關(guān)于無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的討論《免費(fèi)》

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1、 關(guān)于無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的討論 作者：何景武 范曼華 張曉鷗 (北京航空航天大學(xué)，北京 100083) 摘要：從無人機(jī)同有人機(jī)的設(shè)計(jì)、研制、經(jīng)費(fèi)及使用維護(hù)等多方面出發(fā)，進(jìn)行對比分析，較為深入地分析了無人機(jī)同有人機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的差別，分析無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的 特點(diǎn)，最后具體地說明了需要加強(qiáng)研究和值得關(guān)注的無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。 關(guān)鍵詞：無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 一、前言 無人機(jī)同民用飛機(jī)、軍用飛機(jī)等有人機(jī)相比，在飛機(jī)的使用要求、任務(wù)使命等多方面都有所不同，所以，無人機(jī)在總體設(shè)計(jì)、氣動(dòng)特性要求及結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)要求等方面同有人機(jī)相比有一定的差別。因此，不宜直接將民用、軍用等方面的有人飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想

2、完全照搬地應(yīng)用到無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，而必須根據(jù)無人機(jī)研制的具體要求和特點(diǎn)進(jìn)行無人機(jī)的設(shè)計(jì)和研制。 當(dāng)然，無人機(jī)同有人機(jī)相比也有很多共同的特性，因此，在無人機(jī)的研制當(dāng)中也有必要參考有人機(jī)多年的研制經(jīng)驗(yàn)和成熟的研制技術(shù)。如何把握好無人機(jī)同有人機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的差別，在滿足戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求的前提下，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)的、合理的無人機(jī)結(jié)構(gòu)是當(dāng)前無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中值得關(guān)注的一個(gè)問題。 由于沒有駕駛員生理?xiàng)l件的要求，無人機(jī)飛行性能的可設(shè)計(jì)空間非常之大，起飛著陸的方式也可以多種多樣。由此，導(dǎo)致了無人機(jī)門類的眾多，各式各樣的無人機(jī)，各種用途的無人機(jī)相繼問世。由于無人機(jī)門類的眾多，使得無人機(jī)的分類問題難以給出明確的定義，

3、也使得總結(jié)無人機(jī)的研制規(guī)律難度增加。 本文根據(jù)目前已知的國內(nèi)外無人機(jī)的研制情況和使用情況，對比有人機(jī)來分析無人機(jī)的特點(diǎn)。在總結(jié)、分析無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、研制及使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，力圖說明一些有關(guān)無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思想、規(guī)律和特點(diǎn)，討論無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)；同時(shí)較為深入地分析無人機(jī)同有人機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的差別，在此基礎(chǔ)上具體地說明了需要加強(qiáng)研究和值得關(guān)注的無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。 本文討論的主要是固定翼類的無人機(jī)。 二、無人機(jī)的特點(diǎn)分析 據(jù)統(tǒng)計(jì)，在有人駕駛的戰(zhàn)斗機(jī)上，飛行員的體重占飛機(jī)有效載重的15％，與飛行員相關(guān)的救生系統(tǒng)、座艙環(huán)控系統(tǒng)、氧氣冷氣系統(tǒng)和電子支援系統(tǒng)等也占據(jù)了飛機(jī)相當(dāng)部分的重量和研

4、第二屆無人機(jī)發(fā)展論壇論文集設(shè)計(jì)與技術(shù)制經(jīng)費(fèi)。對于無人機(jī)，則不需要這些系統(tǒng)和裝備，或可以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行減免。這樣，飛機(jī)結(jié)構(gòu)就會(huì)省出很多空間，結(jié)構(gòu)的布局和機(jī)載設(shè)備的安排就可以重新考慮。由于人的生理原因，新型戰(zhàn)斗機(jī)的過載一般限制為lOg,而對于無機(jī)，其過載可達(dá)209或更多，所以，無人機(jī)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需要放寬一些限制，包括：速度、高度、過載、航時(shí)等，機(jī)動(dòng)性能也可以進(jìn)行較大幅度的提高。在無人機(jī)上，由于沒有駕駛員，所以也不需要座艙及相關(guān)設(shè)備，這樣就可以縮小飛機(jī)的外形尺寸。據(jù)計(jì)算，性能相同的無人機(jī)和有人駕駛飛機(jī)相比，尺寸可減小約40％。有人駕駛飛機(jī)的價(jià)格，隨著社會(huì)的發(fā)展成倍的增長。F一22飛機(jī)的單價(jià)達(dá)到了

