小型無人機中機身復合材料成型技術

王稚翔

摘要：復合材料因其獨特的性能而廣泛應用于各國的飛機制造中，并且從最初的次結構逐漸發展到現在的主承力復雜結構。針對無人機特有的低風險（無人）、低成本（較大飛機而言）及總體尺寸較小等特點，利用復合材料的優良性能和各種工藝成型技術，不僅可以減輕質量、降低成本，而且也使得復合材料在無人機結構中的應用比重日益提高。

關鍵詞：無人機，機身復合;材料成型技術

一、中機身的結構

中機身用于連接前后設備艙機翼，主要為翼身融合型前端封閉的薄壁管狀結構，由碳纖維全復合材料構成（總體長度約0.6m，管狀直徑不到200mm，最大截面寬度約360mm），如圖1所示。

由圖1可知：前端管狀體封閉端面為中機身的1框，作為與前艙體的安裝配合面，設計有電池安裝位置和8個定位凹槽;1框后為本身艙體安裝空間，艙體兩端為與機翼連接的整流部分。

二、成型工藝分析及材料使用

2.1成型工藝分析

（1）分塊設計：在考慮艙體內組件的安裝時，需對中機身進行分塊設計，分離后的結構如圖2所示。分塊設計時需確定工裝分離面、模具組合方式以及連接處的下陷（膠接面）設計。

（2）工裝分離面的確定：在保證產品氣動外形的前提下，基于零件的安全脫模和膠接裝配的便利性來確定工裝分離面。其中，中機身下板件的工裝分離面確定在機翼整流前緣處，便于氣動外形的保護和與上板件的膠接裝配;同時，由于其后方較大的開敞性，也保證了零件成型過程中的加壓和固化后的安全脫模。

（3）模具的組合方式：根據中機身下板件的特點，采用組合金屬模具，主要分為前端框板成型凸模、機身下板件主體上/下凹模，模具組合后進行整體鋪貼、固化（中機身上板件則采用傳統金屬凹模成型;在設計組合模具時，注意正、負尺寸公差控制）。

（4）工藝設計：為保證產品質量，在具體制造過程中除使用凹模保證產品外形外，還要進行真空袋加壓成型;與其他成型方式相比，真空袋加壓成型方式不僅成熟穩定，而且質量可控。

2.2材料使用

成型所用的主要材料為中溫固化型EP（環氧樹脂）碳布預浸料和EP結構膠，如表1所示。

三、成型工藝研究

3.1成型工藝流程

中機身成型采用碳纖維/EP預浸料，經熱壓罐加熱后加壓成型。成型過程中按照典型工藝規范要求，嚴格控制預浸料鋪貼和熱壓罐固化工藝過程[如下料及鋪層角度、預壓實、工藝組合和固化條件（溫度、時間和壓力）等的控制。

3.2中機身上下板件成型

中機身上下板件具體成型的工藝流程均為“生產準備→鋪貼→工藝組合→固化→脫?！庑渭庸ぁ鷻z驗”，上板件由金屬板件模單獨成型。

（1）生產準備分為：①模具準備，將模具表面清理干凈，然后按規范要求在模具工作面上涂抹脫模劑、晾干，再按工藝要求進行模具組合（即將前端框板成型金屬凸模、中機身下板件主體成型上/下金屬凹模進行組合）;②預浸料剪裁，提前將密封完好的預浸料從冷庫中取出，置于操作間，直至預浸料密封袋上無可見冷凝水，再按工藝要求進行預浸料的裁剪，并及時進行標記。

（2）手工鋪貼：按工藝要求在組合模具上鋪貼預浸料，并進行預壓實。鋪貼首層及后續每鋪貼1～3層預浸料需預壓實1次，即在操作環境溫度條件下通過真空密閉系統將毛坯鋪貼時帶入的空氣排出。

（3）工藝組合：在毛坯件上分別鋪放隔離材料、透氣材料和塑料薄膜，并預先放置抽氣嘴和熱電偶，再通過密封膠帶使塑料薄膜與模具形成真空系統。

（4）固化：采用熱壓罐設備對帶毛坯件的模具進行加熱、加壓。

（5）脫模：爐內溫度降至出爐溫度以下時，將帶有毛坯件的模具出爐，清理毛坯件上的輔助材料，使用輔助工具將毛坯件脫離模具。

（6）外形加工：沿毛坯件上的產品輪廓線外緣進行外形加工，并對切口進行光滑處理。

（7）檢驗：根據產品驗收規范進行內部質量、外部質量及外形尺寸的檢驗。

3.3中機身板件成型

在合攏工裝上按照“預裝配→表面處理→膠接裝配”的流程，將中機身上、下板件在裝配工裝上用EP結構膠進行膠接裝配。

（1）預裝配：產品制造或損壞修復的粘接部位，在表面處理和粘接之前先預裝，檢查配合的尺寸、間隙以及所用的夾具是否合適。在預裝配中發現潛在的問題，可保證正式膠接順利進行。

（2）復合材料表面處理：對膠接面進行潔凈處理，在不傷及復合材料纖維的前提下通過“清洗→砂磨→清洗”方法去除膠接面上的雜質，提高膠接質量和耐久性等性能。

（3）膠接裝配：按照裝配關系在合攏工裝上進行板件間的膠接，膠粘劑的配制、涂覆及固化均按規范要求進行。待膠粘劑固化及檢驗合格時，可得到最終中機身復合材料產品。

四、結語

（1）通過對小型無人機中機身復合材料成型技術的研究，從產品工藝分離、模具組合及成型工藝設計等方面闡述了中機身從設計到制造的具體過程。

（2）通過分塊設計對產品進行了工藝分離，優化了產品設計，降低了制造復雜性;通過工裝分離面的確定，不僅保證了產品的氣動外形，也有利于后續的膠接裝配;通過組合模具的使用，實現了產品的整體成型;通過成型工藝設計，確保了產品的內外質量。

參考文獻：

[1]面向通信脆弱性的反小型無人機系統分析與評估[J].李雨鍇，胡浩，黃天禹，劉文斌.網信軍民融合.2021（09）

[2]民用輕小型無人機低空跌落撞擊對地面人員安全性影響[J].郭亞周，劉小川，白春玉，王計真，王亞鋒.航空科學技術.2021（12）

[3]小型無人機結構與控制分析[J].張光輝.電子制作.2021（02）

[4]小型無人機高速飛行橫向振蕩問題研究[J].劉關心，陶德桂.電光與控制.2021（02）

[5]一種民用小型無人機的射頻指紋識別方法[J].蔣平，謝躍雷.電訊技術.2021（06）

[6]論民用輕小型無人機試驗區建設對質量提升的重要性[J].楊宏偉，張凌，王湛.中國檢驗檢測.2021（03）

[7]基于無線輸電的小型無人機位置控制研究[J].陳海峰，馮春霖，應國德，高群，曹杰，崔粲.控制工程.2021（07）

[8]基于強化學習的中小型無人機動態航線規劃算法研究[J].楊雅寧.寧夏師范學院學報.2021（10）