CN107972843B - 一种轻质、高可维护性无人机复合材料结构系统 - Google Patents

Abstract

一种轻质、高可维护性无人机复合材料结构系统，包括机身(1)、机翼(2)、上尾翼(3)、下尾翼(8)、副翼(28)；机翼(2)位于在机身上蒙皮(12)中部，与机翼机身连接框(15)固定，机翼(2)安装副翼(28)；上尾翼(3)安装在机身上蒙皮(12)尾锥段并与尾翼安装框(16)固定连接，上尾翼(3)上安装方向舵；下尾翼(8)安装在尾锥下蒙皮(6)上并与下尾翼安装框(7)固定。本发明除极少数承受冲击载荷结构外，所有主承力结构均采用复合材料，与以往该类型无人机结构技术相比，巧妙地利用了复合材料的材料特性，满足小型高速无人机全复合材料结构承载、功能要求，低成本、高可维护性。

Description

一种轻质、高可维护性无人机复合材料结构系统

技术领域

本发明涉及一种无人机复合材料结构系统。

背景技术

当前无人机技术得到了快速发展，无人机在军民用领域均得到了越来越广泛的应用。机长2至5米，起飞重量50kg至300kg，飞行速度大于200m/s，续航能力大于40分钟的小型高速无人机的应用需求较大，能够很好地满足战场战术侦查、干扰敌方防空系统、供靶等任务需求。

目前该类无人机采用的结构系统方案差异较大，从先进复合材料的应用部位来看当前无人机除蒙皮及非主承力结构采用复合材料外，机身绝大部分主要承力结构还是以金属机加结构为主，产品批量生产后成本较高且机体结构重量较重。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种轻质、高可维护性无人机复合材料结构系统，除极少数承受冲击载荷结构外，所有主承力结构均采用复合材料，与以往该类型无人机结构技术相比，巧妙地利用了复合材料的材料特性，满足小型高速无人机全复合材料结构承载、功能要求，低成本、高可维护性。

本发明所采用的技术方案是：一种轻质、高可维护性无人机复合材料结构系统，包括机身、机翼、上尾翼、下尾翼、副翼；机身包括：头锥、尾锥下蒙皮、下尾翼安装框、进气道、机身上下蒙皮连接带板、机身上蒙皮、机身下蒙皮、隔框、机翼机身连接框、尾翼安装框、机载设备安装板、机身底部纵梁、发动机安装梁；机身上蒙皮与机身下蒙皮对接，接缝处分别使用机身上下蒙皮连接带板连接，发动机安装梁沿机身上下蒙皮连接带板延伸至机身尾锥部分，尾锥下蒙皮与机身上蒙皮尾锥段、机身下蒙皮一端对接，尾锥下蒙皮内安装下尾翼安装框；隔框、机翼机身连接框沿机身上下蒙皮连接带板分布，机翼机身连接框位于机身中部相邻两隔框之间，尾翼安装框沿发动机安装梁分布；头锥安装在机身最前端的隔框上，进气道入口在机身上蒙皮上，靠近机身尾锥部分；机载设备安装板分别在相邻两隔框底部，位于机身两端、机身下蒙皮上方；机身底部纵梁连接机翼机身连接框与隔框，位于机翼机身连接框、隔框底部，机身下蒙皮上方；机翼位于在机身上蒙皮中部，与机翼机身连接框固定，机翼安装副翼；上尾翼安装在机身上蒙皮尾锥段并与尾翼安装框固定连接，上尾翼上安装方向舵；下尾翼安装在尾锥下蒙皮上并与下尾翼安装框固定。

所述机身还包括：机身上部口盖、高度表天线口盖、维修口盖；机身上部口盖安装在机身上蒙皮各开口处，各开口位于机身上蒙皮上相邻两隔框之间或机翼安装处或进气道安装处；高度表天线口盖、维修口盖分别位于机身侧面。