5、1億美元。至于轟炸機(jī)，價(jià)格更是驚人了。像B一2隱身轟炸機(jī)，它的造價(jià)是4．5億美元。而無人機(jī)的價(jià)格普遍低于有人機(jī)，有的降低三分之一，有的可以說是一個(gè)數(shù)量級(jí)。在飛機(jī)的外場使用、維護(hù)方面，統(tǒng)計(jì)表明，一架戰(zhàn)斗機(jī)在其整個(gè)壽命期的維護(hù)費(fèi)用是該機(jī)購買價(jià)格的六倍。而無人機(jī)，特別是無人戰(zhàn)斗機(jī)，則可以長期保存在倉庫里面，可以在倉庫里放十年或者更長的時(shí)間。這樣，使用維護(hù)費(fèi)用可大大減少，據(jù)軍方估計(jì)可以減少80％。由于飛機(jī)長時(shí)間地存放在倉庫里所以飛機(jī)使用的頻次較少，這樣飛機(jī)使用的重復(fù)載荷導(dǎo)致的機(jī)體結(jié)構(gòu)的損傷也就大大地降低。在飛行方面，無人機(jī)的訓(xùn)練跟有人機(jī)不太一樣。對于有人機(jī)，飛行員必須駕駛飛機(jī)到空中去飛，飛一次就要幾萬

6、美元，這里包括飛行員保養(yǎng)、各種油料、地勤人員工作、場站管理人員配合等多方面費(fèi)用。而無人機(jī)則不同，操作人員(相當(dāng)于飛行員)可以在虛擬的座艙里面進(jìn)行訓(xùn)練。因?yàn)槿瞬辉陲w機(jī)上，“駕駛員”是在操縱鍵盤，這樣，就可以使用虛擬的訓(xùn)練系統(tǒng)，所以費(fèi)用大大減少。對于無人機(jī)，一個(gè)操作員可以同時(shí)控制幾架甚至數(shù)十架的無人機(jī)，而有人機(jī)的駕駛員則不可能在空中一個(gè)人開兩架飛機(jī)。所以可以減少對飛行員的培養(yǎng)，這個(gè)費(fèi)用也就大大地減少。所以說無人機(jī)的使用費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用是很低的，同時(shí)無人機(jī)還避免了參戰(zhàn)人員的傷亡。 無人機(jī)除了尺寸小、重量輕、速度快等特點(diǎn)外，還具有升限高、價(jià)格低、使用簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。無人機(jī)可以根據(jù)需要采用多種方式

7、進(jìn)行起飛(發(fā)射)和降落(回收)。由于飛機(jī)上沒有駕駛員，無人機(jī)可以長時(shí)間地進(jìn)行續(xù)航，少則幾天，多則幾十天；可以超長距離地進(jìn)行續(xù)航。無人機(jī)可以根據(jù)某一軍種的需要研制特殊型號(hào)的飛機(jī)，即專用無人機(jī)；也可以跟據(jù)需要研制出一機(jī)多用的機(jī)型，以適應(yīng)戰(zhàn)場變化的需求。隨著高新技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用，隨著思想觀念的更新，在無人機(jī)上安裝大氣層截?fù)魧?dǎo)彈，可截?fù)粼谥贫物w行的彈道導(dǎo)彈。在無人機(jī)上安裝先進(jìn)中程窄對空導(dǎo)彈、高速火箭導(dǎo)彈，就可以對敵方飛行器進(jìn)行空中攔截打擊。無人機(jī)攜帶攻擊性武器，還可對縱深之?dāng)澈偷孛婺繕?biāo)進(jìn)行攻擊。目前先進(jìn)的無人機(jī)可以在數(shù)千里之外的地面控制人員的操作下發(fā)射火箭，這就使無人機(jī)具有了很強(qiáng)的攻擊性。

