郭改英 吴斌
内蒙古河西航天科技发展有限公司 内蒙古呼和浩特010010
摘要：碳纤维复合材料具有重量轻、强度高、比模量高、耐疲劳和耐腐蚀等一系列优异性能，在航空航天领域得到了广泛应用。随着全球低空领域的开放，无人机的应用领域不断扩大，无人机造成的环境污染，尤其是天空污染越来越严重。为此，世界各国启动了清洁天空项目，通过对新材料、新工艺和新技术的合作研究，减少燃料消耗和碳排放。在这种背景下，以锂电池为动力的无人机发展迅速。然而，重型锂电池动力系统也制约着无人机的续航里程和有效载重量。近年来，以碳纤维为载体的结构储能复合材料引起了许多学者的兴趣。利用碳纤维优异的力学性能，将结构部件与储能系统相结合，可以有效节省负载空间，减轻系统重量，提高电池能量密度，成为国内外新的研究热点。
关键词：碳纤维复合材料；无人机；应用现状；发展趋势；
介绍了碳纤维复合材料在无人机中的应用优势，分析碳纤维复合材料在世界上几种先进无人机中的应用。讨论了未来无人机用碳纤维复合材料的研究和发展趋势。指出完善设计和工艺体系、降低材料成本、开展结构设计研究、开发新型成型技术、发展隐身技术和低成本快速修复技术是未来的研究和发展趋势。
一、碳纤维复合材料应用在无人机上的优点
无人机往往被用来执行空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等特殊任务，也使得碳纤维复合材料在多个方面都体现出了其应用优势。
1.比强度和比刚度大。相比于其它复合材料，在满足无人机机体相同强度和刚度的前提下，碳纤维复合材料高比强度和高比刚度的特性能够大大减轻无人机的机身质量，降低无人机的载荷成本，对无人机结构的轻质化、小型化和高性能化意义重大，以确保无人机拥有更长的飞行距离和飞行时间。
2.可整体一体化成型。无人机往往需要具有高度翼身融合的飞翼式总体气动外形，需要在结构上采用大面积整体一体化成型技术。而碳纤维复合材料在模拟和仿真计算后，不仅可以通过模压成型、热压罐外固化成型或RTM树脂传递模塑成型等工艺进行大面积一体化整体成型，而且还可以引入自动化流水线生产工艺，提高效率，大大降低生产制造成本，非常适合大规模制造无人机的机身结构。
3.耐腐蚀和耐热性好。碳纤维复合材料还具有优异的耐腐蚀和耐热性能，能够耐受自然界中的水和多种介质的腐蚀以及热膨胀的影响，可满足无人机各种环境条件下长储存寿命的特殊要求，降低使用维护的寿命周期成本。
4.可植入芯片或合金导体。碳纤维复合材料还可以植入芯片或合金导体，形成具有智能的结构整体，可在恶劣环境下长期使用，且不会破坏植入的设备性能，能够可靠的执行特殊任务。
二、碳纤维复合材料在无人机上的运用现状
由于碳纤维复合材料在无人机上应用的诸多优势，近年来，国内外大量的先进无人机都使用了碳纤维复合材料。
1.美国X-45系列碳纤维复合材料无人战斗机。无人战斗机一直是世界各国的研究关注热点。目前世界上的主要航空大国都已经认识到无人战斗机是未来航空武器装备的一个重要发展趋势。为了尽可能的降低结构质量，无人战斗机结构的一个显著特点是大量应用复合材料，特别是碳纤维复合材料，且远远超过有人战斗机的应用水平。美国波音公司制造的X-45A无人战斗机翼展10.3 m，弦长8 m，空质量3 640 kg，搭载有效载荷的能力为680 kg，复合材料用量占到了结构质量的45%。其机身蒙皮由碳纤维预浸带采用铺层方式制成，机身上部蒙皮约9 m长，3.7 m宽，是个整体件，机身下部蒙皮则由两块4.5×3.7 m的两部分组成。X-45A无人战斗机喷管的上下蒙皮则采用了Cytec公司制造的BMI-5250-4型碳纤维预浸料，其固化温处于177～204℃，使用温度在-59～204℃之间。