所述机翼为碳纤维复合材料泡沫夹层结构，包括：机翼上蒙皮、机翼下蒙皮、机翼主梁、翼肋、泡沫夹芯、副翼转轴；机翼主梁为梯形框架结构；翼肋沿机翼主梁纵向分布，安装在机翼主梁上；机翼上蒙皮、机翼下蒙皮分别安装在机翼主梁上下两侧；机翼上蒙皮中部开有开口；机翼两侧相邻两翼肋间、机翼尖端填充泡沫夹芯；机翼后缘安装副翼转轴用于安装副翼；机翼主梁、翼肋材料为碳纤维复合材料。

所述机翼通过机翼主梁分别与平行的两个机翼机身连接框固定，连接点分别位于梯形的机翼主梁平行的两条边框上；机翼和机翼机身连接框各连接处分别设置铝合金镶嵌件；翼身连接框的上表面设置锥台，铝合金镶嵌件下表面设置锥孔，锥台与锥孔配合，螺栓穿过机翼上蒙皮、铝合金镶嵌件安装孔、翼身连接框的锥台处安装孔，端部使用螺母固定。

维修口盖包括：盖板、铰链、弹片锁、结构壁盒；弧形的盖板位于结构壁盒一侧，盖板与结构壁盒为一体结构，盖板一侧通过铰链与机身旋转连接；弹片锁为弹簧钢片，一端安装在盖板内侧，另一端设置挡块，挡块从结构壁盒侧边缺口伸出与机身之间实现锁紧。

所述上尾翼有2个、下尾翼有2个，两上尾翼之间夹角为90°，两下尾翼之间夹角为90°，相邻上尾翼、下尾翼之间夹角为90°。

机身上蒙皮、机身下蒙皮、隔框、机身底部纵梁为碳纤维复合材料层压板结构。

机载设备安装板为玻璃纤维面板木质夹芯的夹层结构。

机翼机身连接框、尾翼安装框、发动机安装梁材料为铝合金。

副翼为碳纤维复合材料泡沫夹层结构。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的无人机结构除部分连接结构、冲击载荷和面外集中载荷处采用金属结构，其余结构除需满足透波要求而采用玻璃纤维复合材料外，均为碳纤维复合材料结构，复合材料用量超过75％，形成了易于制造的高承载先进复合材料结构构型，全机相对传统结构实现减重20％以上，批量生产成本至少降低约25％，能够广泛应用于各类无人机结构系统设计。

(2)本发明提出了复合材料主承力结构件方案，如机翼前后主梁采用简化的变截面铺层方式，在翼身连接和副翼传动机构接口局部布置了金属镶嵌件以实现复合材料整体机翼与机身的连接，同时满足了快速制造和结构减重要求，具有成本低(单个零件的制造成本相对于金属机加结构降低50％以上)，制造周期短(仅为机加件的1/3)，结构重量轻(相对金属结构降低了约24％)，精度高(铝合金细长梁机加变形大)等优点；

(3)本发明的无人机结构为确保机载设备高可维护性，机体多处布置维护口盖、可拆卸机翼、可拆卸副翼、可拆卸尾翼、可拆卸升降舵，对于设备测试调试接口，专门设计了快速开关口盖；适用于小型无人机的结构承载及功能的结构。

附图说明

图1为本发明小型无人机结构总体布局示意图；

图2为本发明结构系统主要可拆卸结构划分示意图；

图3为本发明机身结构组成示意图；

图4(a)为本发明隔框示意图；

图4(b)为本发明设备安装板示意图；

图5为本发明机翼结构示意图；

图6为本发明副翼与机翼结构可拆卸连接示意图；

图7为本发明机翼主梁结构形式示意图；

图8为本发明机翼与机身连接示意图；

图9(a)、图9(b)、图9(c)为本发明快速维护口盖示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1、图2为无人机复合材料结构系统方案及主要可拆卸结构模块划分示意图。如图1所示，一种轻质、高可维护性无人机复合材料结构系统包括：机身1、机翼2、上尾翼3、下尾翼8、副翼28。

