关于无人机结构设计技术的讨论《免费》

关于无人机结构设计技术的讨论作者：何景武 范曼华 张晓鸥(北京航空航天大学，北京 100083)摘要：从无人机同有人机的设计、研制、经费及使用维护等多方面出发，进行对比分析，较为深入地分析了无人机同有人机在结构设计上的差别，分析无人机结构设计的 特点，最后具体地说明了需要加强研究和值得关注的无人机结构设计技术。关键词：无人机结构设计一、前言无人机同民用飞机、军用飞机等有人机相比，在飞机的使用要求、任务使命等多方面都有所不同，所以，无人机在总体设计、气动特性要求及结构完整性设计要求等方面同有人机相比有一定的差别。因此，不宜直接将民用、军用等方面的有人飞机的结构设计思想完全照搬地应用到无人机的结构设计当中，而必须根据无人机研制的具体要求和特点进行无人机的设计和研制。当然，无人机同有人机相比也有很多共同的特性，因此，在无人机的研制当中也有必要参考有人机多年的研制经验和成熟的研制技术。如何把握好无人机同有人机在结构设计上的差别，在满足战术技术要求的前提下，设计出经济的、合理的无人机结构是当前无人机结构设计中值得关注的一个问题。由于没有驾驶员生理条件的要求，无人机飞行性能的可设计空间非常之大，起飞着陆的方式也可以多种多样。由此，导致了无人机门类的众多，各式各样的无人机，各种用途的无人机相继问世。由于无人机门类的众多，使得无人机的分类问题难以给出明确的定义，也使得总结无人机的研制规律难度增加。本文根据目前已知的国内外无人机的研制情况和使用情况，对比有人机来分析无人机的特点。在总结、分析无人机结构设计、研制及使用经验的基础上，力图说明一些有关无人机结构设计的思想、规律和特点，讨论无人机机体结构的设计技术；同时较为深入地分析无人机同有人机在结构设计上的差别，在此基础上具体地说明了需要加强研究和值得关注的无人机结构设计技术。本文讨论的主要是固定翼类的无人机。二、无人机的特点分析据统计，在有人驾驶的战斗机上，飞行员的体重占飞机有效载重的15，与飞行员相关的救生系统、座舱环控系统、氧气冷气系统和电子支援系统等也占据了飞机相当部分的重量和研第二届无人机发展论坛论文集设计与技术制经费。对于无人机，则不需要这些系统和装备，或可以适当地进行减免。这样，飞机结构就会省出很多空间，结构的布局和机载设备的安排就可以重新考虑。由于人的生理原因，新型战斗机的过载一般限制为lOg,而对于无机，其过载可达209或更多，所以，无人机结构在设计时可以根据需要放宽一些限制，包括：速度、高度、过载、航时等，机动性能也可以进行较大幅度的提高。在无人机上，由于没有驾驶员，所以也不需要座舱及相关设备，这样就可以缩小飞机的外形尺寸。据计算，性能相同的无人机和有人驾驶飞机相比，尺寸可减小约40。有人驾驶飞机的价格，随着社会的发展成倍的增长。F一22飞机的单价达到了1亿美元。至于轰炸机，价格更是惊人了。像B一2隐身轰炸机，它的造价是45亿美元。而无人机的价格普遍低于有人机，有的降低三分之一，有的可以说是一个数量级。在飞机的外场使用、维护方面，统计表明，一架战斗机在其整个寿命期的维护费用是该机购买价格的六倍。而无人机，特别是无人战斗机，则可以长期保存在仓库里面，可以在仓库里放十年或者更长的时间。这样，使用维护费用可大大减少，据军方估计可以减少80。由于飞机长时间地存放在仓库里所以飞机使用的频次较少，这样飞机使用的重复载荷导致的机体结构的损伤也就大大地降低。在飞行方面，无人机的训练跟有人机不太一样。对于有人机，飞行员必须驾驶飞机到空中去飞，飞一次就要几万美元，这里包括飞行员保养、各种油料、地勤人员工作、场站管理人员配合等多方面费用。而无人机则不同，操作人员(相当于飞行员)可以在虚拟的座舱里面进行训练。因为人不在飞机上，“驾驶员”是在操纵键盘，这样，就可以使用虚拟的训练系统，所以费用大大减少。对于无人机，一个操作员可以同时控制几架甚至数十架的无人机，而有人机的驾驶员则不可能在空中一个人开两架飞机。所以可以减少对飞行员的培养，这个费用也就大大地减少。所以说无人机的使用费用和维护费用是很低的，同时无人机还避免了参战人员的伤亡。