8、 雖然無人機(jī)與有人機(jī)相比，具有價(jià)格低廉，機(jī)體小，機(jī)動(dòng)靈活，起飛不受限制，無人員傷亡，空勤保障簡單，必要時(shí)可與敵同歸于盡等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些弱點(diǎn)和不可靠的地方。經(jīng)驗(yàn)表明，目前無人駕駛戰(zhàn)機(jī)的“綜合素質(zhì)”還不敵那些服役二三十年的有人駕駛戰(zhàn)機(jī)。統(tǒng)計(jì)表明，每10萬小時(shí)飛行時(shí)間內(nèi)，有人駕駛戰(zhàn)機(jī)墜毀兩次，而無人駕駛的“捕食者”是43次， “全球鷹”是167次。在技術(shù)上，因無飛行員，且機(jī)載系統(tǒng)復(fù)雜，也給其飛行帶來不便。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，無人機(jī)本身不能排除故障，也不能作出瞬時(shí)調(diào)整，而通常要返回基地，所以較容易發(fā)生摔設(shè)計(jì)與技術(shù) 第二屆無人機(jī)發(fā)展論壇論文集機(jī)事故。由于無人機(jī)自身攜帶的傳感器少，在很大程度上要依賴于離機(jī)的

9、各種傳感器來獲取信息，這就存在著一個(gè)大量信息流如何管理的問題。另外，無人機(jī)與操縱人員之間的交互作用、協(xié)調(diào)和變化的程度要比有人作戰(zhàn)飛機(jī)復(fù)雜得多。一方面要求機(jī)載設(shè)備的智能化程度高，要有安全可靠且冗長的數(shù)據(jù)鏈。另一方面對操縱人員的素質(zhì)要求也很高，操縱人員不僅要監(jiān)控飛機(jī)的飛行狀態(tài)，適時(shí)改變航向，更重要的是，必須在關(guān)鍵時(shí)刻從“控制中心”發(fā)送動(dòng)作指令，使飛 機(jī)能夠?qū)崟r(shí)決速地機(jī)動(dòng)或攻擊。在戰(zhàn)術(shù)上，無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，無法及時(shí)判斷地面真假目標(biāo)，遇到空中威脅時(shí)，不能做到先機(jī)制敵或改變航線。雖然實(shí)施高空偵察，但有時(shí)為了拍攝準(zhǔn)確圖像，通常要實(shí)施低空偵察飛行，易被地面火器擊中。無人機(jī)的飛行速度和航線一般比較固定，即使改

10、變航線，也得進(jìn)行大角度爬升，這就給敵方提供了有利戰(zhàn)機(jī)。另外，與其它飛機(jī)機(jī)載電子偵察系統(tǒng)一樣，無人機(jī)在使用中受天氣、煙霧、偽裝和電子干擾的影響較大，甚至?xí)プ饔谩? 目前，無人機(jī)還不能完全代替有人駕駛飛機(jī)，而無人機(jī)獨(dú)有的性能也是有人駕駛飛機(jī)不能替代的。例如，無人機(jī)可在核、生、化環(huán)境下執(zhí)行探測任務(wù)，可作雷達(dá)誘餌和靶機(jī)使用。無人機(jī)結(jié)構(gòu)形式簡單、造價(jià)低、易于研制、便于維護(hù)，這些特點(diǎn)也是有人駕駛飛機(jī)所無法實(shí)現(xiàn)的。因此，無人機(jī)發(fā)展的領(lǐng)域主要是針對有人機(jī)和衛(wèi)星所難以達(dá)到的應(yīng)用領(lǐng)域。而隨著無人機(jī)研制技術(shù)、研制水平及智能化程度的提高，無人機(jī)將可以取代部分有人機(jī)或衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域；或?qū)τ腥藱C(jī)和衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行補(bǔ)

