复合材料在无人机上应用的成本问题

  与有人飞机相比,复合材料在无人机上应用优点在于机体结构设计中不需要考虑机动飞行过程中人的生理承受能力和安全性的限制。一方面无人机材料的选择多样性更大,对强度要求相对较低。这使材料选择可以更多地着眼于“轻质”的要求,采用更多密度更低的材料,如泡沫塑料、航空层板等。另一方面,外形、尺寸和性能上更加多样,如微型无人机和高超声速无人机就属于无人机特有的类型。

  此外,由于无人机风险较小,对可靠性要求低于有人机,故无人机在设计、材料等领域成为新技术的验证平台,复合材料的应用比例明显高于有人飞机。复合材料在固定翼无人机机体上的应用发展经历了从整流罩,到承载小的部件,例如飞机翼面的前缘、后缘壁板,到翼面的操纵面或操纵面的后缘等次承力结构,到主承力结构,进而到翼面盒段、翼身融合等整体一体化成型的发展历程。在垂直起降的直升机上最初应用在旋翼等动部件和机身蒙皮、后盖等部位,近年来在机身主框架和桨毂、起落架等主承力部件上的应用越来越多。

  高昂制造成本是限制复合材料大规模应用的关键因素之一。与有人机相比,无人机一个重要的优势就是成本相对较低,因此,无论哪种类型的无人机要大面积采用复合材料,都必须解决低成本材料、低成本设计和低成本成型三个难题。

  目前以实现自动化为目标的自动下料、铺带、铺丝工艺,以减少装配为目标的整体共固化设计与成型工艺,以摆脱热压罐设备为目标的液体成型、低温低压固化及电子束固化工艺等低成本复合材料技术在国内均做了跟进研究,但鉴于国内基础技术比较薄弱,设计应用经验欠缺,并且相关设备依赖进口,就目前国内情况来看,上述低成本措施还未真正达到低成本目的。国内外相关数据对比表明,人工成本、先进设备和技术状态的差异是导致国内外复材产品成本因素差异的重要原因,同时也正是自动化等低成本措施在国内收效甚微的原因所在。

  国内无人机复合材料应用存在的问题主要有:复合材料应用技术和数据资料主要在集中在体制内各单位,彼此严格保密,没有形成必要的交流和共享机制,设计余量和成型工艺比较保守,以完成型号任务为首要原则,低成本意识淡薄。原材料研发能力弱,抄袭严重,品种单一,质量不稳定,重要原材料依赖进口,采购周期长,成本居高不下。工艺生产设备和工装模具自主开发能力差,尤其是自动化设备依赖进口,购置和使用费用高;,某公司从法国购买的翼面自动模压生产设备,生产效率大大提高,产品合格率接近100%,但单套设备就高达2000万元以上。对于液体成型、电子束固化和VBO等低成本工艺,目前国内预研投入不足,经验欠缺,应用案例相对匮乏,需要进一步加强应用研究。

  先进树脂基复合材料在国内外的无人机上得到了越来越广泛应用。其中,国内的研究和应用水平与国外相比还存在不小差距。从国内技术基础出发,在对设备要求较高的自动化技术无法达到低成本目标的条件下,积极发展各种液体成型技术、BVO-OoA材料及工艺和传统模压工艺的研发和工程应用实践、坚持以工艺可行性和稳定性为出发点进行复合材料的结构设计是降低复合材料结构成本,加快我国复合材料在无人机行业应用步伐的可行途径。

 

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