jié)構(gòu)或硬殼式壁板結(jié)構(gòu)。

梁式壁板結(jié)構(gòu)主要由上下壁板蒙皮、前后梁和若干翼肋組成。蒙皮只受剪，夾芯可采用蜂窩夾芯，法向有較高的剪切模量，面內(nèi)抗壓能力較強(qiáng)，維持壁板面內(nèi)剛度，防止失穩(wěn)；總體彎曲載荷引起的軸力主要由前后梁緣條來傳遞，剪力由梁腹板傳遞，扭矩由壁板和前后梁組成的閉室來傳遞。翼肋支持壁板翼面和梁腹板并傳遞局部集中力載荷，維持承力構(gòu)件剛度。

硬殼式壁板結(jié)構(gòu)主要由上下壁板蒙皮、前后梁、和若干翼肋組成。壁板不僅承剪，而且承受由總體彎曲產(chǎn)生的拉壓軸力，夾芯可采用ROHACELL泡沫板，ROHACELL泡沫板為閉孔結(jié)構(gòu)，各向同性,平面和橫向、法向都有較高的剪切模量，橫向、法向變形??；梁緣條面積很小，梁的作用主要是承受梁腹板內(nèi)的剪力，只起墻的作用。翼肋支持壁板翼面和梁腹板并傳遞局部集中力載荷，維持承力構(gòu)件剛度。

蒙皮壁板結(jié)構(gòu)，通常設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜的薄面板復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，大大減少了零件數(shù)量和裝配工作量，簡化了裝配協(xié)調(diào)關(guān)系。

翼梁可采用硬鋁合金結(jié)構(gòu)（見圖6）和復(fù)合材料預(yù)成型結(jié)構(gòu)（見圖7）。

1)硬鋁合金結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，工藝方法成熟，但金屬結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料壁板粘接性能較差，在使用過程中易剝離，梁彎邊與壁板內(nèi)形的吻合性較差，間隙不均勻，影響膠接質(zhì)量和重量。同時，由于載荷較小，一般采用板彎件，成本較低，但無法進(jìn)行等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，會損失一定重量。

2)復(fù)合材料預(yù)成型結(jié)構(gòu)則可以很好地滿足較復(fù)雜的機(jī)身外形面的要求，根據(jù)應(yīng)力水平，可以方便地采用變厚度結(jié)構(gòu)，進(jìn)行等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，既能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，又能最大限度的降低結(jié)構(gòu)重量，同時翼梁采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其材料各項(xiàng)性能（包括粘接性能、熱膨脹系數(shù)）與壁板接近，翼梁彎邊與機(jī)翼壁板軟膠接，可大大提高翼梁與機(jī)翼壁板的粘接強(qiáng)度，降低熱脹冷縮對膠結(jié)面的影響。

這種結(jié)構(gòu)形式一般適用于機(jī)翼等大型翼面，協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜、結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng)。

1.3.2 平尾、垂尾新型結(jié)構(gòu)形式

小型無人機(jī)平尾、垂尾等中型翼面，一般采用夾層壁板墻式結(jié)構(gòu)。夾層壁板墻式結(jié)構(gòu)由上下壁板蒙皮、墻和若干翼肋組成，有單墻或多墻形式。彎曲載荷主要由壁板來傳遞，剪力由墻傳遞，扭矩由夾層壁板和墻組成的閉室來傳遞。翼肋支持夾層壁板翼面并傳遞局部集中力載荷。在夾層壁板墻式結(jié)構(gòu)中，由于夾層壁板既要承受正應(yīng)力，又要承受剪應(yīng)力，因此設(shè)計(jì)為可承受面內(nèi)正應(yīng)力的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。翼墻為復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)或木質(zhì)層板結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)形式一般適用于平尾、垂尾等中型翼面（見圖8），協(xié)調(diào)關(guān)系相對簡單，結(jié)構(gòu)承載能力較強(qiáng)。

