1、无人机用复合材料设计标准制定无人机不需要考虑人的生理承受能力,为充分发挥复合材料的性能优势,可以设计比有人机更低的安全系数,为了达到更高的灵活机动性能,无人机可以设计较大的过载荷系数,达到15~20g ;同样因为不需要考虑人员因素,无人机可以有更大的设计空间,采用更为先进的气动构型,因此要研究制订一些新的设计规范和计算准则, 以指导无人机复合材料结构的设计、计算、试验和验收鉴定等。
2、复合材料机翼气动、结构设计难点
以高空长航时无人机为背景,国内已经开展了大展弦比柔性复合材料机翼的相关研究,但这些研究对柔性复合材料机翼还缺乏足够的认识,没能有效揭开结构、强度、气动、控制之间强烈的耦合关系,更谈不上有效利用大展弦比复合材料机翼的柔性来提高飞机的性能。
高空、超高空长航时无人侦察机工作在20~30km 的高度上,空气稀薄,空气密度小于海平面空气密度的8.4%,因此研究这种低雷诺数气动特性和升力之间的关系,是提高机翼升力的途径之一。
大展弦比复合材料柔性机翼,在飞行载荷作用下,当有一个外部激励时,必将产生一个非线性的结构变形,同时结构的非线性变形又对气动产生影响,形成结构和气动力的耦合作用,这种耦合影响容易导致高空长航时无人机气动发散,无法收敛导致机翼失效。因此,采用大展弦比机翼的高空无人机必须解决这种柔性机翼的飞行控制问题。
大展弦比复合材料柔性机翼为轻结构,要满足结构具有最小重量和具最大的效率要求,往往要依靠综合结构优化设计技术。由于大展弦比复合材料柔性机翼设计的复杂性,这种综合优化设计需要在多个层次上进行优化设计,例如拓扑形状优化、尺寸优化,而且,这种优化是考虑复杂的气动弹性问题的有多种目标、多种约束性质、多种多级设计变量的综合优化设计技术。
3、大型复合材料复杂结构整体化制造变形
复合材料制造的一个突出的问题是不能类似于金属构件那样得到精确的几何或构型尺寸,特别是对于大型整体化复杂复合材料结构,往往可能因为一个较小的局部结构制造变形,最终会造成大型整体化复杂结构产生很大的变形,不能用于部件的装配。典型的大型复合材料复杂结构有高空长航时无人机大展弦比柔性复合材料机翼、无人攻击机翼身融合体大型复合材料整体构件等。在研究这些结构制造过程中,关注温度分布不均、压力分布不均匀、结构非对称等因素对变形的影响并确定影响变形的关键因素、提出变形控制方法和提供对变形进行补偿的各种措施,以便合理而有效地解决大型复杂结构制造变形问题。
4、隐身复合材料结构设计/ 制造技术
隐身是现代战机要求的一项高尖端技术,无人机由于经常出现在敌方的防空和雷达监测的空域中,对隐身提出了更高的要求。现代隐身技术主要有材料隐身、涂层隐身、等离子体隐身、结构细节设计隐身等手段。无人机结构多为复合材料夹层结构,在结构细节设计隐身的基础上,作者认为可以优先开展复合材料泡沫或蜂窝夹层结构隐身设计和制造技术研究,在细节设计和结构设计、制造层次上解决无人机复合材料隐身技术。
5、RTM 和RFI成型复合材料结构件力学性能评估技术
低成本、高效费比是无人机的显著特点。采用整体化成形技术对于减少复合材料部件结构数量、降低使用和维护费用、节约成本、提高效率具有重要的作用。近年来,工程上,已经能够用RTM 和RFI 成型工艺方法制造复合材料构件,但是国内尚没有将这种成型工艺方法制造复合材料构件批量应用到具体型号上。究其原因,作者认为是对RTM 和RFI成型复合材料结构件(如编织复合材料构件)设计、力学性能、构型和力学性能之间的关系尚未认识清楚。国内尽管部分对RTM 和RFI 成型复合材料构件力学性能进行了研究,但这种研究是不系统和不完整的。因此进一步深入研究评估RTM 和RFI成型复合材料结构件力学性能是实现低成本、高效费比无人机结构平台的设计/ 制造的有力保证。
另外,还有低成本制造技术(低成本材料、自动化制造、结构连接技术等)、快速复合材料无损检测技术、智能材料设计/ 制造技术等。