11、充，更好地完成相應(yīng)的任務(wù)。 三、無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 這里所說的無人機(jī)結(jié)構(gòu)主要是指無人機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、起落裝置(發(fā)射回收裝置)、操控裝置等各飛機(jī)部件及各裝置(系統(tǒng))的結(jié)構(gòu)部分。前面對無人機(jī)特點(diǎn)的討論，說明了無人機(jī)同有人機(jī)在設(shè)計(jì)上、使用上及研制要求上的一些差異。正是由于考慮到無人機(jī)同有人機(jī)的這些差異，使得無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、研制和使用維護(hù)等方面具有了其自身的一些特點(diǎn)。對于無人機(jī)，由于機(jī)上沒有駕駛員，不存在人的生理環(huán)境要求，因此在機(jī)體結(jié)構(gòu)的安全要求、結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度要求等方面可作適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，可以把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的較為簡單、輕(方)便和靈巧。同有人機(jī)相比，無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、研制及使用有以下一些

12、特點(diǎn)。 1．在無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求上同有人機(jī)的主要差異表現(xiàn)在安全系數(shù)的選取、安全裕度的控制以及總體設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。由于無人機(jī)上不需要安置座艙及其相應(yīng)的設(shè)備，飛機(jī)的主體結(jié)構(gòu)可以根據(jù)飛機(jī)的外形及強(qiáng)度、剛度的需要，盡量地使用簡捷的結(jié)構(gòu)形狀和明確的傳力特征。由于各種管路、油路、氣路及電纜等相對較少，且傳遞路線較為直接，所以，結(jié)構(gòu)件上的各種開口、開槽也就相對較少。因此，無人機(jī)的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的準(zhǔn)確性相對較好。目前的無人機(jī)多數(shù)為偵察、監(jiān)視、通信類無人機(jī)，屬于低速飛機(jī)或亞聲速飛機(jī)，所謂高速無人機(jī)一般也是指高亞聲速的無人機(jī)；再考慮到無人機(jī)的使用方式比較規(guī)范，機(jī)動(dòng)情況相對較少，所以，無人機(jī)的載荷情況和載荷大小可以

13、相對確定的較為準(zhǔn)確。另外，由于無人機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡捷，零部件的外形較為規(guī)范，．這樣也給零部件的工藝設(shè)計(jì)及機(jī)械加工帶來了一些方便，可以較好地保證零部件的生產(chǎn)質(zhì)量?？傮w來說，在無人機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，可確定的因素較多，各種因素對結(jié)構(gòu)的影響相對更加明確，所以，無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)完全可以取得低一些。綜合以上諸多因素的考慮，無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中各種安全系數(shù)的取值普遍要比有人機(jī)低一些。對于一般的載荷情況，有人機(jī)通常取1．5，而無人機(jī)通?？梢匀〉?．2～1．3或更低一些。無人機(jī)應(yīng)按使用載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)。至于安全裕度，有人機(jī)由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、載荷的復(fù)雜性及使用的復(fù)雜性，導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全裕度的分散性較大，結(jié)構(gòu)的個(gè)別地方

14、強(qiáng)度裕度很緊張，而有些部位強(qiáng)度裕度卻很大。對于無人機(jī)來說，由于結(jié)構(gòu)相對簡捷，傳力形式較為明了，零部件外形較為規(guī)則，所以設(shè)計(jì)時(shí)對結(jié)構(gòu)的各方面的裕度儲(chǔ)備較容易控制，減少了結(jié)構(gòu)安全裕度的分散性，從而可以更有效地發(fā)揮各部分結(jié)構(gòu)件的效能和功能，減輕結(jié)構(gòu)重量。通常，對于無人機(jī)的大多數(shù)金屬結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度裕度可以控制在0．10，---0．15以內(nèi)；復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度裕度可以控制在0．20以內(nèi)。當(dāng)然，如果考慮到型號(hào)以后的改型和發(fā)展，也可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留較多的強(qiáng)度裕度儲(chǔ)備。影響無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體參數(shù)很多，而關(guān)系較大的莫過于飛機(jī)的飛行速度、發(fā)射速度、著陸速度(回收降落速度)、飛行高度和過載。由于無人機(jī)上不需要駕