机身上部口盖4、头锥5、高度表口盖11等有透波要求，采用玻璃纤维复合材料。下尾翼安装框7由于要考虑回收坠撞要求，其蒙皮和骨架均采用铝合金结构。机翼2、上尾翼3和下尾翼8均采用碳纤维复合材料泡沫夹层结构。

如图3所示，为机身1结构组成示意。机身1包括：机身上部口盖4、头锥5、尾锥下蒙皮6、尾锥翼面安装框7、进气道组件9、机身上下蒙皮连接带板10(左右各1个)、高度表天线口盖11、机身上蒙皮12、机身下蒙皮13、隔框14(共计7个)、机翼机身连接框15(共计2个)、尾翼安装框16(共计2个)、机载设备安装板17、机身底部纵梁18、发动机安装梁19。机身上蒙皮12与机身下蒙皮13对接，接缝处分别使用机身上下蒙皮连接带板10连接，发动机安装梁19沿机身上下蒙皮连接带板10延伸至机身1尾锥部分，尾锥下蒙皮6与机身上蒙皮12尾锥段、机身下蒙皮13一端对接，尾锥下蒙皮6内安装下尾翼安装框7；隔框14、机翼机身连接框15沿机身上下蒙皮连接带板10分布，机翼机身连接框15位于机身1中部相邻两隔框14之间，尾翼安装框16沿发动机安装梁19分布；头锥5安装在机身1最前端的隔框14上，进气道9入口在机身上蒙皮12上，靠近机身1尾锥部分；机载设备安装板17分别在相邻两隔框14底部，位于机身1两端、机身下蒙皮13上方；机身底部纵梁18连接机翼机身连接框15与隔框14，位于机翼机身连接框15、隔框14底部，机身下蒙皮13上方；机翼2位于在机身上蒙皮12中部，与机翼机身连接框15固定，机翼2安装副翼28；上尾翼3安装在机身上蒙皮12尾锥段并与尾翼安装框16固定连接，上尾翼3上安装方向舵；下尾翼8安装在尾锥下蒙皮6上并与下尾翼安装框7固定。机身上部口盖4安装在机身上蒙皮12各开口处，各开口位于机身上蒙皮12上相邻两隔框14之间或机翼2安装处或进气道9安装处；高度表天线口盖11、维修口盖分别位于机身1侧面。

整个机身结构采用无桁结构，主要载荷由蒙皮承载，主要的纵向件包括机身底部纵梁18和发动机安装梁19，分别用以承受起飞时火箭助推载荷和固定连接发动机、承受发动机推力载荷等作用。机身1共布置7个隔框14用以满足承载、连接及相应的功能要求。机身上蒙皮12和机身下蒙皮13通过机身上下蒙皮连接带板10粘接，蒙皮与所有骨架均粘接。机身上蒙皮12、机身下蒙皮13、隔框14、机身底部纵梁18均采用碳纤维复合材料层压板结构；机载设备安装板17采用玻璃纤维面板木质夹芯的夹层结构，即在木板的上下各铺贴一层玻璃布粘接而成刚度较高的夹层结构；机翼机身连接框15、尾翼安装框16、发动机安装梁19为铝合金机加件。

图4(a)、图4(b)所示为典型复合材料层压板隔框14和机载设备安装板17的结构形式示意。隔框14采用“C”型截面，框体上预留设备通过孔20，并在通过孔20处设置弯边以提高刚度。机载设备安装板17上预留设备安装所需的托板螺母21，并设置了线缆通过孔22。

图5为机翼2结构示意图，机翼2为碳纤维复合材料泡沫夹层结构，机翼2包括：机翼上蒙皮23、机翼下蒙皮24、机翼主梁25前后梁共2个、翼肋26共4个、泡沫夹芯27、副翼转轴30。机翼2、副翼28均采用碳纤维复合材料泡沫夹层结构。机翼3的主承力骨架包括机翼主梁25、翼肋26均为碳纤维复合材料结构，采用“C”型截面。

