Беспилотный летательный аппарат, сокращённо «Беспилотный летательный аппарат» (unmanned aerial vehicle, UAV) — это самолёт без пилота, управляемый с помощью радиоуправления и встроенных программных средств либо полностью или частично автономно управляющийся бортовым компьютером. Как новое поколение авиационных средств, беспилотные летательные аппараты по сравнению с пилотируемыми самолётами отличаются как по эксплуатационным требованиям, так и по выполняемым задачам и назначению. Обычно для БПЛА характерны такие требования, как низкая стоимость, лёгкая конструкция, высокая степень малозаметности, длительное время полёта и высокая надёжность хранения; при этом для боевых беспилотных самолётов дополнительно предъявляются требования к высокой манёвренности и значительному перегрузке.

Благодаря таким свойствам, как высокая удельная прочность и удельная жёсткость, высокая степень конструкционной адаптивности, отличная усталостная прочность, способность повышать стелс‑характеристики летательного аппарата, длительный срок службы и хорошие виброгасящие свойства, в большинстве случаев конструкция БПЛА выполняется из композитных материалов — например, фюзеляж, крыло, горизонтальное оперение, вертикальное оперение, стойки хвостового оперения, рули и шасси.

Применение композитных материалов в конструкции беспилотных летательных аппаратов позволяет снизить массу. 20–30%. В настоящее время отрасль считает долю использования композитных материалов одним из ключевых показателей уровня технологического развития беспилотного летательного аппарата; как правило, она должна составлять около 60–80%, однако в США уже существуют БПЛА с полностью композитной конструкцией (доля композитных материалов превышает 90%).

Применение композитных конструкций в сфере беспилотных летательных аппаратов

Углеродное волокно на основе полиакрилонитрила и Сотовые материалы Nomex широко применяются в конструкции корпуса беспилотных летательных аппаратов, а также в обшивке крыла и его передней кромке. ； Пенопластовые сэндвич‑композиты, изготовленные из углеродных пластин PAN‑матрицы и вспененного материала, а также трубы из углеродного волокна на основе полиакрилонитрила широко применяются в качестве главных балок беспилотных летательных аппаратов; кевларовое волокно используется для лопастей, фюзеляжа, соединительных элементов и других узлов, что существенно повышает усталостную прочность и ударостойкость. В средних и крупных БПЛА несущие конструкции выполняются из металлов, остальные части — из композитных материалов; в малых и сверхмалых БПЛА применяют углеродное и стекловолокно, а также их смешанные материалы; в боевых беспилотниках используются углеродные композиты, арамидные волокна и другие материалы. Малые низкоскоростные БПЛА изготавливаются с использованием углеродного волокна, арамидных волокон, бумажной сотовой структуры и древесных материалов.

  Таблица 1 Удельная прочность и удельная жёсткость материалов, применяемых в беспилотных летательных аппаратах

     Поскольку при конструировании беспилотных летательных аппаратов не требуется учитывать физиологические пределы выносливости человека, можно более целенаправленно сосредоточиться на обеспечении манёвренных характеристик БПЛА, что обуславливает некоторые особенности выбора материалов, отличающиеся от таковых для пилотируемых самолётов. Применение композитных материалов в значительной степени повышает стелс‑характеристики планера. Во‑первых, поскольку полимеры не обладают электропроводностью, они способны предотвращать образование рассеянного поля отражённых волн; во‑вторых, использование композитов играет крайне важную роль в эффективном сочетании конструктивных и функциональных свойств — например, применение структурных стелс‑материалов позволяет существенно снизить отражение радиолокационных волн. Наконец, применение композитных материалов позволяет обеспечить монолитность конструкции летательного аппарата, что благодаря гладкой, цельной структуре способствует достижению скрытности и исключает рассеяние обнаруживающих волн, вызванное неровностями — такими как стыки и крепёжные элементы. В целом эти решения эффективно повышают степень隐蔽ности беспилотных летательных аппаратов. По имеющимся данным, в настоящее время во всём мире на БПЛА активно используются передовые композитные материалы, преимущественно углеродные, которые составляют 60–80% от общей массы конструкции, что позволяет снизить массу планера более чем на 25%. Начиная с несущих элементов, всё чаще и больше несущих конструкций БПЛА изготавливаются с использованием углеродных композитов; например, Пекинский завод по производству спутников совместно с Институтом беспилотных летательных аппаратов Девятого исследовательского института Китайской корпорации аэрокосмической науки и технологий с применением метода ручного намотки успешно разработали для одного из типов БПЛА композитную дуговую основную стойку шасси и карбоновый хвостовой распорный стержень. Обзор некоторых примеров применения композитных материалов на БПЛА приведён в таблице 2.

Таблица 2 Обзор применения композитных материалов в беспилотных летательных аппаратах

Композитные материалы в разведке /Структурное применение беспилотных летательных аппаратов для наблюдения

Применение композитных материалов в разведывательно‑наблюдательных беспилотных летательных аппаратах обеспечивает такие преимущества, как высокие удельная прочность и удельная жёсткость, хорошая усталостная прочность, отличные виброгасящие свойства и удобство технологической обработки. В настоящее время за рубежом большинство серийно производимых и находящихся в стадии разработки БПЛА имеют гибридную конструкцию, сочетающую композитные материалы с традиционными алюминиевыми сплавами; например, в американском БПЛА «DarkStar» планер выполнен из композитов с нанесённым радиопоглощающим покрытием, что позволяет удовлетворить требованиям к высокой малозаметности. ； Израильский «Пионер» и «Искатель», американский «Ястребиный глаз», британский «Феникс» и южноафриканский «Гриф» — многие известные беспилотные летательные аппараты выполнены полностью из композитных материалов.