15、駛員，所以影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體參數(shù)主要是根據(jù)無人機(jī)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求來決定。由此，無人機(jī)結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)范圍大大超出了有人機(jī)的設(shè)計(jì)范圍。當(dāng)然，如果要設(shè)計(jì)超常規(guī)性能的無人機(jī)，也會(huì)增加了一些無人機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。 2．無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了突出其簡捷的特征，可以把幾個(gè)零部件設(shè)計(jì)成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。這樣可以減少結(jié)構(gòu)的連接件、緊固件，從而減輕結(jié)構(gòu)重量，減少結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域的個(gè)數(shù)，從而也就減少了機(jī)體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵危險(xiǎn)部位的個(gè)數(shù)，簡化了機(jī)體結(jié)構(gòu)的維護(hù)和修理。采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，還可以保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度特性的連續(xù)性，簡化飛機(jī)的傳力關(guān)系，易于對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，易于實(shí)施一些先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，從而可以更精確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)

16、設(shè)計(jì)。從無人機(jī)的特點(diǎn)出發(fā)，采用整體結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)技術(shù)，減少零部件的設(shè)計(jì)思想是完全可行的。對于有人機(jī)來說，必須構(gòu)架出一個(gè)(或多個(gè))駕駛艙，而駕駛艙又必須在飛機(jī)的頭部(前機(jī)身)，以保證飛行員的正常視線。這樣，機(jī)身結(jié)構(gòu)的連續(xù)性遭到破壞，從而不得不設(shè)計(jì)出更多的結(jié)構(gòu)件并加以復(fù)雜的連接將結(jié)構(gòu)連為一體。由于駕駛員生理需要，必須對飛機(jī)的駕駛艙進(jìn)行環(huán)境調(diào)控：有些飛機(jī)還需要設(shè)計(jì)一套救生系統(tǒng)。同時(shí)，由于飛行員的駕駛艙是飛機(jī)的控制中心，飛機(jī)上的不同部位的各種設(shè)備和各種操作及控制都必須通過各種管路、油路、電纜、機(jī)械操縱或傳動(dòng)裝置，穿過飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接到駕駛艙。這樣，就給飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來了很多麻煩，難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的組合和分

17、割。而無人機(jī)則不～樣，無人機(jī)的控制中心是飛控計(jì)算機(jī)，無人機(jī)上的各種設(shè)備和各種操作及控制都是電傳控制，只需要電纜連接即可，這樣就給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了很多方便，較容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的組合和分割。所以，對于無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，完全可以根據(jù)需要采用組合式結(jié)構(gòu)件、插入式零部件的設(shè)計(jì)。因此，考慮到無人機(jī)的實(shí)際特點(diǎn)，在無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)盡量采用組合式結(jié)構(gòu)件、插入式零部件，突出結(jié)構(gòu)件的互換性，這樣較方便于飛機(jī)的維護(hù)和修理，提高飛機(jī)可靠性，縮短發(fā)射(起飛)準(zhǔn)備時(shí)間。對于傘降回收等形式回收的無人機(jī)，有些零部件應(yīng)設(shè)計(jì)的較脆弱，以便吸收機(jī)體著陸時(shí)的撞擊能量，減少機(jī)體結(jié)構(gòu)和機(jī)載設(shè)備的損傷。 3．無人機(jī)的任務(wù)載荷能力是

18、無人機(jī)整體性能的一個(gè)重要指標(biāo)，因此，在任務(wù)載荷艙的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量提高任務(wù)載荷的能力和互換性，以便無人機(jī)有能力裝載不同的任務(wù)設(shè)備，執(zhí)行不同的飛行任務(wù)。 4．目前的無人機(jī)多數(shù)為偵察、監(jiān)視、通信類無人機(jī)，為了提高無人機(jī)的生存能力，應(yīng)強(qiáng)調(diào)使用隱身構(gòu)型和布局，也可以考慮大面積甚至全機(jī)機(jī)體使用雷達(dá)吸波材料。 無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)大量使用先進(jìn)的復(fù)合材料，如碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、蜂窩夾層復(fù)合材料等。目前復(fù)合材料在無人機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，成為無人機(jī)設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)性材料。復(fù)合材料的應(yīng)用對飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、小型化和高性能化已經(jīng)起到了至關(guān)重要的作用。和傳統(tǒng)金屬材料相比較，復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度

