為了適應當下高強度、高科技和高信息化作戰,以及越來越依靠網絡中心作戰環境要求而衍生出的新型軍用飛機—軍用無人機。作為新一代的無人偵探、無人作戰的新一代軍用機,目前已有幾十個國家對此進行研發,并且有五十多個國家將軍用無人機列入了軍用裝備中。
碳纖維復合材料具有輕質高強、比模量高、抗疲勞性好、可設計性強等諸多優點,在航天制造業得到了廣泛應用,同時,也逐漸開始嘗試將碳纖維復合材料應用于軍用無人機中。但軍用無人機是工作環境是瞬息多變的戰場,需要執行復雜的戰略、戰術任務,這也對碳纖維復合材料提出了更加嚴苛的要求。為此,可以從以下幾個方面來進行突破。
1、一體化成型集成技術
在軍用無人機的設計中要綜合考慮外形構造、機械強度、氣動特性、安全性能等多方面之間的交叉耦合關系,從而在的設計、制造、測試、使用和維護等諸多方面需要開展多個層次上的一體化集成結構設計,以便保證無人機不僅具有良好的空氣動力學性能,而且還具有穩定的電磁兼容性和較高的雷達隱身特性。
碳纖維復合材料在軍用無人機上的使用,一方面為結構設計一體化的實現提供了更加廣闊的操作空間,這是因為基于數字化和自動化技術,可以對碳纖維復合材料進行氣動彈性剪裁設計和大面積整體化成型;另一方面,碳纖維和其他基體材質可以進一步復合成結構/阻尼、結構/隱身、結構/防熱等結構/功能一體化碳纖維復合材料,并且還可在碳纖維復合材料的內部嵌人智能材料,提高無人機的自診斷、自適應和自修復的能力。
2、損傷容限失效評估技術
相比于有人機,軍用無人機盡管不需要考慮人的生理承受能力,可以設計較低的安全系數(1—1.5),并且還可以設計較大的過載荷系數(15—20g),但是對于以碳纖維復合材料為主體結構的無人機,尤其是大面積整體化碳纖維的使用,往往容易發生由微觀損傷演變成宏觀失效,并且由于成型工藝的不穩定性,加大了碳纖維的質量控制難度。
因此建立碳纖維的損傷容限失效評估模式,確定碳纖維的疲勞壽命和無人機的使用壽命,積累相關的性能數據和使用經驗,以及制訂新的計算準則和設計規范,將對軍用無人機的結構設計、生產制造、試飛驗證等諸多方面具有積極的指導。
3、低成本技術
無人機相對于有人機的一大技術優勢就是制造成本低,因此從軍用無人機的結構設計和制造生產出發,大力發展低成本材料技術、低成本設計技術以及尤為重要的低成本制造技術,將會顯著地擴大碳纖維在無人機上的應用范圍。
目前,國內外眾多無人機廠家已經普遍地將關注點由碳纖維的性能轉入到低成本制造技術,由此也開發出自動帶料鋪層、自動纖維纏繞、樹脂傳遞模塑(RTM)、預浸料技術、電子束固化等低成本制造技術。挪恩復合材料也積極優化加工工藝,降低碳纖維使用成本,以挪恩復材為國內某無人機廠商定制的碳纖維外殼為例,不僅在輕量化方面滿足需求,而且成本方面也相較早期同類型產品低約10%。
碳纖維自身優良特性和良好的結構設計性,為軍用無人機的發展提供了新的解決思路,也是目前最好的解決方案之一,因此碳纖維復合材料在軍用無人機方面的應用前景必將十分廣闊,同時這也將從根本上對軍用無人機的生產制造和結構設計產生巨大沖擊。