整体式玻璃钢无人机机翼的研制
摘 要：通过对整体机翼结构、材料的分析，获得了较为完善的整体玻璃钢机翼的制造方案，并成功应用于某型无人机上。
1 引 言
随着航空技术的发展，用无人机替代有人飞机执行高风险作战任务，是当今国际航空领域的一个重要发展方向。因此，无人机的研制及生产成为各军事大国武器装备发展的重点。玻璃钢蜂窝夹层结构具有轻质、高强、结构刚度大、透波性好、隔音等特性。这种结构可有效弥补玻璃钢弹性模量低、刚度差的不足，在同样承载能力下能较大幅度地减轻结构的自重。近年来，在航空工业中得到了广泛应用。为了减轻重量，采用玻璃钢夹芯结构机翼形式的小型无人驾驶飞机也越来越多。
机翼是小型夫人驾驶飞机的一个重要部件，起着产生升力、承载气动力的双重作用，不但要有足够的强度、刚度和较轻的重量，而且要有光滑流线、准确的外形。因此，一个性能优异的机翼需从材料、结构及制造工艺进行综合考虑。一般机翼设计均为分段式结构，这种结构需将两翼进行连接，存在易折断的问题，对于轻型飞机来说重量也增加较多。目前，某型机机翼在设计上大胆地采用整体式机翼的新型结构，此种结构将左右侧机翼连为一体，提高了飞机的各项性能及美观度。
整体式机翼不但在设计上新颖，在制造技术上国内也未有可借鉴资料。与分段式机翼相比，整体式机翼在翼展方向的平直度对成型工艺提出了更高的要求。本文着眼于整体式轻型飞机机翼的新型结构，研制出一套较为完善的制造方案。
2 结构及难点分析
2.1 整体机翼的结构
整体玻璃钢机翼由上、下壁板、梁、肋等部件组成(见图1)。上、下壁板由玻璃钢及纸蜂窝组成，梁、肋采用工字型和U字型铝框架与轻质木层板构成，梁、肋与上下壁板采用室温固化胶胶接。蜂窝夹层结构的壁板、铝合金框架与木质层板可起到提高整体机翼展向刚度，减轻飞机重量的作用。壁板与梁、肋的胶接结构代替金属连接，在保证连接的同时，大大减轻了产品重量。
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2.2 制造难点分析
通过分析整体机翼结构，在制造工艺上主要存在如下难点：
①整体机翼长超过4m，而机翼横截面高度不足100mm。对于这样的薄板构件，如何保证展向不变形是制造工艺上一个难题，这里牵涉到上、下壁板的平直度和金属骨架的装配，以及骨架与壁板的协调等问题。
②机翼表面光洁度问题。为减轻重量，壁板采用了蜂窝结构，壁板的玻璃布仅有一层，故壁板表层的蜂窝格印如何消除，怎样才能提高表面质量，也是本课题研究的关键。
③重量是保证无人机性能的关键。对于整体式机翼结构，减重是工艺设计所要考虑的关键问题，纤维与蜂窝的重量是固定的，工艺解决重量在于含胶量的控制。
3 制造工艺方案
3.1 工装结构
按照一般工装设计，整体机翼应采用上、下壁板成型模和上、下壁板与梁肋的装配架。通过整体机翼结构分析，提出装配架与成型模合为一体的结构，仅需两块壁板成型模，在其中一块壁板成型模上设计梁、肋的安装卡板及各配件的锁紧机构，这种设计不但降低了制造成本，且防止了单面壁板因起模后产生的变形，为产品质量提供了有效的保障。(见图2)
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3.2 材料的选用
从整体机翼的结构特点可以看出，翼型为双曲面，翼展长度为4m,用胶粘剂通过卡板把壁板、梁、肋等粘接成复合部件，由于玻璃钢与金属件热胀系数较大，而木质件与玻璃蒙皮在零件制作是由于加工精度相对较小，要得到可靠的胶接质量，胶粘剂的选择相当重要。通过多种胶液的试用，选定热固性环氧类结构胶胶接板-芯结构，它具有涂敷性好、粘接性能高的特点。为保证重量要求，在胶粘剂中添加玻璃微球提高稠性。增强材料选用的是无碱平纹玻璃布，夹芯材料选用的是纸质蜂窝。
3.3 工艺流程
机翼在试造过程中存在外形尺寸不稳定、蜂窝偏移、蜂窝收缩等现象，通过分析及工艺调整，终确定成型方案如下。
(1)上、下壁板成型采用二次抽真空固化法：先固化上、下壁板外蒙皮，然后将蜂窝胶接在上、下壁板外蒙皮上进行一次抽真空固化，后在蜂窝上胶接上、下壁板内蒙皮进行二次抽直空固化。这种成型法特点是表面光滑，成型过程中可进行质量检查，发现问题可及时排除。充分的固化有利于提高壁板的固化度及刚性，有利于含胶量的控制。