19、高、熱膨脹系數(shù)小、抗疲勞能力和抗振能力強(qiáng)的特點(diǎn)，將它應(yīng)用于無人機(jī)結(jié)構(gòu)中可以減重25％，--30％。同時(shí)復(fù)合材料本身具有可設(shè)計(jì)性，在不改變結(jié)構(gòu)重量的情況下，可根據(jù)飛機(jī)的強(qiáng)度剛度要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前的研究、應(yīng)用表明，使用優(yōu)化技術(shù)對復(fù)合材料部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以在飛機(jī)的結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)和控制性能等方面提供較大的裕度；而且可以利用復(fù)合材料的剛度方向性和耦合效應(yīng)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使無人機(jī)結(jié)構(gòu)在載荷作用下產(chǎn)生有利的彈性變形，從而改善無人機(jī)的設(shè)計(jì)性能。如美國比例復(fù)合材料公司研制的高空長航時(shí)無人機(jī)“普洛透斯”(Proteus)全部采用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。通常無人機(jī)的機(jī)翼、尾翼及各種天線罩、護(hù)板、蒙皮等結(jié)構(gòu)件大量

20、地使用復(fù)合材料，而機(jī)身、起落架等結(jié)構(gòu)件的復(fù)合材料的使用量相對較少。另外，在中小型無人機(jī)上，木質(zhì)材料、輕型塑料、塑料薄膜等非金屬材料也得到了大量的使用。 5．大展弦比機(jī)翼能產(chǎn)生較大的升力，有利于增大航程和延長續(xù)航時(shí)間。因此在長航時(shí)一類的無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，均采用大展弦比機(jī)翼(通常展弦比大于5的機(jī)翼)構(gòu)型，如美國的長航時(shí)無人機(jī)“全球鷹"(Global Hawk)和“暗星”(Dark Star)的展弦比分別達(dá)到了25和14．83。大展弦比機(jī)翼具有大柔性的特點(diǎn)，而顯著的結(jié)構(gòu)柔性效應(yīng)與無人機(jī)的氣動(dòng)彈性特性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、氣動(dòng)伺服彈性及突風(fēng)響應(yīng)等方面有著十分密切的關(guān)系。因此，在大展弦比機(jī)翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，必須

21、重視結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)，注意結(jié)構(gòu)剛度特性與各種結(jié)構(gòu)響應(yīng)的關(guān)系，注意提高結(jié)構(gòu)的局部剛度和整體剛度。由于采用了高強(qiáng)度的復(fù)合材料，大展弦比機(jī)翼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)通常較容易保證。 6．無人機(jī)設(shè)計(jì)出來以后，馬上就進(jìn)入工程研制階段。在這一階段中，要進(jìn)行各個(gè)結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)加工制造，還要進(jìn)行和結(jié)構(gòu)有關(guān)的各種地面試驗(yàn)。無人機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工制造，對于金屬結(jié)構(gòu)來說，沒有什么特別之處；對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的加工制造，則要特別加以注意。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、工藝、加工及最后的成型，實(shí)際上是個(gè)一體化的過程。在結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)之初，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員與工藝技術(shù)人員就必須緊密地配合。以碳纖維復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)件為例，就必須在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，給出明確

22、的工藝要求，包括模具的設(shè)計(jì)、鋪層的方式、零件之間的聯(lián)接方式；是采用高溫成型還是低溫成型，是采用一次成型還是二次膠接成型；如何控制結(jié)構(gòu)件的重量，如何對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行檢驗(yàn)等。這些問題都必須在發(fā)圖之前加以確定。研制階段結(jié)構(gòu)件的地面試驗(yàn)通常是指材料特性試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)剛度試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)、地面振動(dòng)試驗(yàn)、地面顫振風(fēng)洞試驗(yàn)等。對于無人機(jī)來說，通常并不需要全面地進(jìn)行各項(xiàng)地面研制試驗(yàn)，可根據(jù)所研制的無人機(jī)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求，有選擇地進(jìn)行部分試驗(yàn)。對于中小型無人機(jī)，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度特性的校核應(yīng)以分析計(jì)算為主，或輔以一些簡易的地面試驗(yàn)進(jìn)行校驗(yàn)。由于中小型無人機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，使用方式和使用要求非常明確，結(jié)構(gòu)調(diào)整和更改容易實(shí)現(xiàn)，所以，

