無人機的常用材料包括機身材料(包括結(jié)構(gòu)材料和非結(jié)構(gòu)材料),發(fā)動機材料和涂料。其中最主要的是機身結(jié)構(gòu)材料和發(fā)動機材料。其中,機身結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有高的比強度和比剛度,以減輕無人機的結(jié)構(gòu)重量,改善飛行性能,還應(yīng)具有良好的可加工性,便于制成所需要的部件。
目前,低速無人機結(jié)構(gòu)用材主要是木材、塑料、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu),高速度無人機結(jié)構(gòu)多以鋁合金為主體材料,適當選用鈦合金或碳纖維復(fù)合材料與先進制造工藝方式相適應(yīng)的其他材料。以達到增加承載能力和減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的目的。
復(fù)合材料主要由基體材料和增強材料在特定工藝上黏結(jié)制作而成。無人機上最常用的復(fù)合材料有碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料。
復(fù)合材料具有輕質(zhì)、比強度高、比模量高、抗疲勞能力強、抗震能力強的優(yōu)點。同時,根據(jù)不同的加工工藝,它具備各向異性的特點,本身具有可設(shè)計性,在不改變結(jié)構(gòu)重量的情況下,可根據(jù)飛機的強度、剛度要求進行優(yōu)化設(shè)計。復(fù)合材料的耐腐蝕性能,可滿足無人機惡劣環(huán)境下長儲存壽命的特殊要求,降低使用維護的壽命周期成本。
碳纖維和玻璃復(fù)合材料在無人機上主要有兩種用途,一是整體成型,二是局部加強。
目前隨著無人機制造工藝的發(fā)展,前者應(yīng)用相對廣泛。采用整體成型的方式制造機身,機翼、尾翼等無人機部件,具有質(zhì)輕、批量生產(chǎn)等優(yōu)點,但其修復(fù)性較差,用于局部加強的纖維材料主要是單向碳片、雙向碳片、碳桿、碳管等,主要用在微型和輕型無人機局部加強件上。
1、微型無人機材料
一般重只有幾十到幾百克,速度為每小時幾十千米,機身表面承受載荷較小,所以對機身材料強度要求低于傳統(tǒng)無人機。由于動力裝置功率的限制,微型無人機對自身質(zhì)量要求非常高,要求材料密度盡可能小。
目前,微型無人機機身結(jié)構(gòu)多用輕質(zhì)材料,常用的非金屬材料有木材(包括輕木,桐木,層板,櫸木,樺木等)、復(fù)合材料(包括凱夫拉材料、碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料)、尼龍、紡織品和塑料等。
2、輕型無人機材料
輕型無人機速度低,機身和機翼承受載荷不高,故在材料選擇上更加強調(diào)“輕質(zhì)”。
輕型無人機的典型材料選擇是機身和機翼的起落架(滑橇)等主要承力部位用合金鋼、鋁合金等金屬材料,機身隔框等次要承力部位使用航空層板等輕質(zhì)材料,機身壁板、蒙皮、整流罩等用玻璃蜂窩夾層材料或玻璃纖維—碳纖維混雜結(jié)構(gòu)材料。
輕型無人機選用的復(fù)合材料以玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料為主,在保證強度的條件下降低成本。
3、小型和大型無人機材料
隨著飛行速度的提高,機身載荷增大,無人機材料也向金屬結(jié)構(gòu)過渡,高速度無人機中鋁合金用量明顯提高,部分用鈦合金。目前小型和大型無人機材料主要以鋁合金為骨架,其他部位大量用碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料。
隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展,大型無人機中復(fù)合材料用量越來越多,漸取代了鋁合金,成為高度無人機的主要材料?,F(xiàn)代有人機中復(fù)合材料比例最高的為五成,且目前的先進無人機中,復(fù)合材料用量遠超過五成。如全球鷹除機身主結(jié)構(gòu)外,其余結(jié)構(gòu)以復(fù)合材料制成,復(fù)合材料占機身的65%,甚至多款著名無人機復(fù)合材料用量超過90%。
在復(fù)合材料種類中,大型無人機與輕型無人機也有所區(qū)別。輕型無人機所用復(fù)合材料以玻璃纖維和芳綸纖維增強復(fù)合材料為主,大型無人機中多數(shù)以性能更好、價格更高的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料為主,為降低成本或調(diào)節(jié)性能,混雜部分玻璃纖維和芳綸纖維。
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