机翼主梁25为梯形框架结构；翼肋26沿机翼主梁25纵向分布，安装在机翼主梁25上；机翼上蒙皮23、机翼下蒙皮24分别安装在机翼主梁25上下两侧；机翼上蒙皮23中部开有开口；机翼2两侧相邻两翼肋26间、机翼2尖端填充泡沫夹芯27；机翼2后缘安装副翼转轴30用于安装副翼28；机翼主梁25、翼肋26材料为碳纤维复合材料。

图6给出了副翼28与机翼1结构可拆卸连接示意图，机翼2上的副翼转轴30在副翼连接处设置叉耳，副翼28的连接镶嵌件29插入副翼转轴30叉耳，通过螺钉连接，实现结构可拆卸。

图7为机翼主梁结构形式示意图，机翼主梁25主体采用碳纤维复合材料，整个机翼主梁25从翼尖到翼根处采用变截面厚度铺层方案，同时考虑了快速制造和结构减重要求，在梁的尖端部32由于梁的高度较低，铺层在制造过程中铺贴困难并在固化过程中难以加压，因此用碳纤维单向预浸料填充。机翼2通过机翼主梁25分别与平行的两个机翼机身连接框15固定，连接点分别位于梯形的机翼主梁25平行的两条边框上；为了满足与机身1的连接，在机翼2和机身1连接螺栓处设置了铝合金镶嵌件33。机翼2和机身1通过4个螺栓连接，在翼身连接框15的上表面设置锥台37，在机翼主梁25的铝合金镶嵌件33下表面设置锥孔36通过螺栓34实现连接，具体如图8所示，锥台37与锥孔36配合，螺栓34穿过机翼上蒙皮23、铝合金镶嵌件33安装孔、翼身连接框15的锥台37处安装孔，端部使用螺母35固定。

两个上尾翼3之间夹角为90度，两个下尾翼8之间夹角为90度，相邻上尾翼3和下尾翼8之间夹角为90°，安装精度正负0.1度：

如图9(a)-图9(c)所示，给出了本无人机使用的一种快速维护口盖，主要用于满足无人机燃油加注、设备调试测试、脱插等地面操作时口盖的快速打开。维修口盖包括：盖板38、铰链39、弹片锁40、结构壁盒41。结构壁盒41在弹片锁40的挡块42所在位置处设置缺口实现锁紧，打开口盖时只需在外侧向上拨动弹片锁40边缘即可。盖板38采用金属(铝合金或不锈钢薄板)钣金成型，弹片锁40采用弹簧钢片制成，两者铆接。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种轻质、高可维护性无人机复合材料结构系统，其特征在于，包括机身(1)、机翼(2)、上尾翼(3)、下尾翼(8)、副翼(28)；机身(1)包括：头锥(5)、尾锥下蒙皮(6)、下尾翼安装框(7)、进气道(9)、机身上下蒙皮连接带板(10)、机身上蒙皮(12)、机身下蒙皮(13)、隔框(14)、机翼机身连接框(15)、尾翼安装框(16)、机载设备安装板(17)、机身底部纵梁(18)、发动机安装梁(19)；机身上蒙皮(12)与机身下蒙皮(13)对接，接缝处分别使用机身上下蒙皮连接带板(10)连接，发动机安装梁(19)沿机身上下蒙皮连接带板(10)延伸至机身(1)尾锥部分，尾锥下蒙皮(6)与机身上蒙皮(12)尾锥段、机身下蒙皮(13)一端对接，尾锥下蒙皮(6)内安装下尾翼安装框(7)；隔框(14)、机翼机身连接框(15)沿机身上下蒙皮连接带板(10)分布，机翼机身连接框(15)位于机身(1)中部相邻两隔框(14)之间，尾翼安装框(16)沿发动机安装梁(19)分布；头锥(5)安装在机身(1)最前端的隔框(14)上，进气道(9)入口在机身上蒙皮(12)上，靠近机身(1)尾锥部分；机载设备安装板(17)分别在相邻两隔框(14)底部，位于机身(1)两端、机身下蒙皮(13)上方；机身底部纵梁(18)连接机翼机身连接框(15)与隔框(14)，位于机翼机身连接框(15)、隔框(14)底部，机身下蒙皮(13)上方；机翼(2)位于在机身上蒙皮(12)中部，与机翼机身连接框(15)固定，机翼(2)安装副翼(28)；上尾翼(3)安装在机身上蒙皮(12)尾锥段并与尾翼安装框(16)固定连接，上尾翼(3)上安装方向舵；下尾翼(8)安装在尾锥下蒙皮(6)上并与下尾翼安装框(7)固定；机身上蒙皮(12)、机身下蒙皮(13)、隔框(14)、机身底部纵梁(18)为碳纤维复合材料层压板结构；机载设备安装板(17)为玻璃纤维面板木质夹芯的夹层结构；副翼(28)为碳纤维复合材料泡沫夹层结构。

