駱晨，劉明，張藝瑩，孫志華，湯智慧，陸峰

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環(huán)境因素對長航時無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu) 復(fù)合材料的影響

駱晨1，劉明1，張藝瑩2，孫志華1，湯智慧1，陸峰1

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院 航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點實驗室，北京 100095；2.中國民航大學(xué) 天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300）

從環(huán)境因素對復(fù)合材料作用和大展弦比結(jié)構(gòu)影響等方面分析了長航時無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在服役環(huán)境中的損傷。結(jié)合目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，扼要敘述了環(huán)境因素對長航時無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的影響研究領(lǐng)域當(dāng)前的主要需求，提出了針對未來研究工作的若干建議。包括應(yīng)以長航時無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)典型碳纖維增強(qiáng)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(jī)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(jī)體結(jié)構(gòu)典型復(fù)合材料的損傷規(guī)律等。

復(fù)合材料；損傷；環(huán)境因素；載荷；涂層

自從20世紀(jì)60年代美國在越南戰(zhàn)場上大量使用無人偵察機(jī)以來，無人機(jī)的發(fā)展受到了各個國家的普遍關(guān)注。1982年6月，在著名的貝卡谷地戰(zhàn)役中，以色列用自制的“偵察兵”、“猛犬”等無人機(jī)，收集了敘利亞的火力配置和戰(zhàn)場情況，取得了突出的戰(zhàn)果，引起了各國的震驚。在20世紀(jì)90年代的海灣戰(zhàn)爭中，多國部隊使用多種無人機(jī)成功地執(zhí)行了偵察、戰(zhàn)場損傷評估、火炮校正和人員搜救等任務(wù)。據(jù)統(tǒng)計，在沙漠風(fēng)暴行動中，美軍僅“先鋒號”無人機(jī)就出動30多架次，飛行1011 h[1]。可以說，不接觸的精確攻擊在作戰(zhàn)過程中已經(jīng)成為現(xiàn)實，無人機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中各軍兵種不可缺少的武器裝備。

長航時無人機(jī)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(jī)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(jī)一般可分為兩種，即中空和高空長航時無人機(jī)。中空長航時無人機(jī)的飛行時間多在12 h以上，其中飛行時間在10~30 h范圍的占93%左右，30~50 h范圍的約占7%，比如典型的中空長航時無人機(jī)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(jī)的飛行時間多在24 h以上，其中飛行時間在12~20 h范圍的約占6%左右，20~80 h范圍的約占62%，120 h以上的占31%左右。從當(dāng)前長航時無人機(jī)的發(fā)展情況可以看出，高空長航時無人機(jī)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(dá)到30年，飛行總小時數(shù)達(dá)到8000 h。

1 損傷分析

長航時無人機(jī)在機(jī)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(jī)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)也對長航時無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料損傷的發(fā)生和發(fā)展帶來了影響。

1.1 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(jī)需要質(zhì)量輕的機(jī)體結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、抗疲勞性能好的特點，應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)當(dāng)中可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減輕25%~30%[2]。同時，復(fù)合材料本身具有可設(shè)計性，在不改變結(jié)構(gòu)質(zhì)量的情況下，可根據(jù)飛機(jī)的強(qiáng)度、剛度要求進(jìn)行設(shè)計。因此，復(fù)合材料大量用于長航時無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)，尤其是機(jī)翼和尾翼等部件，但復(fù)合材料的應(yīng)用也存在著一些問題和不足。

1）復(fù)合材料的基體和增強(qiáng)體均具有吸濕性，能吸收環(huán)境中的水分發(fā)生膨脹[3]，致使機(jī)翼質(zhì)量增加，在環(huán)境干燥時又釋放水分達(dá)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(yán)重降低。

2）長航時無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過程中反復(fù)經(jīng)歷晝夜更替，機(jī)翼表面白天受到太陽輻射的作用升溫，夜晚降溫。樹脂基體和碳纖維增強(qiáng)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(qiáng)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。

3）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(jī)的主要工作高度為9~17 km，這使其長期處于低溫環(huán)境中。樹脂基體在長時間的低溫環(huán)境中脆性升高，韌性減弱。

4）從地面到25 km的長航時無人機(jī)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。

另外，長航時無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)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(jī)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(qiáng)紫外輻照以及高空-地面溫度交變的條件下容易出現(xiàn)界面結(jié)合強(qiáng)度降低的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生龜裂、起泡等缺陷。缺陷進(jìn)一步擴(kuò)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(hù)直接暴露于環(huán)境中。

因此，在長航時無人機(jī)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(jī)體結(jié)構(gòu)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。