无人机除了尺寸小、重量轻、速度快等特点外，还具有升限高、价格低、使用简单、维护方便等优点。无人机可以根据需要采用多种方式进行起飞(发射)和降落(回收)。由于飞机上没有驾驶员，无人机可以长时间地进行续航，少则几天，多则几十天；可以超长距离地进行续航。无人机可以根据某一军种的需要研制特殊型号的飞机，即专用无人机；也可以跟据需要研制出一机多用的机型，以适应战场变化的需求。随着高新技术的发展与运用，随着思想观念的更新，在无人机上安装大气层截击导弹，可截击在助推段飞行的弹道导弹。在无人机上安装先进中程窄对空导弹、高速火箭导弹，就可以对敌方飞行器进行空中拦截打击。无人机携带攻击性武器，还可对纵深之敌和地面目标进行攻击。目前先进的无人机可以在数千里之外的地面控制人员的操作下发射火箭，这就使无人机具有了很强的攻击性。 虽然无人机与有人机相比，具有价格低廉，机体小，机动灵活，起飞不受限制，无人员伤亡，空勤保障简单，必要时可与敌同归于尽等优点，但也存在一些弱点和不可靠的地方。经验表明，目前无人驾驶战机的“综合素质”还不敌那些服役二三十年的有人驾驶战机。统计表明，每10万小时飞行时间内，有人驾驶战机坠毁两次，而无人驾驶的“捕食者”是43次， “全球鹰”是167次。在技术上，因无飞行员，且机载系统复杂，也给其飞行带来不便。当出现故障时，无人机本身不能排除故障，也不能作出瞬时调整，而通常要返回基地，所以较容易发生摔设计与技术 第二届无人机发展论坛论文集机事故。由于无人机自身携带的传感器少，在很大程度上要依赖于离机的各种传感器来获取信息，这就存在着一个大量信息流如何管理的问题。另外，无人机与操纵人员之间的交互作用、协调和变化的程度要比有人作战飞机复杂得多。一方面要求机载设备的智能化程度高，要有安全可靠且冗长的数据链。另一方面对操纵人员的素质要求也很高，操纵人员不仅要监控飞机的飞行状态，适时改变航向，更重要的是，必须在关键时刻从“控制中心”发送动作指令，使飞 机能够实时决速地机动或攻击。在战术上，无人机执行任务时，无法及时判断地面真假目标，遇到空中威胁时，不能做到先机制敌或改变航线。虽然实施高空侦察，但有时为了拍摄准确图像，通常要实施低空侦察飞行，易被地面火器击中。无人机的飞行速度和航线一般比较固定，即使改变航线，也得进行大角度爬升，这就给敌方提供了有利战机。另外，与其它飞机机载电子侦察系统一样，无人机在使用中受天气、烟雾、伪装和电子干扰的影响较大，甚至会失去作用。目前，无人机还不能完全代替有人驾驶飞机，而无人机独有的性能也是有人驾驶飞机不能替代的。例如，无人机可在核、生、化环境下执行探测任务，可作雷达诱饵和靶机使用。无人机结构形式简单、造价低、易于研制、便于维护，这些特点也是有人驾驶飞机所无法实现的。因此，无人机发展的领域主要是针对有人机和卫星所难以达到的应用领域。而随着无人机研制技术、研制水平及智能化程度的提高，无人机将可以取代部分有人机或卫星的应用领域；或对有人机和卫星的应用领域进行补充，更好地完成相应的任务。三、无人机的结构设计这里所说的无人机结构主要是指无人机的机身、机翼、尾翼、起落装置(发射回收装置)、操控装置等各飞机部件及各装置(系统)的结构部分。前面对无人机特点的讨论，说明了无人机同有人机在设计上、使用上及研制要求上的一些差异。正是由于考虑到无人机同有人机的这些差异，使得无人机的结构设计、研制和使用维护等方面具有了其自身的一些特点。对于无人机，由于机上没有驾驶员，不存在人的生理环境要求，因此在机体结构的安全要求、结构形式及结构的强度刚度要求等方面可作适当地调整，可以把结构设计的较为简单、轻(方)便和灵巧。同有人机相比，无人机的结构设计、研制及使用有以下一些特点。1在无人机结构设计要求上同有人机的主要差异表现在安全系数的选取、安全裕度的控制以及总体设计参数的确定。由于无人机上不需要安置座舱及其相应的设备，飞机的主体结构可以根据飞机的外形及强度、刚度的需要，尽量地使用简捷的结构形状和明确的传力特征。由于各种管路、油路、气路及电缆等相对较少，且传递路线较为直接，所以，结构件上的各种开口、开槽也就相对较少。