圖6 機(jī)翼典型結(jié)構(gòu)切面一

圖7 機(jī)翼典型結(jié)構(gòu)切面二

圖8 尾翼典型結(jié)構(gòu)切面

1.3.3 副翼、方向舵新型結(jié)構(gòu)形式

副翼、方向舵等小型操縱舵面，一般采用全高度泡沫夾芯結(jié)構(gòu)。全高度泡沫夾芯結(jié)構(gòu)主要由上下蒙皮、前后梁和少量翼肋組成。彎曲載荷主要由被內(nèi)部泡沫芯材密集支撐的蒙皮來傳遞，剪力由墻傳遞，扭矩由蒙皮和前后墻組成的閉室來傳遞。由于有泡沫芯材對蒙皮的密集支持，因此除端部安排翼肋外,其它翼肋相對可以較少或取消，其數(shù)量與型式依據(jù)蒙皮穩(wěn)定性和局部集中力載荷傳遞的需要合理布置。在全高度泡沫夾芯結(jié)構(gòu)中，蒙皮為復(fù)合材料層壓板，厚度一般較薄，在泡沫芯材的密集支持下，既承受正應(yīng)力，又承受剪應(yīng)力。翼墻和翼肋為復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)或木質(zhì)層板結(jié)構(gòu)。

全腔填充泡沫夾芯結(jié)構(gòu)由復(fù)合材料蒙皮和硬質(zhì)泡沫塑料芯材組成，無梁，少量肋（主要是端肋）。其承力原理類似于夾層結(jié)構(gòu)梁，泡沫芯材起到腹板的作用。

這種結(jié)構(gòu)形式一般適用于副翼、方向舵等操縱舵面，翼面較小，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕。（見圖9、圖10）

圖9 副翼結(jié)構(gòu)典型切面

圖10 方向舵結(jié)構(gòu)典型切面

1.4 整體油箱新型結(jié)構(gòu)形式

復(fù)合材料整體壁板具有良好的氣密性；復(fù)合材料面板材料及縫內(nèi)膠有耐油性，不容易腐蝕；整體壁板有較好的隔熱性能和較高的結(jié)構(gòu)剛度，既是承力結(jié)構(gòu)，又是整體油箱壁板，可充分利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，大大減輕結(jié)構(gòu)重量；其材料各項(xiàng)性能（包括粘接性能、熱膨脹系數(shù)）接近，不會因熱脹冷縮，而破壞膠結(jié)面、產(chǎn)生裂縫，各部件連接采用膠接（無機(jī)械連接），則解決了因機(jī)械連接產(chǎn)生的密封問題。

1.4.1 機(jī)翼整體油箱

某型無人機(jī)機(jī)翼整體油箱（見圖11）在前、后梁之間，左、右3肋以內(nèi)，充分利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)（前、后梁，左、右3肋，上、下壁板），梁、肋與壁板采用膠接形式（無機(jī)械連接），密封性能良好。

1.4.2 機(jī)身整體油箱

某型小型無人機(jī)機(jī)身整體油箱（見圖12）主要由3、6框（油箱端框）和上、下壁板及機(jī)翼下壁板組成，它們均為機(jī)身主要承力構(gòu)件，其連接采用膠接形式（無機(jī)械連接），密封性很好。

圖11 機(jī)翼整體油箱

圖12 機(jī)身整體油箱

2 結(jié) 語

先進(jìn)復(fù)合材料及新型結(jié)構(gòu)形式的廣泛使用（復(fù)合材料使用量達(dá)到90%以上），使無人飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)這一重要指標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，將小型無人機(jī)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)控制在20%～22%左右，可騰出足夠重量空間讓給燃油、有效載荷、武器和補(bǔ)償隱身帶來的重量。

在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，不僅要滿足受力要求，還應(yīng)與結(jié)構(gòu)功能化設(shè)計(jì)和隱身設(shè)計(jì)融合在一起，即應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)功能化設(shè)計(jì)和隱身設(shè)計(jì)的相容性。利用先進(jìn)復(fù)合材料，將各種功能化設(shè)計(jì)和隱身技術(shù)融合到飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)/功能一體化，滿足無人飛機(jī)輕結(jié)構(gòu)、長航程、高隱身的技術(shù)要求。