1.2 大展弦比結(jié)構(gòu)的影響

除了大量采用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料外，為提高飛行性能，長航時無人機(jī)在布局上普遍選用大展弦比機(jī)翼（通常展弦比大于5）來增加飛機(jī)的升阻比（如圖1所示），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(jī)的展弦比分別達(dá)到了25和14.83（改進(jìn)型“全球鷹”RQ-4B飛機(jī)機(jī)翼翼展長達(dá)39.9 m，長于波音737飛機(jī)的機(jī)翼[4]）。這種大展弦比機(jī)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(jī)翼根部彎矩大[5]，上壁板容易發(fā)生受壓屈曲。柔性機(jī)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(jī)的飛行安全。

a RQ-4A無人機(jī)

b RQ-4A無人機(jī)機(jī)翼

圖1 美國RQ-4A“全球鷹”無人機(jī)及其機(jī)翼[4]

2 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(jī)系統(tǒng)線路圖》[6]，并每兩年發(fā)布一次，列出以后25年內(nèi)開發(fā)無人機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)目標(biāo)，對未來無人機(jī)采用的新技術(shù)、可能實現(xiàn)的能力等進(jìn)行規(guī)劃。其中明確強(qiáng)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(jī)計劃合并產(chǎn)生，以后無人機(jī)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(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料適應(yīng)環(huán)境的能力提出了更高要求。

ACG、Hexcel、Cytec等公司先后研制出適用于各種飛行狀態(tài)的復(fù)合材料預(yù)浸料。對于飛行馬赫數(shù)不高的無人機(jī)，耐高溫要求相對較低，一般應(yīng)在80~100 ℃之間，可以使用中溫固化環(huán)氧預(yù)浸料，如ACG公司的MTM28、MTM49，Hexcel公司的F155、913、916。另外還有針對低成本的熱壓罐外固化預(yù)浸料，如Zephyr太陽能無人駕駛飛行器的機(jī)翼和機(jī)身采用ACG的MTM45-1增韌環(huán)氧基碳纖維預(yù)浸料。這種預(yù)浸料不需要使用熱壓罐，可以在低于80 ℃的溫度下真空袋固化，并通過180 ℃的后處理工藝實現(xiàn)全部性能。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(jìn)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)。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及目前存在的問題

國內(nèi)北京航空材料研究院研制的3231、3234等為中溫（120~130 ℃）固化的改性環(huán)氧樹脂基體，具有良好的流變性、自粘性、懸垂性和在室溫下較長的暴露期。另外，LT-01、LT-03等高溫環(huán)氧樹脂預(yù)浸料體系分別配合T300和T700纖維已用于無人機(jī)的研制?？傮w來說，我國軍用無人機(jī)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(jī)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(hù)和控制方法[7-14]；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[15]；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[3,16-17]；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(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)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。

1）尚未開展針對長航時無人機(jī)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(biāo)規(guī)定的－55~150 ℃范圍內(nèi)的力學(xué)性能試驗，即從標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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。

2）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(jī)涂層，在長時間低溫、強(qiáng)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。

3）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。

4 結(jié)語

探討了長航時無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)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。機(jī)體結(jié)構(gòu)面臨飛行使用環(huán)境和地面停放服役環(huán)境的影響，即濕度、溫度、紫外輻照等環(huán)境因素綜合作用使機(jī)體結(jié)構(gòu)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。建議未來以長航時無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)典型碳纖維增強(qiáng)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(jī)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(jī)體結(jié)構(gòu)典型復(fù)合材料的損傷規(guī)律，并以此研究成果作為長航時無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)合理選材和及時維護(hù)的依據(jù)和指導(dǎo)，避免設(shè)計失誤。

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Effects of Environmental Factors on Composite Materials in Airframe Structures of Long Endurance Unmanned Aerial Vehicle

LUO Chen1, LIU Ming1, ZHANG Yi-ying2, SUN Zhi-hua1, TANG Zhi-hui1, LU Feng1

(1.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Materials, AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China; 2.Tianjin Key Laboratory for Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

The damage of composite materials in airframe structures of long endurance unmanned aerial vehicle under service condition was discussed from effects of environmental factors on composite materials, influences of high aspect ratio structure, etc. Based on research status at home and abroad, the main demand in researching influences of environmental factors on composite materials in the airframe structures of long endurance unmanned aerial vehicle were summarized. Suggestions for future research works were put forward, including: select the carbon fiber reinforced resin matrix composite materials and coatings system in the airframe structures of long endurance unmanned aerial vehicle as research objects, carry out exposure testing along with the unmanned aerial vehicle and laboratory simulation accelerated testing, study the change of mechanical properties of the composite materials under the co-effect of environment and load, and identify the damage rules of the typical composite materials in the airframe structures.

composite materials; damage; environmental factors; load; coatings

10.7643/ issn.1672-9242.2017.11.007

TJ04；TG142.71

A

1672-9242(2017)11-0033-04

2017-08-30；

2017-10-16

國家自然科學(xué)基金資助項目（51201157）；國防科技工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)科研項目（JSHS2015205C002）

駱晨（1984—），男，北京人，博士，高級工程師，主要研究方向為環(huán)境試驗與觀測、鋁合金腐蝕與防護(hù)等。