因此，无人机的结构分析计算的准确性相对较好。目前的无人机多数为侦察、监视、通信类无人机，属于低速飞机或亚声速飞机，所谓高速无人机一般也是指高亚声速的无人机；再考虑到无人机的使用方式比较规范，机动情况相对较少，所以，无人机的载荷情况和载荷大小可以相对确定的较为准确。另外，由于无人机结构相对简捷，零部件的外形较为规范，这样也给零部件的工艺设计及机械加工带来了一些方便，可以较好地保证零部件的生产质量。总体来说，在无人机结构的设计当中，可确定的因素较多，各种因素对结构的影响相对更加明确，所以，无人机结构设计的安全系数完全可以取得低一些。综合以上诸多因素的考虑，无人机结构设计中各种安全系数的取值普遍要比有人机低一些。对于一般的载荷情况，有人机通常取15，而无人机通常可以取到1213或更低一些。无人机应按使用载荷进行设计。至于安全裕度，有人机由于结构的复杂性、载荷的复杂性及使用的复杂性，导致飞机结构安全裕度的分散性较大，结构的个别地方强度裕度很紧张，而有些部位强度裕度却很大。对于无人机来说，由于结构相对简捷，传力形式较为明了，零部件外形较为规则，所以设计时对结构的各方面的裕度储备较容易控制，减少了结构安全裕度的分散性，从而可以更有效地发挥各部分结构件的效能和功能，减轻结构重量。通常，对于无人机的大多数金属结构件的强度裕度可以控制在010，-015以内；复合材料结构件的强度裕度可以控制在020以内。当然，如果考虑到型号以后的改型和发展，也可以在结构设计时预留较多的强度裕度储备。影响无人机结构设计的总体参数很多，而关系较大的莫过于飞机的飞行速度、发射速度、着陆速度(回收降落速度)、飞行高度和过载。由于无人机上不需要驾驶员，所以影响结构设计的总体参数主要是根据无人机的战术技术要求来决定。由此，无人机结构的可设计范围大大超出了有人机的设计范围。当然，如果要设计超常规性能的无人机，也会增加了一些无人机结构的设计难度。2无人机的结构设计为了突出其简捷的特征，可以把几个零部件设计成为一个整体结构。这样可以减少结构的连接件、紧固件，从而减轻结构重量，减少结构应力集中区域的个数，从而也就减少了机体结构的关键危险部位的个数，简化了机体结构的维护和修理。采用整体结构设计技术，还可以保证结构强度、刚度特性的连续性，简化飞机的传力关系，易于对结构设计进行调整和改进，易于实施一些先进的结构设计技术，从而可以更精确地进行结构设计。从无人机的特点出发，采用整体结构件设计技术，减少零部件的设计思想是完全可行的。对于有人机来说，必须构架出一个(或多个)驾驶舱，而驾驶舱又必须在飞机的头部(前机身)，以保证飞行员的正常视线。这样，机身结构的连续性遭到破坏，从而不得不设计出更多的结构件并加以复杂的连接将结构连为一体。由于驾驶员生理需要，必须对飞机的驾驶舱进行环境调控：有些飞机还需要设计一套救生系统。同时，由于飞行员的驾驶舱是飞机的控制中心，飞机上的不同部位的各种设备和各种操作及控制都必须通过各种管路、油路、电缆、机械操纵或传动装置，穿过飞机结构连接到驾驶舱。这样，就给飞机整体结构的设计带来了很多麻烦，难以实现结构件的组合和分割。而无人机则不样，无人机的控制中心是飞控计算机，无人机上的各种设备和各种操作及控制都是电传控制，只需要电缆连接即可，这样就给结构设计提供了很多方便，较容易实现结构件的组合和分割。所以，对于无人机的结构设计来说，完全可以根据需要采用组合式结构件、插入式零部件的设计。因此，考虑到无人机的实际特点，在无人机的结构设计当中，应尽量采用组合式结构件、插入式零部件，突出结构件的互换性，这样较方便于飞机的维护和修理，提高飞机可靠性，缩短发射(起飞)准备时间。对于伞降回收等形式回收的无人机，有些零部件应设计的较脆弱，以便吸收机体着陆时的撞击能量，减少机体结构和机载设备的损伤。3无人机的任务载荷能力是无人机整体性能的一个重要指标，因此，在任务载荷舱的设计时，应尽量提高任务载荷的能力和互换性，以便无人机有能力装载不同的任务设备，执行不同的飞行任务。4目前的无人机多数为侦察、监视、通信类无人机，为了提高无人机的生存能力，应强调使用隐身构型和布局，也可以考虑大面积甚至全机机体使用雷达吸波材料。