小型無人機(jī)普遍具有載荷小、飛行高度低、速度慢、續(xù)航時間短等性能劣勢，因?yàn)樽鳂I(yè)環(huán)境復(fù)雜，機(jī)體的毀傷頻率也比較高，傳統(tǒng)的鋁合金等金屬材質(zhì)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足無人機(jī)在性能方面的發(fā)展需求。碳纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和高比剛度，能大大減輕無人機(jī)的機(jī)身重量，從而降低無人機(jī)的載荷成本和增加無人機(jī)的有效載荷量，延長機(jī)體的飛行距離和飛行時間，對無人機(jī)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化、小型化和高性能化意義重大，成為新一代無人機(jī)的理想材料。
從材料本身來說，使用碳纖維復(fù)合材料至少能比鋁合金材料減重30%以上，但是在實(shí)際的應(yīng)用中，要想最大化地體現(xiàn)出碳纖維復(fù)合材料的輕量化優(yōu)勢還需從以下幾個方面著手。
利用鋪層設(shè)計減重
碳纖維復(fù)合材料具有高度的各向異性，復(fù)合材料縱向(纖維方向)的彈性模量和強(qiáng)度較強(qiáng)，橫向(垂直纖維方向)的彈性模量和強(qiáng)度則相對較弱?？梢酝ㄟ^鋪層結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，利用復(fù)合材料的非對稱和非均衡鋪層產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，把復(fù)合材料結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)彈性完美結(jié)合起來，使碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢力學(xué)性能方向沿結(jié)構(gòu)的傳力路徑布置，從而有效利用了每一絲束的承載能力，最大限度地發(fā)揮出其力學(xué)性能優(yōu)勢。
以無錫智上新材一款重載四旋翼無人機(jī)提供的碳纖維部件為例，這款無人機(jī)最大起飛重量為25kg，最大有效載荷為11kg，軸距為1700mm，空載續(xù)航為40min，滿載續(xù)航為20min，客戶要求該款無人機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性安全系數(shù)都要達(dá)到2.0。這款無人機(jī)整體結(jié)構(gòu)主要包括中心板、機(jī)臂和起落架這三部分。無錫智上新材主要負(fù)責(zé)碳纖維機(jī)臂和中心板部分的制作。其中，機(jī)臂尺寸長610mm，寬37mm、高47mm。
可發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)臂在使用碳纖維復(fù)合材料【0°】7的鋪層方案時，機(jī)臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性均高于設(shè)計強(qiáng)度及穩(wěn)定性系數(shù)2.0的要求。而強(qiáng)度及穩(wěn)定性過剩必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料冗余，增加了無效機(jī)重，給飛行效率及成本帶來負(fù)面影響。因此，必須通過碳纖維復(fù)合材料的鋪層優(yōu)化，使機(jī)臂既能滿足設(shè)計強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，又能保持相對最低的機(jī)體重量。
無錫智上新材通過多次實(shí)驗(yàn)比較，選擇采用碳纖維復(fù)合材料【0°】4的鋪層方案，這樣，單根機(jī)臂重量僅有130g，相比【0°】7的鋪層減重了60g，整機(jī)實(shí)現(xiàn)減重240g。
同樣，在碳纖維復(fù)合材料優(yōu)異的抗拉壓性能保證下，中心板也采用碳纖維鋪層優(yōu)化方案，采用上中心板【0°/45°/90°/45°】s，下中心板鋪層為【0°/45°/90°】s。這樣，整個中心板的重量僅為377g，實(shí)現(xiàn)了能滿足設(shè)計強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求下的最輕重量。
利用夾芯結(jié)構(gòu)減重
碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計靈活多變，三明治夾芯結(jié)構(gòu)也是一種重要的結(jié)構(gòu)減重方法。三明治夾芯結(jié)構(gòu)就是在相對較厚的芯材兩側(cè)貼附薄卻有足夠剛度的面板，這種結(jié)構(gòu)在承受彎曲載荷時，上下面板之間存在一定的距離，結(jié)構(gòu)上反而能獲得更大比例的剛性。以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為蒙皮，芯材可選用XPS、EPP、PMI等具有一定硬度和抗壓能力的輕質(zhì)泡沫塑料，使之形成碳纖維-芯材-碳纖維的復(fù)合夾芯結(jié)構(gòu)。
這種三明治夾芯結(jié)構(gòu)在保持力學(xué)性能的同時還能顯著減輕重量，尤為重要的是還可以在一定程度上降低成本。這種方法多用于較為大型的無人機(jī)機(jī)體部件，在碳纖維醫(yī)療床板中也較為常見，在小型無人機(jī)中也是一種可以考慮的方案。
一體化成型工藝減重
碳纖維復(fù)合材料的成型工藝包括：編織纏繞、真空輔助成型、RTM、真空熱壓罐、模壓等等。無人機(jī)需要高度翼身融合的飛翼式總體啟動外形，所以在氣動外形上要盡量做到精準(zhǔn)。因此，使用碳纖維復(fù)合材料制作無人機(jī)機(jī)體時，最好采用大面積的一體化成型工藝。而且，一體化整體成型還可以避免因分片制備部件、拼接組裝等帶來的連接問題和連接贅重，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重。
從目前情況看，在無人機(jī)上使用碳纖維復(fù)合材料是減輕機(jī)體重量和增強(qiáng)機(jī)身機(jī)翼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有效途徑，但是這也需要適用于無人機(jī)的碳纖維復(fù)合材料在材料設(shè)計及工藝體系方面進(jìn)行配合，才能最大化地體現(xiàn)和利用碳纖維復(fù)合材料的特殊優(yōu)勢。
魯ICP備2021047099號