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复合材料在无人飞行器中的应用

发布日期:2015-08-24   访问量: 次 我要评论(条评论我要举报
自航空技术发明以来,工程师们一直致力于的一个课题就是开发无人机(无人机)进行军事行动,同时无需人为损失。 
    从军事到民用 
    这些机器的第一次使用是在1849年的第一次意大利独立战争中,奥地利军队使用了装有时间引信控制的炸弹的无人气球。 
    尽管世界各地的现代军队对这些无人机进行了广泛的军事应用,从情报到冲突地区的行动,但直到威尼斯‘drones’轰炸166年后,无人机才从军事转移到民用。 
    目前这些系统都是由世界各地的政府、私人公司和个人用于监测和执法以提高物流,甚至用于休息、拍照或拍视频。 
    减轻无人机的重量 
    技术的发展,如重于空气的航空器,无线电控制和视频已经帮助我们构建了标志性的飞机如MQ-1捕食者或DJI幽灵无人机,并且提高了无人机的公众兴趣。目前,无人驾驶飞机在未来的航空业,特别是在军事领域中有越来越重要的作用。 
    然而,由于无人驾驶飞机往往比传统的飞机更小并具有有限的燃油容量,其飞行时间往往显著低于载人飞机。当考虑到飞机的有效载荷时,该问题变得更加严重,载荷的范围可以从一组地狱火导弹到民用小型相机。 
    为了改善这种情况,飞机重量的减少是至关重要的,使用传统航空航天材料如铝6061-T6在无人机的建设上不是一个可行的设计方案。因此,复合材料在无人机的设计和制造中起着核心的作用。 
    复合材料 
    复合材料是由两种材料(基底或粘结剂和增强剂)或更多的具有不同物理或化学性质的成分组成。当这些材料相结合,新材料与各个组成部分具有不同的特点。 
    通常由纤维承担负载(70-90%的负荷),然后刚度和形状是由基底提供,其可以将负荷转移到纤维上并且通过将纤维隔开使得各个元素可以单独行动,停止或减缓裂纹的扩展。 
    然而,在处理复合材料时需要考虑的最重要的特性之一是它们的机械 性能,如强度,通常取决于所施加负载的方向。这些材料已经以混凝土和泥砖的形式应用了几千年,以及木材和骨头等天然复合材料。 
    航空工业复合材料的历史 
    复合材料对于航空航天工业并不陌生,早在上世纪40年代,玻璃纤维增强复合材料(GFRP)就已经开始以自己的方式进入航海工业。1944年第一架复合材料机身的飞机在美国起飞,一架实验性修改的VulteeBT-15。 
    在1960年初,复合材料以pre-pegs的形式使用,其是由一系列预浸渍环氧树脂的纤维增强塑料(FRP)组成。样品可以在AV-8BHarrier的翅膀和机身前部、A-320的尾部以及其他军用飞机中看到,如欧洲战斗机2000。 
    近日,空客公司将复合材料的使用从iconicA380的25%增加到新A350XWB的53%。波音公司也这样做:777结构的12%是由复合材料制成的,并且现在他们的最新飞机787是由50%的复合材料构成。这减少了787飞机20%的重量,并减少了预定的、非常规的保养,由于减少了腐蚀和疲劳的风险。 

    采用复合材料设计UVAs 
    这种复合材料的使用在无人机行业中得到了体现。2009年,一个对复合材料领域200个模型的调查发现所有的模型均具有复合材料部件并且很多实例报道了碳纤维在机身构建中的使用。 
    然而,对有效负载荷能力和无人驾驶性能要求的增加,使得工业上开发出另一种无人机结构建设的复合材料:碳纤维增强聚合物(CFRP),这是现在无人机机身建设使用的原材料。 
    在一般情况下,碳纤维复合材料使用热固性树脂,其在加热时发生固化时,作为基本的结构组成与碳纤维结合。这使得材料的重量比玻璃钢复合材料更轻、强度更大,即使与金属相比。 
    例如,钢结构的重量约为同等强度的碳纤维复合材料结构的5倍以上。然而,他们的高成本(比玻璃纤维贵5至25倍)已经抑制了这种材料在工业上的使用。此外,该材料具有导电性,使其不适于特定应用。 
    芳纶纤维/环氧树脂复合材料已用于螺旋桨结构,因为它比碳纤维更轻。考虑到无人机的几种设计由4个或更多的螺旋桨组成,这种材料的应用的具有相当大的优势。螺旋桨的惯性减小,从而降低了振动,有助于使无人机在飞行过程中更加稳定。
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