无人机的结构设计应大量使用先进的复合材料，如碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、蜂窝夹层复合材料等。目前复合材料在无人机设计领域已经得到广泛应用，成为无人机设计的主要结构性材料。复合材料的应用对飞机结构轻质化、小型化和高性能化已经起到了至关重要的作用。和传统金属材料相比较，复合材料具有比强度和比刚度高、热膨胀系数小、抗疲劳能力和抗振能力强的特点，将它应用于无人机结构中可以减重25，-30。同时复合材料本身具有可设计性，在不改变结构重量的情况下，可根据飞机的强度刚度要求进行优化设计。目前的研究、应用表明，使用优化技术对复合材料部件进行设计，可以在飞机的结构、气动和控制性能等方面提供较大的裕度；而且可以利用复合材料的刚度方向性和耦合效应对复合材料结构进行优化设计，使无人机结构在载荷作用下产生有利的弹性变形，从而改善无人机的设计性能。如美国比例复合材料公司研制的高空长航时无人机“普洛透斯”(Proteus)全部采用了复合材料结构。通常无人机的机翼、尾翼及各种天线罩、护板、蒙皮等结构件大量地使用复合材料，而机身、起落架等结构件的复合材料的使用量相对较少。另外，在中小型无人机上，木质材料、轻型塑料、塑料薄膜等非金属材料也得到了大量的使用。5大展弦比机翼能产生较大的升力，有利于增大航程和延长续航时间。因此在长航时一类的无人机结构设计中，均采用大展弦比机翼(通常展弦比大于5的机翼)构型，如美国的长航时无人机“全球鹰(Global Hawk)和“暗星”(Dark Star)的展弦比分别达到了25和1483。大展弦比机翼具有大柔性的特点，而显著的结构柔性效应与无人机的气动弹性特性、结构稳定性、气动伺服弹性及突风响应等方面有着十分密切的关系。因此，在大展弦比机翼结构的设计中，必须重视结构的刚度设计，注意结构刚度特性与各种结构响应的关系，注意提高结构的局部刚度和整体刚度。由于采用了高强度的复合材料，大展弦比机翼结构的强度设计通常较容易保证。6无人机设计出来以后，马上就进入工程研制阶段。在这一阶段中，要进行各个结构件的生产加工制造，还要进行和结构有关的各种地面试验。无人机结构件的加工制造，对于金属结构来说，没有什么特别之处；对于复合材料结构件的加工制造，则要特别加以注意。复合材料结构件的设计、工艺、加工及最后的成型，实际上是个一体化的过程。在结构件的设计之初，结构设计人员与工艺技术人员就必须紧密地配合。以碳纤维复合材料层合板结构件为例，就必须在结构设计之初，给出明确的工艺要求，包括模具的设计、铺层的方式、零件之间的联接方式；是采用高温成型还是低温成型，是采用一次成型还是二次胶接成型；如何控制结构件的重量，如何对结构件进行检验等。这些问题都必须在发图之前加以确定。研制阶段结构件的地面试验通常是指材料特性试验、结构刚度试验、结构强度试验、地面振动试验、地面颤振风洞试验等。对于无人机来说，通常并不需要全面地进行各项地面研制试验，可根据所研制的无人机的战术技术要求，有选择地进行部分试验。对于中小型无人机，结构的强度刚度特性的校核应以分析计算为主，或辅以一些简易的地面试验进行校验。由于中小型无人机结构简单，使用方式和使用要求非常明确，结构调整和更改容易实现，所以，通常依靠经验及一些分析计算即可明确结构的强度、刚度特性，如有问题也可随时进行更改和调整。对于大型无人机，其结构的强度和刚度特性，则应在进行分析计算的基础上，可有选择地进行一些地面试验。由于目前的无人机多数为侦察、监视、通信类无人机，实际使用当中，飞行的航线、姿态、动作、高度、速度等各个方面都是数字式的控制方式，相对来说比较规范，所以，无人机的载荷情况和载荷大小可以相对确定的较为准确。再则，无人机的结构相对较为简捷，结构传力特性较为明确，所以分析计算的结果可以较为准确。因此，对于无人机来说，完全可以以较准确的分析计算来代替一些地面试验，这样既可以减少研制经费、缩短研制周期，又可以保证研制质量。7前面提到，无人机在使用、维护方面与有人机差别较大。