随着科技的发展,人们对未知领域的探索也逐渐拉开帷幕,面对着高风险、高强度的任务,人们开始利用无人进行作业。无人机最初研制用于军事用途,被用于侦察、靶机等方面;由于民用需求日益提升,无人机被投入民用市场,用于航拍、测绘、植保、救灾、运输等多个方面。随着各行各业对无人机应用的不断深入,人们对无人机的承载能力、性能等要求也越来越高。
无人机作为当今国际航空领域发展的一个热点,正朝着省时高效、长距离飞行和高负载低能耗的运行目标发展。与汽车轻量化一样,只有尽可能降低结构重量,才能满足减重要求。结构重量的降低一方面靠机体构造和动力系统设计的进步,另一方面也需要靠新材料的“加持”。
△图片源于网络
对于无人机的机体材料来说,不同部位对材料的具体要求也不同。例如,无人机的机翼一般需要耐候性好、增韧强度高、易加工成型的材料,机身往往会采用高韧性、高强度、低温耐候性好、高流动性的材料。今天我们主要谈谈发泡材料在无人机上的应用。
机翼作为无人机主承力结构,承担了无人机大部分的气动载荷,是主要的升力部件,其结构性能对整个无人机的飞行性能起着决定性的作用,而影响结构性能的首要因素就是机翼材料。
翼体设计时选用轻质发泡材料可降低翼体部分的重量、减少能耗,并实现长航距、长航时的飞行需求。此外,高性能发泡材料的高强度、耐疲劳、蠕变小等多种性能优势也能从整体上大幅度提升无人机运行的安全性。
发泡聚丙烯材料(MPP),聚芳醚酮泡沫(PEK-C)
对于军用无人机来说,不仅需要有超强的续航能力,还需要达到隐身化的效果,采用MPP和PEK-C材料,可以减少无人机的雷达散射截面(RCS)值,以减少被敌方雷达发现的概率,有更好的突防能力和生存能力。
除了在机翼部位可使用发泡材料,机身部位也可以选择发泡材料作为三明治夹芯结构的芯材,这种结构在承受弯曲载荷时,上下面板之间存在一定的距离,结构上反而能获得更大比例的刚性。在保持力学性能的同时还能显著减轻重量,尤为重要的是还可以在一定程度上降低成本。
PET结构泡沫(Strucell T)
△CYGNUS A10(图源:戴铂新材料有限公司)
白鸟CYGNUS A10无人机既小又轻,机身主要采用PET结构芯材,有效减轻了机身重量,大大提升续航能力;由于PET材料的综合性能优异,同时还被应用于CYGNUS A10无人机的机翼、尾翼等部位。
随着世界各国对发展无人机重视程度的增加,以及研制投入的加大,无人机的发展已经进入一个全新的时期,其未来的应用需求会更加多样化。发泡材料的应⽤对⽆⼈机结构轻质化、⼩型化和⾼性能化已经起到了⾄关重要的作⽤,相对于木质材料以及碳纤维、玻璃纤维等复合材料,发泡材料成本更低、实用性更强,对无人机材料革新起到了促进作用。