長航時無人機是指續航時間為十幾小時、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。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展情況可以看出，高空長航時無人機是主要發展方向，且飛行高度和續航力將得到不斷提高，續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，飛行總小時數達到8000 h。

 

 長航時無人機在機體結構設計中最大的特點是采用了大展弦比復合材料結構機翼。除了環境因素對復合材料本身的作用，大展弦比結構以及相關涂層體系施加也都對長航時無人機機翼復合材料損傷的發生和發展帶來了影響。

 

（1）環境因素對復合材料的作用

 

 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構。與傳統金屬材料相比，復合材料具有比強度和比剛度高、抗疲勞性能好的特點，應用于飛機機體結構當中可以實現結構減重25% - 30%（減小起飛重量） [4]。同時，復合材料本身具有可設計性，在不改變結構重量的情況下，可根據飛機的強度、剛度要求進行設計。因此，復合材料大量用于長航時無人機機體結構尤其是機翼和尾翼等部件。但是，復合材料的應用也存在著一些問題和不足。例如，

 

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

 

 （b）長航時無人機在執行任務過程中反復經歷晝夜更替，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不同，周期的溫度變化將減小基體和增強體之間的界面結合力，對復合材料的完整性產生不利影響。

 

  （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境中。高分子樹脂基體在長時間的低溫環境中脆性升高，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，使復合材料在壽命期內性能退化甚至失效。

 

 因此，在長航時無人機服役過程中，濕度、溫度、紫外輻照等環境因素的綜合作用使機翼復合材料產生損傷，導致結構尺寸改變和力學性能降低，甚至誘發飛行器事故。

 

（2）大展弦比結構的影響

 

    除了大量采用碳纖維增強高分子樹脂基復合材料外，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生很大的上翹和扭轉變形，機翼根部彎矩大 [2]，上壁板容易發生受壓屈曲。柔性機翼的這種靜氣動變形還會與濕度、溫度、紫外輻照等環境因素產生耦合作用，誘發復合材料損傷、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生界面缺陷，缺陷進一步擴展則可能引起復合材料表面損傷或者導致涂層剝落，使復合材料失去保護直接暴露于環境中。

 

 （1）國外研究現狀與發展趨勢

 

   早在2005年美國防部就發布了《2005 - 2030年無人機系統線路圖》 [3]，并每兩年發布一次，列出以后25年內開發無人機系統的技術目標，對未來無人機采用的新技術、可能實現的能力等進行規劃。其中明確強調“優先發展聯合無人作戰系統”，即由空軍和海軍兩個無人作戰飛機計劃合并產生，以后無人機將朝著適用于多兵種復雜環境作戰需求的方向發展，這也就對無人機機體結構適應環境的能力提出了更高要求。

 

  關于環境因素對復合材料的作用，國外針對復合材料在各種服役條件中的性能數據和損傷規律已經進行了大量的積累和研究，并形成了相應的復合材料力學性能數據庫；在實驗室內研究了濕度、溫度、化學介質、紫外輻射等環境因素對復合材料力學性能的影響，制定了一系列實驗室試驗評價方法，為復合材料的應用提供了重要的技術基礎。

 

（2）國內研究現狀及目前存在的問題

 

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

 

具體在長航時無人機機翼復合材料在服役環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合材料損傷規律的研究，例如，在材料研制和選用過程中，開展了國軍標規定的-55 °C至150 °C范圍內的力學性能試驗，即從標準試驗的角度出發研究了復合材料的損傷問題，而用于制造機翼的復合材料長時間處于高空低溫環境中，材料在經歷長時間低溫和溫度反復變化后的性能試驗尚未開展。

 

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

 

    （c）重視復合材料、涂層本身性能的研發而忽略了材料之間的組合對材料性能發揮的影響，例如復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，材料之間膨脹系數的差異是否會在材料界面誘發缺陷從而引起復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合材料在服役環境中的損傷以及相關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，研究復合材料在環境和載荷耦合作用下的力學性能變化，確定機翼典型復合材料的損傷規律。研究成果可以為長航時無人機機體結構的合理設計和選材提供依據，避免設計失誤和設計過分導致的浪費，同時也為將來其它航空武器裝備復合材料結構的可靠性研究和及時維護提供指導。

 

    駱晨，畢業于英國曼徹斯特大學，材料學博士學位，現任北京航空材料研究院高級工程師，主要從事腐蝕與防護、環境試驗與觀測研究工作，承擔國家自然科學基金項目、國防科技工業技術基礎科研項目以及航空型號任務等研究工作，發表科技論文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），入選中國科協首屆“青年人才托舉工程”。

 

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org

 

責任編輯：王妮

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事

投稿聯系：編輯部

電話：010-62313558-806

郵箱：fsfhzy666@163.com

中國腐蝕與防護網官方QQ群：140808414