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高模量碳纤维在长航时太阳能无人机中的应用
发布日期:2020-03-17  来源:中科院宁波材料所特种纤维事业部  浏览次数:625
 
   摘 要

  RQ-4型Global Hawk全球鹰无人机是诺斯罗普·格鲁曼公司(Ryan Aeronautical Center)生产制造的无人机,它是一种高空、长航时无人侦察机,可为军事野战指挥员提供大地理区域的高分辨率、近实时图像。

  全球鹰无人机项目由国防航空侦察局(DARO)资助,并由国防高级研究计划局(DARPA)和美国空军管理;作为第一架得到美国联邦航空局(FAA)认证可以在美国民航机领空飞行的无人机,目前已经在美国空军和美国海军服役。

  本文主要介绍了全球鹰无人机的发展历程,并介绍了高模量碳纤维在全球鹰中的应用,如无人机的机翼和机尾大量采用了高模量碳纤维复合材料



美国爱德华空军机场等待起飞的全球鹰无人机

  1全球鹰无人机的发展史

  诺斯罗普·格鲁曼公司是全球鹰无人机的主要承包商,并在其名下位于圣地亚哥的航空工厂制造,主要供应商包括雷神系统公司(传感器系统)、劳斯莱斯北美公司(涡轮风扇发动机)、北美波音公司(碳纤维机翼)和L3通讯公司(通信系统)。

  2001年3月,美国国防部与诺斯罗普·格鲁曼公司签署了该计划的工程和制造开发(EMD)阶段的合同。

  2001年4月,全球鹰完成了航空业的历史,这是由无人驾驶飞机完成的第一次跨太平洋直飞航班,从加利福尼亚州的爱德华兹空军基地飞往南澳大利亚州爱丁堡的澳大利亚皇家空军基地。



全球鹰无人机最大飞行高度达65,000英尺(1.98万米)

  2003年8月,全球鹰成为第一架获得美国联邦航空管理局(FAA)许可在国家领空飞行的无人机。

  2007年4月,首批20架全球鹰完成了首飞,首架于2008年6月交付;截止2011年共有54架无人机交付美国空军使用。

 

全球鹰无人机在美国空军服役

  2010年2月,全球鹰美国空军的RQ-4全球鹰完成了3万个作战飞行小时和1500架次的飞行。

  2016年7月,全球鹰无人飞机系统(UAS)已实现累计20万小时的飞行。

  全球鹰可以在所有类型的行动中执行侦察任务。该飞行器的14,000nm射程和42小时的续航力,再加上与地面部队的卫星和视线通信链路,可在全球范围内运行该系统。

  此外全球鹰高分辨率传感器,包括可见光和红外电光系统以及合成孔径雷达,将在24小时内对40,000nm?的区域进行监视。

  2019年10月,美国空军将一个由319侦察翼RQ-4全球鹰无人飞机系统组成的中队重新部署到关岛的安德森空军基地(AFB),此前向日本部署的全球鹰包括2014年、2015年和2018年的三泽空军基地和2017年的横田空军基地。

  2高模碳纤维在全球鹰无人机中的应用

  高空长航时无人机通常都用来执行侦察通信等任务,为了满足任务系统和动力系统的功率需求,翼面往往需要铺设大面积的太阳能电池,因此需要有大面积的机翼。在无人机设计上往往采用很大的展弦比,尽可能减小飞机的诱导阻力,从而提高升阻比,提高气动效率。



高空长航时无人机大多飞行环境属于航空-航天之间的临近空间领域

  太阳能无人机普遍使用轻质、高强度和刚度的复合材料结构,机翼需要同时满足大展弦比、低结构重量、全轻质结构和超高强度等多方面要求。由于高模量碳纤维复合材料由于具有超高的结构刚度和抗变形能力,因此,成为长航时无人机材料的首选。

  全球鹰高空长航时无人机,除机身采用了铝合金以外,其他结构件大量采用了先进纤维复合材料,而且复合材料占结构总重量高达65%。

  全球鹰无人机的机翼和机尾大量采用了高模量碳纤维复合材料结构,其中机翼由沃特飞机工业公司(Vought Aircraft Industries)建造,跨度为116.2英尺,每个外部吊舱的硬点最大为1000磅。

  为了满足弯曲刚度等性能要求,全球鹰无人机四梁式承扭盒的I型梁结构完全采用高模量碳纤维增强环氧树脂预浸料制造,其中0°铺层占50%、其他铺层占50%。

  在无人机其他结构件中,极光飞行科学公司制造的尾巴的V型配置可提供低雷达和红外信号;加利福尼亚州托兰斯的霍尼韦尔航空航天公司提供了环境控制系统;起落架由加拿大魁北克的Heroux Inc.提供,前起落架是F-5设计的衍生产品,高度可调,以适应跑道的特性;全球鹰配备了由劳斯莱斯北美公司提供的AE 3007H涡轮风扇发动机。

  3未来展望

  随着美国全球鹰无人机研发成功并服役,高空长航时无人机成为竞相研发的焦点,但是美国、英国在该领域始终处于领先地位,如英国Zephyr西风太阳能无人机、美国Facebook公司天鹰无人机等均获得突破。



美国天鹰太阳能无人机

  2017年由中国航天科技集团公司十一院自主研发的新型彩虹太阳能无人机完成临近空间飞行试验,从而打破了国外技术垄断。



国产彩虹太阳能无人机在临近空间实现首飞

  高空长航时太阳能无人机不但可以替代卫星执行侦察、导航和电信传输等军事任务,而且在环境监测、通信和海上巡逻等方面对民用市场有着巨大的潜力。各国之所以愿意投入巨资和人才资源,除了其拥有广阔的应用前景之外,还在于作为前沿科技产品,其技术和产业集成带动能力相当强大。依托太阳能无人机等项目的带动,并配套研发高模量碳纤维、新型太阳能电池、新型储能手段等技术和产品,将有助于进一步推动我国航空航天产业的发展。

(部分资料来源 Air Force Technology)

  

 
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