2.中国“雷鸟”碳纤维复合材料无人机。我国无人机的研制工作也在积极进行之中，采用材料也开始从玻璃纤维复合材料，逐渐转向碳纤维复合材料。中国首架应用碳纤维复合材料和燃料电池动力的“雷鸟”无人机首次亮相，其机身和机翼为全碳纤维复合材料。该机的高效率气动外形、全碳纤维复合材料结构机体、氢燃料电池动力系统、高效电动推进系统、飞行控制系统、地面指挥系统等完全自主研发和自行制造，拥有自主知识产权。该机采用层流翼型、上单翼、T型尾翼气动布局；全碳纤维复合材料结构机体；氢燃料电池动力系统。翼展10.5 m，机高2.2 m，机长4.7 m，起飞质量257kg，巡航速度120 km/h，续航时间4 h。
三、无人机用碳纤维复合材料研发趋势
1.研究完善适用于无人机机身碳纤维复合材料的设计及工艺体系。由于无人机普遍具有体积小，质量轻的特点，与载人飞机的安全标准也不尽一致，因此，在材料设计和加工工艺设计上需开发并遵循一套新的标准体系，这也是世界各国的无人机材料设计者们不断研究和探索的内容。目前主要采用的制造方法有热压罐成型、真空袋成型、模压成型等几种方式。
2.降低无人机使用碳纤维复合材料的成本。无人机的研制最早是由于军事的需要而开始的，但发展到现在，越来越多的民用领域也需要无人机来发挥作用。无人机不仅已在大气研究、环境监测、防火救灾等领域出现了广泛应用，而且在体育摄影、休闲娱乐以及商业活动等领域也展开了应用，最近还有媒体报道，国内某快递公司已经探索使用无人机在偏远地区配送包裹的服务。因此，降低制造成本，特别是降低无人机用碳纤维复合材料的成本，成为了现阶段的一个研究重点。如何低成本的设计和制造碳纤维复合材料无人机，将成为无人机未来的主要趋势之一。
3.开展无人机碳纤维复合材料结构设计研究。作为特殊的飞行器材，无人机设计不需要考虑人的生理承受能力，可以充分发挥碳纤维复合材料的性能，考虑更大的设计空间；针对无人机的使用特点，兼顾无人机的载荷分布和受力情况，推进结构外形一体化研究，并针对各类型无人机研发出各自适用的气动外形。
4.研发新的碳纤维复合材料制造成型工艺技术。在借鉴其他领域应用的基础上对碳纤维复合材料无人机制造工艺进行进一步的发展、完善和提高。更多的采用机械自动化制造技术，以及在大飞机制造领域被广泛应用的自动铺带技术和自动铺丝技术，同时配合缠绕、拉挤等成型技术，研发出适合无人机专用的碳纤维复合材料制造成型工艺技术，为低成本的在无人机上应用碳纤维复合材料探索出多种技术路线。
5.发展隐身技术。在国防军事等一些特殊领域应用，无人机还需要有一定的隐身性能。由于一般碳纤维复合材料透波及吸波性能有限，因此，研制开发与碳纤维复合材料相容并具有高效吸波效果的吸波涂层，或通过改进树脂体系，开发具有较好吸波性能的碳纤维复合材料，或通过翼面机身外形一体化设计减少对电磁波的反射，以到达隐身功能。
6.低成本碳纤维复合材料无人机修补技术。随着碳纤维复合材料在无人机上的应用，需要针对碳纤维复合材料开展专业的修补技术研究，特别是研究出能够适应无人机的使用特点，在受到破损时能够高效快速，并且低成本的对无人机结构材料进行修复的技术。目前，针对碳纤维复合材料修补技术在国内已有一定的研究进展，但还没有形成体系，尤其是针对无人机碳纤维复合材料的低成本快速修复技术将是未来研究的一个重要领域。
总之，在无人机上使用碳纤维复合材料来减轻质量和增强机身机翼结构，已是各国无人机研究者们的共同选择。为了将碳纤维复合材料的优势在无人机上充分发挥出来，需要无人机研究者们从设计阶段就充分考虑到碳纤维复合材料的特性，按照机身机体结构外形一体化设计理念，研制出适用于无人机的碳纤维复合材料设计及工艺体系。同时，兼顾降低成本、快速修补技术等方面的研究，对于一些特殊用途，开展具有隐身性能碳纤维复合材料的结构设计和工艺研究。
参考文献：
[1]张芳.无人机结构用复合材料及制造技术综述.2019.
[2]胡晓丽.浅谈碳纤维复合材料在无人机上的应用.2020.