(2)梁、肋的组装：梁、肋采用成型与装配的一体模进行组装。先进行预装协调，保证胶接间隙后，进行排铆、打铆，按从中间向两侧打铆钉的方式消除变形。
(3)壁板与梁、肋胶接，采用热固性环氧胶先将梁、肋与下壁板胶接，再盖上上壁板进行胶接，即二次胶接法。
3.4 工艺过程控制措施
(1)外形控制
整体机翼翼展长4m，且内部为金属骨架，因此，展向平直度和外形尺寸的控制是工艺上一个重点控制要素。本方案通过以下几个方面给予控制。
①模具结构：采用成型与装配一体模结构，壁板在整个工艺过程中始终不与模具脱开，保证壁板的平直度。
②金属骨架的装配放于成型模上，保证制造依据的一致性。
③金属骨架从中部向两侧逐件预装钻孔，隔断定位，保证展向不翘曲。
④在胶接前壁板先进行预装配，确保各点间隙均匀。
⑤上壁板胶接过程中覆盖均压板，将卡板的压力均匀传递到各点，保证各处受压均匀。[-page-]
(2)表面质量控制
为保证重量，机翼壁板选用的是纸蜂窝玻璃钢夹层结构，因壁板的蒙皮很薄，蜂窝印在壁板表面本十分明显。叵采用普通喷漆方式，为保证重量不能刮腻子，仅能喷面漆，喷后漆层表面蜂窝格难以消除。为此，工艺上采取在模具上直接喷胶衣树脂的方式，在未完全固化前，就铺壁板。胶衣树脂较好弥补了蜂窝格印，取模后蜂窝格印完全消除。此外，在胶衣树脂的选择上，应选择与壁板用树脂相溶性较好的类型。
(3)重量控制
重量是决定无人机性能高低的关键，而重量控制的关键在于含胶量的控制。工艺上通过以下工序进行控制。
①壁板蒙皮的胶量控制。
②壁板与蜂窝胶接的胶量控制。
③壁板与金属骨架的胶接胶量控制。
控制要点在于：
①配方的准确性。根据零件面积核算涂胶量。
②胶接间隙的控制。在预装配过程中将所有配合间隙控制在0.2mm范围内。
4 结 论
通过对整体机翼结构、材料的分析，经过制造方案的研究，获得了较为完善的整体玻璃钢机翼的制造方案，并成功应用于某型无人机上，同时从技术上得出了如下结论：
①采用胶接与成型一体的工装制造玻璃钢蜂窝夹层结构机翼的成型工艺具有独到之处，很好地解决了翼展超过4m的变形问题。
②胶衣树脂的运用能有效地解决蜂窝格印问题，从而提高产品表面质量。
③含胶量的控制关键在于配方、配量的准确及装配间隙的控制。
1 引 言
随着航空技术的发展，用无人机替代有人飞机执行高风险作战任务，是当今国际航空领域的一个重要发展方向。因此，无人机的研制及生产成为各军事大国武器装备发展的重点。玻璃钢蜂窝夹层结构具有轻质、高强、结构刚度大、透波性好、隔音等特性。这种结构可有效弥补玻璃钢弹性模量低、刚度差的不足，在同样承载能力下能较大幅度地减轻结构的自重。近年来，在航空工业中得到了广泛应用。为了减轻重量，采用玻璃钢夹芯结构机翼形式的小型无人驾驶飞机也越来越多。
机翼是小型夫人驾驶飞机的一个重要部件，起着产生升力、承载气动力的双重作用，不但要有足够的强度、刚度和较轻的重量，而且要有光滑流线、准确的外形。因此，一个性能优异的机翼需从材料、结构及制造工艺进行综合考虑。一般机翼设计均为分段式结构，这种结构需将两翼进行连接，存在易折断的问题，对于轻型飞机来说重量也增加较多。目前，某型机机翼在设计上大胆地采用整体式机翼的新型结构，此种结构将左右侧机翼连为一体，提高了飞机的各项性能及美观度。
整体式机翼不但在设计上新颖，在制造技术上国内也未有可借鉴资料。与分段式机翼相比，整体式机翼在翼展方向的平直度对成型工艺提出了更高的要求。本文着眼于整体式轻型飞机机翼的新型结构，研制出一套较为完善的制造方案。
2 结构及难点分析
2.1 整体机翼的结构
整体玻璃钢机翼由上、下壁板、梁、肋等部件组成(见图1)。上、下壁板由玻璃钢及纸蜂窝组成，梁、肋采用工字型和U字型铝框架与轻质木层板构成，梁、肋与上下壁板采用室温固化胶胶接。蜂窝夹层结构的壁板、铝合金框架与木质层板可起到提高整体机翼展向刚度，减轻飞机重量的作用。壁板与梁、肋的胶接结构代替金属连接，在保证连接的同时，大大减轻了产品重量。
[-page-] 2.2 制造难点分析
通过分析整体机翼结构，在制造工艺上主要存在如下难点：
