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解析缘何无人机系统会大量使用碳纤维复合材料
文章来源: 碳纤维及其复合材料技术     点击数: 次     更新时间:2020-06-12 14:18

 无人机(Unmanned aerial vehicle, UAV)已经发展并使用了很多年,也有一些其他术语来形容这个市场,包括通常用于描述小型系统的无人机和用于军事用途的无人机系统(Unmanned aerial system, UAS)。

 

美国空军引进了ORB这个术语,用来描述自主或半自主的中小型有人和无人驾驶航空系统。ORB可以载人、载物或传感器,并可用于商业和军事应用。在这里,将专注于无人机以及该市场对材料和飞机结构需求。目前,几乎所有的无人机结构都是由碳纤维复合材料制成的,下面来讨论一下是何原因让无人机系统大量采用了碳纤维?

 

轻量化

 

所有航空航天系统都需要具备轻量化特性。结构越轻,运行效率越高,覆盖范围越广,承载的有效载荷越大,在高空停留的时间也越长。由于无人机为无人驾驶,它们需要传感器、摄像机和电子设备。减轻结构的重量就意味着可以携带更多的传感器、更多的有效载荷以及在空中停留更长时间。

 

小型无人机主要依靠电池供电,而且电池很重,因此这就进一步需要减轻结构其余部分的重量。如今,几乎所有的无人机结构都是由碳纤维复合材料制成的。与之形成鲜明对比的是,如今的商用飞机结构大部分除了碳纤维复合材料以外,还采用了铝和钛等金属制成。最新的商用飞机系统使用约50%的碳纤维复合材料,并且在未来应用可能会进一步增加。

 

复合材料为轻型飞机提供了一些了优势。碳纤维本身重量轻,密度低于2g/cm³。作为对比,水的密度为1g/cm³,铝为2.7g/cm³,钛为4.5g/cm³。对于碳纤维复合材料,碳纤维通常被嵌入环氧树脂或热塑性材料的基体材料中,这些材料的密度通常在1到1.4g/cm³之间。而碳纤维复合材料通常由35%到45%的碳纤维组成,因此复合材料的总密度在1.3到1.6g/cm³之间。

 

刚度重量比(比刚度)

 

另一个重要的原因是碳纤维具有较高的刚度重量比,也称为比刚度或比模量。刚度是测量施加荷载时材料拉伸的程度。在给定载荷下,较硬的材料的拉伸量比较低的材料小。比刚度越高,给定刚度临界结构应用的材料越好。

 

高比刚度材料广泛应用于航空航天领域。一般而言,钛的比刚度为25,铝的比刚度为26,碳纤维复合材料的比刚度为113。对于航空航天应用,刚度是非常重要的。对于空气动力学,希望结构保持相对刚性以保持其空气动力学形状。此外,刚度对于旋转叶片(如转子、螺旋桨或发动机风扇叶片)和承受增压循环的结构非常重要。

 

强度重量比(比强度)

 

与刚度重量比相似,航空航天结构设计也需要高强度重量比的材料,这也被称为比强度。强度是结构在断裂或失效前所能承受的载荷量。比强度越高,材料在给定结构荷载下的性能越好。

 

如前所述,碳纤维具有很高的刚度,但它可以以很少的伸长而断裂。对于金属而言,由于产生塑性变形,金属在断裂前往往会出现明显拉伸和变形。金属结构在承受高负荷时容易凹陷,并且可能需要大量力才能使金属撕裂和断裂。碳纤维复合材料不会永久变形,但会在延伸率很小的情况下断裂。

 

由于碳纤维复合材料非常坚硬,在断裂之前需要承受很大的载荷。对于航空航天而言,高比刚度和高比强度材料是首选的,并且两者的组合是材料选择的关键驱动力。在载荷下保持其形状的刚性比永久变形的材料要好,它们应能承受高飞行载荷而不断裂。铝的比强度为115,钛的比强度为76,碳纤维复合材料的比强度为785。

 

因此,碳纤维复合材料具有很高的比刚度和强度,这使得它成为航空航天应用的首选材料。下图1显示了碳纤维优异的比强度和比刚度。

 

图1 碳纤维优异的比强度和比刚度(比模量)

 

易于设计与装配

 

轻质结构的另一个重要方面是设计和装配。可以增加重量设计的一个方面是紧固件的使用。在结构中用于紧固件连接部件的钻孔会增加重量,且这些孔会削弱结构。

 

连接点也会成为应力集中点,因此它们可以承受比周围结构更高的局部载荷,因此需要通过浇注、成型和模制等技术来减少对紧固件的需。使用碳纤维增强材料的增材制造技术也可以生产传统上需要复杂几何结构的部件。

 

性能优异且更轻的蜂窝材料

 

蜂窝芯材料是航空航天系统中常用的材料。结构刚度特别是弯曲刚度,会随着厚度的增加而增加。蜂窝芯材料由于其主要由空气组成,因此具有固有的轻质材料结构,用于增加厚度而不增加很多重量。蜂窝芯材的一个典型用途是将其夹在两个复合材料面板之间。这充分利用了复合材料的刚度和强度,同时以最小的附加重量增加了结构的抗弯刚度。蜂窝芯材料由塑料和纸基系统或铝制成。蜂窝芯材料还可以提高结构的冲击寿命,并有助于抑制来自发动机和推进系统的噪音。

 

可靠性

 

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用已有50多年的历史。它们作为军用和商用飞机以及旋翼机的主要结构也已经使用了30多年。碳纤维复合材料被联邦航空管理局(FAA)和欧盟航空安全局(EASA)批准使用,并进行了重要的材料和结构试验,制定了设计准则。安全可靠的运行是民航防止人员伤亡的关键,但对无人系统来说也是非常重要的。如果无人机在军事应用中出现故障,信息丢失可能导致重大损失。

 

其他优异特性

 

复合材料可以改善无人机系统的电磁特性。由于这些系统是无人操作的,因此需要通过无线或卫星通信与地面站进行高效可靠的通信。复合材料可以调谐以吸收某些电磁频率并通过其他频率。复合材料用于保护发射和接收天线的天线罩,天线罩的材料和结构可以设计成允许有效通信,同时屏蔽来自其他来源的信号。蜂窝芯材料也常用于天线罩。碳纤维复合材料也是隐身技术中的一个关键组成部分,因为碳纤维复合材料能够使得无人机“隐藏”不被敌人发现。

 

复合材料提供了更多的性能,进一步提高了其可靠性。它们不会腐蚀,因此无需进行腐蚀检查和修复。复合材料具有很强的抗疲劳性能,因此与金属不同,它们不会在反复循环荷载作用下形成裂纹。复合材料结构几十年来一直是军用航空和航天作战的一部分,在极端恶劣的环境和热载荷下表现良好。复合材料结构可以采用成熟的修补方法进行修补,在使用寿命结束时,材料可以回收再利用,并在其他应用中重复使用。(主要参考Hexcel)

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