長航時無人機是指續(xù)航時間為十幾小時、幾十小時乃至幾天的無人駕駛空中飛行器。它可以完成巡邏、監(jiān)視、情報偵察、電子對抗、新武器鑒定、對地攻擊乃至空中打擊等多種形式任務(wù)。由于這種無人機的飛行時間特別長，也常被稱為“大氣層人造衛(wèi)星”。長航時無人機一般可分為兩種，即中空長航時無人機和高空長航時無人機。中空長航時無人機的飛行時間多在12 h以上，其中飛行時間在10 h - 30 h范圍的占93% 左右，30 h - 50 h范圍的約占7%，比如典型的中空長航時無人機RQ-1L“捕食者”的最大續(xù)航時間就在40 h左右。高空長航時無人機的飛行時間多在24 h以上，其中飛行時間在12 h - 20 h范圍的約占6%左右，20 h - 80 h范圍的約占62%，120 h以上的占31% 左右。從當前長航時無人機的發(fā)展情況可以看出，高空長航時無人機是主要發(fā)展方向，且飛行高度和續(xù)航力將得到不斷提高，續(xù)航時間由幾天增加到幾個月，甚至1年，日歷壽命將達到30年，飛行總小時數(shù)達到8000 h。

 

 長航時無人機在機體結(jié)構(gòu)設(shè)計中最大的特點是采用了大展弦比復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機翼。除了環(huán)境因素對復(fù)合材料本身的作用，大展弦比結(jié)構(gòu)以及相關(guān)涂層體系施加也都對長航時無人機機翼復(fù)合材料損傷的發(fā)生和發(fā)展帶來了影響。

 

（1）環(huán)境因素對復(fù)合材料的作用

 

 為了滿足長時間飛行的要求，長航時無人機需要重量輕的機體結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料具有比強度和比剛度高、抗疲勞性能好的特點，應(yīng)用于飛機機體結(jié)構(gòu)當中可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重25% - 30%（減小起飛重量） [4]。同時，復(fù)合材料本身具有可設(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、剛度要求進行設(shè)計。因此，復(fù)合材料大量用于長航時無人機機體結(jié)構(gòu)尤其是機翼和尾翼等部件。但是，復(fù)合材料的應(yīng)用也存在著一些問題和不足。例如，

 

 （a）復(fù)合材料的基體和增強體均具有吸濕性，能吸收環(huán)境中的水分發(fā)生膨脹 [16]，致使機翼重量增加；在環(huán)境干燥時又釋放水分達到與環(huán)境濕度的平衡。這種濕度的周期變化使復(fù)合材料的最高使用溫度和結(jié)構(gòu)壓縮性能嚴重降低。

 

 （b）長航時無人機在執(zhí)行任務(wù)過程中反復(fù)經(jīng)歷晝夜更替，機翼表面白天受到太陽輻射的作用升溫，夜晚降溫。高分子樹脂基體和碳纖維增強體的熱膨脹系數(shù)不同，周期的溫度變化將減小基體和增強體之間的界面結(jié)合力，對復(fù)合材料的完整性產(chǎn)生不利影響。

 

  （c）大氣溫度的垂直分布為由地表附近向上遞減直至高度14 km的對流層頂，再向上則又遞增。長航時無人機的主要工作高度為9 km至17 km，這使其長期處于低溫環(huán)境中。高分子樹脂基體在長時間的低溫環(huán)境中脆性升高，韌性減弱。

 

  （d）從地面到25 km的長航時無人機飛行高度層中，臭氧層對紫外輻射有不完全的吸收，吸收率隨高度的升高而減小；高度越高，透過臭氧層的紫外輻射越向短波長、高能量的UV-C波段移動，即從能量分布來講，高能量紫外輻射所占比例越大。長時間太陽輻射造成高分子樹脂基體的分解，使復(fù)合材料在壽命期內(nèi)性能退化甚至失效。

 

 因此，在長航時無人機服役過程中，濕度、溫度、紫外輻照等環(huán)境因素的綜合作用使機翼復(fù)合材料產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸改變和力學(xué)性能降低，甚至誘發(fā)飛行器事故。

 

（2）大展弦比結(jié)構(gòu)的影響

 

    除了大量采用碳纖維增強高分子樹脂基復(fù)合材料外，長航時無人機為提高飛行性能在布局上普遍選用大展弦比機翼（通常展弦比大于5）來增加飛機的升阻比，增大航程和延長續(xù)航時間。例如，美國的“全球鷹”和“暗星”長航時無人機的展弦比分別達到了25和14.83（改進型“全球鷹”RQ-4B飛機機翼翼展長達39.9 m，長于波音737飛機的機翼 [5]）。然而，這種大展弦比機翼在受到氣動載荷時會產(chǎn)生很大的上翹和扭轉(zhuǎn)變形，機翼根部彎矩大 [2]，上壁板容易發(fā)生受壓屈曲。柔性機翼的這種靜氣動變形還會與濕度、溫度、紫外輻照等環(huán)境因素產(chǎn)生耦合作用，誘發(fā)復(fù)合材料損傷、失效，影響長航時無人機的飛行安全。

 

 （3）涂層體系的影響

 

   長航時無人機機翼復(fù)合材料表面涂覆了防雷擊噴鋁條（包括封閉工藝）、底漆有機涂層、抗雨蝕涂層等多種涂層。這種多組元體系在長時間低溫、強紫外輻照以及高空-地面溫度交變的條件下容易產(chǎn)生界面缺陷，缺陷進一步擴展則可能引起復(fù)合材料表面損傷或者導(dǎo)致涂層剝落，使復(fù)合材料失去保護直接暴露于環(huán)境中。