①整体机翼长超过4m，而机翼横截面高度不足100mm。对于这样的薄板构件，如何保证展向不变形是制造工艺上一个难题，这里牵涉到上、下壁板的平直度和金属骨架的装配，以及骨架与壁板的协调等问题。
②机翼表面光洁度问题。为减轻重量，壁板采用了蜂窝结构，壁板的玻璃布仅有一层，故壁板表层的蜂窝格印如何消除，怎样才能提高表面质量，也是本课题研究的关键。
③重量是保证无人机性能的关键。对于整体式机翼结构，减重是工艺设计所要考虑的关键问题，纤维与蜂窝的重量是固定的，工艺解决重量在于含胶量的控制。
3 制造工艺方案
3.1 工装结构
按照一般工装设计，整体机翼应采用上、下壁板成型模和上、下壁板与梁肋的装配架。通过整体机翼结构分析，提出装配架与成型模合为一体的结构，仅需两块壁板成型模，在其中一块壁板成型模上设计梁、肋的安装卡板及各配件的锁紧机构，这种设计不但降低了制造成本，且防止了单面壁板因起模后产生的变形，为产品质量提供了有效的保障。(见图2)
[-page-] 3.2 材料的选用
从整体机翼的结构特点可以看出，翼型为双曲面，翼展长度为4m,用胶粘剂通过卡板把壁板、梁、肋等粘接成复合部件，由于玻璃钢与金属件热胀系数较大，而木质件与玻璃蒙皮在零件制作是由于加工精度相对较小，要得到可靠的胶接质量，胶粘剂的选择相当重要。通过多种胶液的试用，选定热固性环氧类结构胶胶接板-芯结构，它具有涂敷性好、粘接性能高的特点。为保证重量要求，在胶粘剂中添加玻璃微球提高稠性。增强材料选用的是无碱平纹玻璃布，夹芯材料选用的是纸质蜂窝。
3.3 工艺流程
机翼在试造过程中存在外形尺寸不稳定、蜂窝偏移、蜂窝收缩等现象，通过分析及工艺调整，终确定成型方案如下。
(1)上、下壁板成型采用二次抽真空固化法：先固化上、下壁板外蒙皮，然后将蜂窝胶接在上、下壁板外蒙皮上进行一次抽真空固化，后在蜂窝上胶接上、下壁板内蒙皮进行二次抽直空固化。这种成型法特点是表面光滑，成型过程中可进行质量检查，发现问题可及时排除。充分的固化有利于提高壁板的固化度及刚性，有利于含胶量的控制。
(2)梁、肋的组装：梁、肋采用成型与装配的一体模进行组装。先进行预装协调，保证胶接间隙后，进行排铆、打铆，按从中间向两侧打铆钉的方式消除变形。
(3)壁板与梁、肋胶接，采用热固性环氧胶先将梁、肋与下壁板胶接，再盖上上壁板进行胶接，即二次胶接法。
3.4 工艺过程控制措施
(1)外形控制
整体机翼翼展长4m，且内部为金属骨架，因此，展向平直度和外形尺寸的控制是工艺上一个重点控制要素。本方案通过以下几个方面给予控制。
①模具结构：采用成型与装配一体模结构，壁板在整个工艺过程中始终不与模具脱开，保证壁板的平直度。
②金属骨架的装配放于成型模上，保证制造依据的一致性。
③金属骨架从中部向两侧逐件预装钻孔，隔断定位，保证展向不翘曲。
④在胶接前壁板先进行预装配，确保各点间隙均匀。
⑤上壁板胶接过程中覆盖均压板，将卡板的压力均匀传递到各点，保证各处受压均匀。[-page-]
(2)表面质量控制
为保证重量，机翼壁板选用的是纸蜂窝玻璃钢夹层结构，因壁板的蒙皮很薄，蜂窝印在壁板表面本十分明显。叵采用普通喷漆方式，为保证重量不能刮腻子，仅能喷面漆，喷后漆层表面蜂窝格难以消除。为此，工艺上采取在模具上直接喷胶衣树脂的方式，在未完全固化前，就铺壁板。胶衣树脂较好弥补了蜂窝格印，取模后蜂窝格印完全消除。此外，在胶衣树脂的选择上，应选择与壁板用树脂相溶性较好的类型。
(3)重量控制
重量是决定无人机性能高低的关键，而重量控制的关键在于含胶量的控制。工艺上通过以下工序进行控制。
①壁板蒙皮的胶量控制。
②壁板与蜂窝胶接的胶量控制。
③壁板与金属骨架的胶接胶量控制。
控制要点在于：
①配方的准确性。根据零件面积核算涂胶量。
②胶接间隙的控制。在预装配过程中将所有配合间隙控制在0.2mm范围内。
4 结 论
通过对整体机翼结构、材料的分析，经过制造方案的研究，获得了较为完善的整体玻璃钢机翼的制造方案，并成功应用于某型无人机上，同时从技术上得出了如下结论：
①采用胶接与成型一体的工装制造玻璃钢蜂窝夹层结构机翼的成型工艺具有独到之处，很好地解决了翼展超过4m的变形问题。
②胶衣树脂的运用能有效地解决蜂窝格印问题，从而提高产品表面质量。
③含胶量的控制关键在于配方、配量的准确及装配间隙的控制。