2.根据权利要求1所述的一种轻质、高可维护性无人机复合材料结构系统，其特征在于，所述机身(1)还包括：机身上部口盖(4)、高度表天线口盖(11)、维修口盖；机身上部口盖(4)安装在机身上蒙皮(12)各开口处，各开口位于机身上蒙皮(12)上相邻两隔框(14)之间或机翼(2)安装处或进气道(9)安装处；高度表天线口盖(11)、维修口盖分别位于机身(1)侧面。

3.根据权利要求1或2所述的一种轻质、高可维护性无人机复合材料结构系统，其特征在于，所述机翼(2)为碳纤维复合材料泡沫夹层结构，包括：机翼上蒙皮(23)、机翼下蒙皮(24)、机翼主梁(25)、翼肋(26)、泡沫夹芯(27)、副翼转轴(30)；机翼主梁(25)为梯形框架结构；翼肋(26)沿机翼主梁(25)纵向分布，安装在机翼主梁(25)上；机翼上蒙皮(23)、机翼下蒙皮(24)分别安装在机翼主梁(25)上下两侧；机翼上蒙皮(23)中部开有开口；机翼(2)两侧相邻两翼肋(26)间、机翼(2)尖端填充泡沫夹芯(27)；机翼(2)后缘安装副翼转轴(30)用于安装副翼(28)；机翼主梁(25)、翼肋(26)材料为碳纤维复合材料。

4.根据权利要求3所述的一种轻质、高可维护性无人机复合材料结构系统，其特征在于，所述机翼(2)通过机翼主梁(25)分别与平行的两个机翼机身连接框(15)固定，连接点分别位于梯形的机翼主梁(25)平行的两条边框上；机翼(2)和机翼机身连接框(15)各连接处分别设置铝合金镶嵌件(33)；翼身连接框(15)的上表面设置锥台(37)，铝合金镶嵌件(33)下表面设置锥孔(36)，锥台(37)与锥孔(36)配合，螺栓(34)穿过机翼上蒙皮(23)、铝合金镶嵌件(33)安装孔、翼身连接框(15)的锥台(37)处安装孔，端部使用螺母(35)固定。

5.根据权利要求2所述的一种轻质、高可维护性无人机复合材料结构系统，其特征在于，维修口盖包括：盖板(38)、铰链(39)、弹片锁(40)、结构壁盒(41)；弧形的盖板(38)位于结构壁盒(41)一侧，盖板(38)与结构壁盒(41)为一体结构，盖板(38)一侧通过铰链(39)与机身(1)旋转连接；弹片锁(40)为弹簧钢片，一端安装在盖板(38)内侧，另一端设置挡块(42)，挡块(42)从结构壁盒(41)侧边缺口伸出与机身(1)之间实现锁紧。

6.根据权利要求1或2所述的一种轻质、高可维护性无人机复合材料结构系统，其特征在于，所述上尾翼(3)有2个、下尾翼(8)有2个，两上尾翼(3)之间夹角为90°，两下尾翼(8)之间夹角为90°，相邻上尾翼(3)、下尾翼(8)之间夹角为90°。

7.根据权利要求6所述的一种轻质、高可维护性无人机复合材料结构系统，其特征在于，机翼机身连接框(15)、尾翼安装框(16)、发动机安装梁(19)材料为铝合金。