 

 （1）國外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

 

   早在2005年美國防部就發(fā)布了《2005 - 2030年無人機系統(tǒng)線路圖》 [3]，并每兩年發(fā)布一次，列出以后25年內(nèi)開發(fā)無人機系統(tǒng)的技術(shù)目標，對未來無人機采用的新技術(shù)、可能實現(xiàn)的能力等進行規(guī)劃。其中明確強調(diào)“優(yōu)先發(fā)展聯(lián)合無人作戰(zhàn)系統(tǒng)”，即由空軍和海軍兩個無人作戰(zhàn)飛機計劃合并產(chǎn)生，以后無人機將朝著適用于多兵種復(fù)雜環(huán)境作戰(zhàn)需求的方向發(fā)展，這也就對無人機機體結(jié)構(gòu)適應(yīng)環(huán)境的能力提出了更高要求。

 

  關(guān)于環(huán)境因素對復(fù)合材料的作用，國外針對復(fù)合材料在各種服役條件中的性能數(shù)據(jù)和損傷規(guī)律已經(jīng)進行了大量的積累和研究，并形成了相應(yīng)的復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫；在實驗室內(nèi)研究了濕度、溫度、化學(xué)介質(zhì)、紫外輻射等環(huán)境因素對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，制定了一系列實驗室試驗評價方法，為復(fù)合材料的應(yīng)用提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

 

（2）國內(nèi)研究現(xiàn)狀及目前存在的問題

 

  我國軍用無人機研制開發(fā)起步較晚，相關(guān)的復(fù)合材料應(yīng)用研究基礎(chǔ)較薄弱。關(guān)于環(huán)境因素對復(fù)合材料的影響研究主要有以下幾方面。探討了碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料與航空鋁合金、鎂合金、鈦合金和鋼在腐蝕性環(huán)境中的電偶腐蝕行為和機理，建立了碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料與金屬電偶腐蝕的防護和控制方法 [6-12]；開展了典型復(fù)合材料在自然環(huán)境中的戶外暴露，積累了復(fù)合材料在自然環(huán)境作用下的力學(xué)性能變化規(guī)律 [13]；研究了復(fù)合材料在濕熱環(huán)境以及液壓油、潤滑油、煤油、清洗劑等化學(xué)介質(zhì)中的力學(xué)性能和化學(xué)成份變化，建立了合理快速的實驗室加速老化方法 [14-16]；研究了復(fù)合材料在自然環(huán)境中沖擊損傷阻抗的劣化規(guī)律，以及受到預(yù)沖擊損傷的復(fù)合材料在自然環(huán)境中損傷容限的變化規(guī)律。

 

具體在長航時無人機機翼復(fù)合材料在服役環(huán)境中的損傷研究方面，尚存在以下不足：

 

    （a）尚未開展針對長航時無人機服役條件下復(fù)合材料損傷規(guī)律的研究，例如，在材料研制和選用過程中，開展了國軍標規(guī)定的-55 °C至150 °C范圍內(nèi)的力學(xué)性能試驗，即從標準試驗的角度出發(fā)研究了復(fù)合材料的損傷問題，而用于制造機翼的復(fù)合材料長時間處于高空低溫環(huán)境中，材料在經(jīng)歷長時間低溫和溫度反復(fù)變化后的性能試驗尚未開展。

 

    （b）偏重于考察單項環(huán)境因素對復(fù)合材料的老化作用，較少開展多項環(huán)境因素和載荷因素耦合作用對復(fù)合材料影響的研究。

 

    （c）重視復(fù)合材料、涂層本身性能的研發(fā)而忽略了材料之間的組合對材料性能發(fā)揮的影響，例如復(fù)合材料表面涂覆防雷擊噴鋁條（包括封閉工藝）+有機涂層，在長時間低溫、強紫外輻照以及高空-地面溫度交變的條件下，材料之間膨脹系數(shù)的差異是否會在材料界面誘發(fā)缺陷從而引起復(fù)合材料表面損傷尚不得知。

 

 

    前文探討了長航時無人機機翼復(fù)合材料在服役環(huán)境中的損傷以及相關(guān)研究方面存在的問題。建議未來以長航時無人機為研究背景，以機翼典型碳纖維增強高分子樹脂基復(fù)合材料和涂層體系為主要研究對象，開展跟隨無人機的暴露試驗和實驗室模擬加速試驗，研究復(fù)合材料在環(huán)境和載荷耦合作用下的力學(xué)性能變化，確定機翼典型復(fù)合材料的損傷規(guī)律。研究成果可以為長航時無人機機體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計和選材提供依據(jù)，避免設(shè)計失誤和設(shè)計過分導(dǎo)致的浪費，同時也為將來其它航空武器裝備復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可靠性研究和及時維護提供指導(dǎo)。

 

    駱晨，畢業(yè)于英國曼徹斯特大學(xué)，材料學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任北京航空材料研究院高級工程師，主要從事腐蝕與防護、環(huán)境試驗與觀測研究工作，承擔國家自然科學(xué)基金項目、國防科技工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)科研項目以及航空型號任務(wù)等研究工作，發(fā)表科技論文20篇，獲得專利1項，獲得國防科技進步三等獎1項（排名第4），中國航空工業(yè)集團公司科技進步二等獎3項（排名第1、4、13），入選中國科協(xié)首屆“青年人才托舉工程”。

 

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責任編輯：王妮

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