23、通常依靠經(jīng)驗(yàn)及一些分析計(jì)算即可明確結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度特性，如有問題也可隨時(shí)進(jìn)行更改和調(diào)整。對于大型無人機(jī)，其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度特性，則應(yīng)在進(jìn)行分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，可有選擇地進(jìn)行一些地面試驗(yàn)。由于目前的無人機(jī)多數(shù)為偵察、監(jiān)視、通信類無人機(jī)，實(shí)際使用當(dāng)中，飛行的航線、姿態(tài)、動(dòng)作、高度、速度等各個(gè)方面都是數(shù)字式的控制方式，相對來說比較規(guī)范，所以，無人機(jī)的載荷情況和載荷大小可以相對確定的較為準(zhǔn)確。再則，無人機(jī)的結(jié)構(gòu)相對較為簡捷，結(jié)構(gòu)傳力特性較為明確，所以分析計(jì)算的結(jié)果可以較為準(zhǔn)確。因此，對于無人機(jī)來說，完全可以以較準(zhǔn)確的分析計(jì)算來代替一些地面試驗(yàn)，這樣既可以減少研制經(jīng)費(fèi)、縮短研制周期，又可以保證研制質(zhì)量。

24、 7．前面提到，無人機(jī)在使用、維護(hù)方面與有人機(jī)差別較大。平時(shí)，無人機(jī)通常是放在倉庫里，一年或多年才使用一次；即使是戰(zhàn)時(shí)，無人機(jī)的使用頻率也不會(huì)太高，遠(yuǎn)低于有人機(jī)的使用頻率。另外，由于無人機(jī)的“綜合素質(zhì)”較差，缺少一定的“智能”，其墜毀的概率較大，被敵方擊毀的可能性也較大。有些無人機(jī)還設(shè)計(jì)有一套自毀裝置，根據(jù)戰(zhàn)場實(shí)際情況的需要，為避免飛機(jī)落入敵方手里，迫不得已時(shí)啟動(dòng)無人機(jī)的自毀裝置，將飛機(jī)炸毀。有些無人機(jī)還要設(shè)計(jì)成具有導(dǎo)彈的功能，在執(zhí)行任務(wù)中，如確認(rèn)已經(jīng)無法進(jìn)行回收時(shí)，則指示無人機(jī)與敵方武器裝備(空中或地面的)同歸于盡。據(jù)了解，實(shí)際上服役的無人機(jī)，很少是用壞的，即由于周期性的疲勞載荷使結(jié)構(gòu)發(fā)生破

25、壞，多數(shù)是由于其他原因而損壞。比如，在長時(shí)間的停放過程中，沒有進(jìn)行很好的維護(hù)、保養(yǎng)或規(guī)定的維護(hù)，保養(yǎng)方案(大綱)存在問題；在執(zhí)行任務(wù)中，被敵方擊落；或由于操作不當(dāng)，或由于控制系統(tǒng)問題導(dǎo)致飛機(jī)墜毀等。因此，無人機(jī)在使用上與有人機(jī)相比，應(yīng)該說有較大的差別。 根據(jù)無人機(jī)的這些使用特點(diǎn)和實(shí)際使用中可能出現(xiàn)的情況，在無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中就要考慮這些問題。與此相關(guān)的結(jié)構(gòu)特性包括結(jié)構(gòu)的抗墜毀性能，結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度特性，結(jié)構(gòu)的使用壽命問題等等。 在無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，就要考慮結(jié)構(gòu)的抗墜毀能力，或提高結(jié)構(gòu)防止產(chǎn)生墜毀現(xiàn)象的能力。比如在飛機(jī)上加裝具有一定智能(或地面可控)的傘降機(jī)構(gòu)，當(dāng)由于某種原因?qū)е聼o人機(jī)將要發(fā)