平时，无人机通常是放在仓库里，一年或多年才使用一次；即使是战时，无人机的使用频率也不会太高，远低于有人机的使用频率。另外，由于无人机的“综合素质”较差，缺少一定的“智能”，其坠毁的概率较大，被敌方击毁的可能性也较大。有些无人机还设计有一套自毁装置，根据战场实际情况的需要，为避免飞机落入敌方手里，迫不得已时启动无人机的自毁装置，将飞机炸毁。有些无人机还要设计成具有导弹的功能，在执行任务中，如确认已经无法进行回收时，则指示无人机与敌方武器装备(空中或地面的)同归于尽。据了解，实际上服役的无人机，很少是用坏的，即由于周期性的疲劳载荷使结构发生破坏，多数是由于其他原因而损坏。比如，在长时间的停放过程中，没有进行很好的维护、保养或规定的维护，保养方案(大纲)存在问题；在执行任务中，被敌方击落；或由于操作不当，或由于控制系统问题导致飞机坠毁等。因此，无人机在使用上与有人机相比，应该说有较大的差别。根据无人机的这些使用特点和实际使用中可能出现的情况，在无人机的结构设计中就要考虑这些问题。与此相关的结构特性包括结构的抗坠毁性能，结构的疲劳强度特性，结构的使用寿命问题等等。在无人机的结构设计中，就要考虑结构的抗坠毁能力，或提高结构防止产生坠毁现象的能力。比如在飞机上加装具有一定智能(或地面可控)的伞降机构，当由于某种原因导致无人机将要发生坠毁现象时，无人机能够及时自动(或被动)地关闭发动机，打开降落伞，对飞机进行回收。同时，在无人机结构设计上要安排一些易损零部件或具有减振、吸振特性的零部件，以便吸收机体在着陆、回收时对地面的撞击能量，减少机体结构和机载设备的损伤。对于要求具有自毁能力，或具有导弹功能的无人机，其高爆炸药的安放位置要选择好，以保证其自毁时，能够将飞机上的各种情报信息彻底毁灭。无人机机体结构的寿命问题是结构设计中必须考虑的。首先在结构的细节设计时，应注意防止过分的应力集中，减少局部高应力，控制结构的整体应力水平。由于无人机在服役期间，长时间地处于停放状态，所以必须着重考虑环境因素(如高温、低温、湿度、盐雾等)对结构的影响，即无人机的日历寿命问题。对于飞行载荷和地面载荷组成的无人机使用载荷谱，其各种载荷任务型相对较为规范，各级载荷在规定的循环周期内出现的频次相对较为稳定，分散性较小，所以可以较为准确地给出无人机的使用载荷谱(或设计载荷谱)。由于无人机在整个寿命期内，使用的频次不高，而且大多数无人机在没有达到全寿命之前即已报废(如被敌方击落或使用不当坠毁等)，所以对应于无人机在疲劳载荷下的结构应力可以设计得高一点，完全没必要按无限寿命或高寿命的方案设计。在无人机结构的维护、保养方面应给予特别的关注，设计时要注意结构的开敞性及提高无人机外场的可维护性。对于结构主要承力构件和结构关键部位、危险部位的维护、检查应有明确的要求，确保飞机结构使用的完好性，随时可以执行任务。四、无人机结构设计的关键技术根据对无人机结构设计技术的讨论，总结多年来无人机结构的研制经验，结合目前无人机的研制情况以及无人机的发展趋向，提出目前需要加强研究和值得关注的无人机结构设计技术。(1)机体外形、结构及雷达隐身一体化优化设计技术(2)全复合材料结构或混杂复合材料结构的设计技术(3)复合材料结构失效的工程判别方法研究(4)无人机结构设计的安全系数、安全裕度及许用强度等设计参数的取值问题研究(5)从结构特性设计出发，改善大展弦比机翼的气动弹性特性的设计技术研究(6)以减少零部件数目为目的的整体结构设计技术(7)组合式结构件、插入式零部件的结构设计技术(8)通用任务载荷舱的结构设计技术(9)抗坠毁结构设计及易损件结构设计技术，或称之为具有缓冲性能的结构设计技术(10)提高或改善结构的局部刚度或整体刚度的设计技术(11)无人机环境载荷谱的研究及无人机的结构寿命特性研究(12)不同类型、不同大小、不同任务特点的无人机地面强度刚度试验的必要性及选择性研究(13)验证无人机结构特性的飞行试验的必要性及选择性研究(14)无人机结构的防腐蚀特性研究(15)简化传力关系，提高结构效率的主承力结构的设计研究。暨主承力结构的布局研究。