隨著碳纖維復合材料在大型民用客機上的廣泛應用，其在無人機上也被認為是解決減輕質量難題的最佳選擇。與傳統的金屬材料及復合材料相比，碳纖維復合材料具有輕質高強、抗疲勞和防鹽霧侵蝕的特性，應用于無人機結構中可以大大改善和提高無人機的綜合性能。據統計，目前，世界各國都在無人機上大幅度使用以碳纖維復合材料為主的先進復合材料，占到了結構總質量分數的60%～80%，使機體減質量25%以上。碳纖維復合材料的應用對無人機結構的輕質化、小型化和高性能化起到了至關重要的作用。

一、碳纖維復合材料應用在無人機上的優勢

比強度和比剛度大

相比于其它復合材料，在滿足無人機機體相同強度和剛度的前提下，碳纖維復合材料高比強度和高比剛度的特性能夠大大減輕無人機的機身質量，降低無人機的載荷成本，對無人機結構的輕質化、小型化和高性能化意義重大，以確保無人機擁有更長的飛行距離和飛行時間。

可整體一體化成型

無人機往往需要具有高度翼身融合的飛翼式總體氣動外形，需要在結構上采用大面積整體一體化成型技術。而碳纖維復合材料在模擬和仿真計算后，不僅可以通過模壓成型、熱壓罐外固化成型或RTM樹脂傳遞模塑成型等工藝進行大面積一體化整體成型，而且還可以引入自動化流水線生產工藝，提高效率，大大降低生產制造成本，非常適合大規模制造無人機的機身結構。

圖一 RTM樹脂傳遞模塑成型工藝示意圖

耐腐蝕和耐熱性好

碳纖維復合材料還具有優異的耐腐蝕和耐熱性能，能夠耐受自然界中的水和多種介質的腐蝕以及熱膨脹的影響，可滿足無人機各種環境條件下長儲存壽命的特殊要求，降低使用維護的壽命周期成本。

可植入芯片或合金導體

碳纖維復合材料還可以植入芯片或合金導體，形成具有智能的結構整體，可在惡劣環境下長期使用，且不會破壞植入的設備性能，能夠可靠的執行特殊任務。

二、碳纖維復合材料在無人機上的應用現狀

由于碳纖維復合材料在無人機上應用的諸多優勢，近年來，國內外大量的先進無人機都使用了碳纖維復合材料。例如美國的“全球鷹”無人偵察機、X-45系列無人戰斗機、“太陽神（Helios）”無人機、以及中國的“雷鳥”碳纖維無人機等多種無人機。

美國“全球鷹”碳纖維復合材料無人偵察機

“全球鷹”無人偵察機是由美國諾斯羅普？格魯曼公司研制的全世界最先進的無人機。其最大飛行速度740km/h，最大飛行高度近2×104m，續航時間長達42h以上，可從美國本土起飛到達全球任何地點進行偵察，完成跨洲際飛行。其最大起飛質量達1.161×104kg，可攜帶超過7000kg的機載燃料，它代表了目前高空長航時無人機的最高技術水平和發展趨勢。

圖二“全球鷹”無人偵察機

美國X-45系列碳纖維復合材料無人戰斗機

無人戰斗機一直是世界各國的研究關注熱點。目前世界上的主要航空大國都已經認識到無人戰斗機是未來航空武器裝備的一個重要發展趨勢。為了盡可能的降低結構質量，無人戰斗機結構的一個顯著特點是大量應用復合材料，特別是碳纖維復合材料，且遠遠超過有人戰斗機的應用水平。

美國“太陽神”碳纖維復合材料無人機

美國宇航局和航空環境公司曾研制過“太陽神（Helios）”太陽能無人機，其主要承力結構就采用了碳纖維復合材料，大大降低了機身質量，可環繞地球長時間連續飛行。這架飛機的展長75.3m，遠超波音747的展長，弦長2.44m，主結構由碳纖維/環氧樹脂復合材料制成，全機均勻分為6段，每段連接處都有一個復合材料艙，用來裝載有效載荷。太陽能硅片布滿整個上翼面，驅動14臺電動發動機，各帶動一個雙葉螺旋槳。

圖三“太陽神（Helios）”太陽能無人機

美國哈佛“昆蟲”碳纖維復合材料無人機

據報道，2014年美國哈佛大學的科學家們在昆蟲的啟發下，研制出如蒼蠅般大小的機器人將成為世界上最小的無人機，其小巧程度也成為了無人機研發領域中的最新突破。該無人機的主體由碳纖維制成，質量僅106mg。所以，這也是世界上最為小巧和輕便的無人機。這款無人機有一對通過導電的“肌肉”來供應能量的“翅膀”。整個無人機的能量供應和控制都要經過一根輕量級的系繩線，因此能夠像自然界隨處可見的昆蟲那樣進行各種敏捷的回旋“飛舞”。由于其“頭部”安裝有金字塔狀的光傳感器，所以它可以平穩地飛行。此外，在其光敏“眼睛”的導航下，無人機也不會迷失方向。

中國“雷鳥”碳纖維復合材料無人機

我國無人機的研制工作也在積極進行之中，采用材料也開始從玻璃纖維復合材料，逐漸轉向碳纖維復合材料。2013年，中國首架應用碳纖維復合材料和燃料電池動力的“雷鳥”無人機首次亮相，其機身和機翼為全碳纖維復合材料。

圖四 中國“雷鳥”碳纖維復合材料無人機

三、無人機用碳纖維復合材料研發趨勢

綜上所述，近年來各國無人機在碳纖維復合材料方面的應用都取得了長足的發展，主要表現在以下幾個方面：1、研究完善適用于無人機機身碳纖維復合材料的設計及工藝體系；2、降低無人機使用碳纖維復合材料的成本；3、開展無人機碳纖維復合材料結構設計研究；4、研發新的碳纖維復合材料制造成型工藝技術；5、發展隱身技術；6、低成本碳纖維復合材料無人機修補技術。

參考文獻：

1、無人機結構復合材料應用進展，程文禮，邱啟艷，趙彬

2、先進復合材料在無人機和太陽能飛機上的應用，黃春芳，曾竟成，江大志，鞠蘇，石剛

3、碳纖維復合材料在無人機上的應用，趙凱，陳虹，張婧，于今，張定金

4、復合材料在無人機上的應用與展望，袁立群，單杭英，楊忠清，樊芃