26、生墜毀現(xiàn)象時(shí)，無人機(jī)能夠及時(shí)自動(dòng)(或被動(dòng))地關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，打開降落傘，對飛機(jī)進(jìn)行回收。同時(shí)，在無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要安排一些易損零部件或具有減振、吸振特性的零部件，以便吸收機(jī)體在著陸、回收時(shí)對地面的撞擊能量，減少機(jī)體結(jié)構(gòu)和機(jī)載設(shè)備的損傷。對于要求具有自毀能力，或具有導(dǎo)彈功能的無人機(jī)，其高爆炸藥的安放位置要選擇好，以保證其自毀時(shí)，能夠?qū)w機(jī)上的各種情報(bào)信息徹底毀滅。 無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的壽命問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的。首先在結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意防止過分的應(yīng)力集中，減少局部高應(yīng)力，控制結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力水平。由于無人機(jī)在服役期間，長時(shí)間地處于停放狀態(tài)，所以必須著重考慮環(huán)境因素(如高溫、低溫、濕度、鹽霧等)

27、對結(jié)構(gòu)的影響，即無人機(jī)的日歷壽命問題。對于飛行載荷和地面載荷組成的無人機(jī)使用載荷譜，其各種載荷任務(wù)型相對較為規(guī)范，各級(jí)載荷在規(guī)定的循環(huán)周期內(nèi)出現(xiàn)的頻次相對較為穩(wěn)定，分散性較小，所以可以較為準(zhǔn)確地給出無人機(jī)的使用載荷譜(或設(shè)計(jì)載荷譜)。由于無人機(jī)在整個(gè)壽命期內(nèi)，使用的頻次不高，而且大多數(shù)無人機(jī)在沒有達(dá)到全壽命之前即已報(bào)廢(如被敵方擊落或使用不當(dāng)墜毀等)，所以對應(yīng)于無人機(jī)在疲勞載荷下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力可以設(shè)計(jì)得高一點(diǎn)，完全沒必要按無限壽命或高壽命的方案設(shè)計(jì)。 在無人機(jī)結(jié)構(gòu)的維護(hù)、保養(yǎng)方面應(yīng)給予特別的關(guān)注，設(shè)計(jì)時(shí)要注意結(jié)構(gòu)的開敞性及提高無人機(jī)外場的可維護(hù)性。對于結(jié)構(gòu)主要承力構(gòu)件和結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位、危險(xiǎn)部位的維

28、護(hù)、檢查應(yīng)有明確的要求，確保飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用的完好性，隨時(shí)可以執(zhí)行任務(wù)。 四、無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù) 根據(jù)對無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的討論，總結(jié)多年來無人機(jī)結(jié)構(gòu)的研制經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合目前無人機(jī)的研制情況以及無人機(jī)的發(fā)展趨向，提出目前需要加強(qiáng)研究和值得關(guān)注的無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。 (1)機(jī)體外形、結(jié)構(gòu)及雷達(dá)隱身一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù) (2)全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù) (3)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效的工程判別方法研究 (4)無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)、安全裕度及許用強(qiáng)度等設(shè)計(jì)參數(shù)的取值問題研究 (5)從結(jié)構(gòu)特性設(shè)計(jì)出發(fā)，改善大展弦比機(jī)翼的氣動(dòng)彈性特性的設(shè)計(jì)技術(shù)研究 (6)以減少零部件數(shù)目為目的的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù) (7)組合式結(jié)構(gòu)件、插入式零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù) (8)通用任務(wù)載荷艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù) (9)抗墜毀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及易損件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，或稱之為具有緩沖性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù) (10)提高或改善結(jié)構(gòu)的局部剛度或整體剛度的設(shè)計(jì)技術(shù) (11)無人機(jī)環(huán)境載荷譜的研究及無人機(jī)的結(jié)構(gòu)壽命特性研究 (12)不同類型、不同大小、不同任務(wù)特點(diǎn)的無人機(jī)地面強(qiáng)度剛度試驗(yàn)的必要性及選擇性研究 (13)驗(yàn)證無人機(jī)結(jié)構(gòu)特性的飛行試驗(yàn)的必要性及選擇性研究 (14)無人機(jī)結(jié)構(gòu)的防腐蝕特性研究 (15)簡化傳力關(guān)系，提高結(jié)構(gòu)效率的主承力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究。暨主承力結(jié)構(gòu)的布局研究。