На данном этапе самым продолжительным по времени полёта и самым дальним по расстоянию беспилотным разведывательным самолётом в мире является самолёт ВВС США. «Global Hawk» на 65% состоит из современных композитных материалов: за исключением основной конструкции фюзеляжа, выполненной из алюминиевого сплава, все остальные элементы — крыло, оперение и др. — изготовлены из графит‑эпоксидных композитов; в частности, крыло, оперение, задняя часть фюзеляжа, обтекатель РЛС и обтекатели двигателей выполнены из углеродного волокна с эпоксидной матрицей. Беспилотный истребитель «Global Hawk» производится по технологии формования в термопрессе; для изготовления крыла преимущественно применяется гидравлическая прессовая формовка с использованием сердечника Nomex при температуре 121 °C. Лонжероны и коробки крыла изготавливаются из высокомодульного углеродного эпоксидного препрега компании Cytec, обшивка выполнена в виде многослойной панели, внутри крыла расположен монолитный топливный бак; передняя и задняя кромки на 50% имеют сотовую структуру, где используется сердечник Nomex от компании Hexcel. Основная конструкция отверждается в термопрессе при 121 °C; лонжероны и обшивка после первичного отверждения дополнительно склеиваются, при этом не используются механические крепежные элементы, что упрощает процессы герметизации и сборки. Весь планер разделён на три секции: центральная коробка крыла длиной 15 м, перекрывающая фюзеляж, и две внешние консоли длиной по 10 м, соединённые между собой механическим способом; поверхность крыла покрыта антимолниезащитной сеткой. У модели RQ‑4B размах крыла увеличен до 39,9 м; в некоторых участках добавлены дополнительные слои для повышения прочности и жёсткости конструкции. Весь планер разделён на четыре секции: две крупные коробки крыла стыкуются в центре фюзеляжа, а на концах — по одной консольной секции; соединение двух композитных частей по осевой линии фюзеляжа позволяет повысить аэродинамическую эффективность. Следует особо отметить, что для производства консолей крыла применена технология SQTM (same qualified resin transfer molding), разработанная компанией Radius Engineering. Это метод закрытой формы, сочетающий предварительное пропитывание и жидкоформовочные процессы, позволяющий получать детали космического и авиационного назначения с чистым формообразованием и высокой степенью интеграции. В целом SQTM не требует использования термопресса, но обеспечивает качество, сравнимое с изделиями, полученными в термопрессе, при этом является низкозатратной технологией производства. Новая конструкция консолей включает три основные части: торсионную коробку, внутреннюю ребристую секцию (для соединения консоли с основным крылом) и накладную крышку консоли. Каждая торсионная коробка содержит шесть слоёв ламинированного композитного стрингера; передняя и задняя кромки крыла, а также внешние ребра образуют единую конструкцию. По сравнению с первоначальной конструкцией, где каждая торсионная коробка состояла из двух сотовых ребёр и множества других ребер, благодаря технологии SQTM всего три пресс-формы позволяют полностью изготовить все компоненты левой и правой консолей.

США Конструкция беспилотного летательного аппарата многоцелевого назначения «RQ‑7 Шадоу», разработанного компанией AAI, на 95% выполнена из композитных материалов: фюзеляж — из углеродного волокна, армированного эпоксидной матрицей; хвостовое оперение — из углеродного или арамидного волокна, армированного эпоксидной матрицей; крыло изготовлено по схеме панель‑сотовая конструкция, где используются панели из углеродного волокна, армированного эпоксидной матрицей.

Крыло, подвижные рулевые поверхности и киль беспилотного летательного аппарата «Смертельный шмель» компании BAI Aviation Systems выполнены из жёсткого оболочечного композитного материала на основе полистирола и стекловолокна; руль направления и фюзеляж имеют пенопластовую сэндвич‑конструкцию; кожухи охлаждения двигателя и люки отсеков изготовлены методом термопластического вакуумного формования; обтекатели стеклопластиковых воздушных винтов получены методом прессования. 。

Но · Разработанный компанией «Грейт‑Эр» знаменитый беспилотный разведывательный самолёт «Глобал Хок» обладает размахом крыла 35,4 м, превышающим аналогичный показатель у самолёта Boeing 747. За исключением основной силовой конструкции фюзеляжа, выполненной из алюминиевого сплава, все остальные элементы — крыло, оперение, кормовая часть фюзеляжа, радарная обтекаемая часть и обтекатели двигателей — изготовлены из композиционных материалов; доля композитов составляет около 65% от общей массы конструкции.

Проекты Германии по исследованию воздушных беспилотных систем Беспилотный технологический демонстратор «Сом» в Аугсбурге, используя запатентованную EADS технологию вакуумной помощи при изготовлении, за всего один месяц создал фюзеляж из углеродного композитного материала; крыло из того же материала было изготовлено в Хетафе, Испания. Единственными металлическими деталями самолёта являются лонжероны крыла, опоры основного шасси и крепёжные рамы.

Наша страна Беспилотный разведывательный летательный аппарат «Сянлун» оснащён в хвостовой части фюзеляжа моторным отсеком с двигателем ACM; его обводы плавны и непрерывны, что обеспечивает высокие стелс‑характеристики. В свою очередь, конструкция беспилотного разведчика ASN‑105B выполнена преимущественно из стеклопластика, что сделало его первым в стране крупным БПЛА, использующим композитные материалы. Дальний беспилотный разведчик BZK‑05, спроектированный совместно ХАФИ и Пекинским университетом аэронавтики и астронавтики, имеет силовую раму фюзеляжа, выполненную по традиционной клёпаной конструкции из алюминиевых сплавов; обшивка и обтекатели изготовлены из композитных материалов — стекловолокна, углеродного волокна, а также Nomex‑картонных сотовых структур; крыло также полностью выполнено из композитных материалов.

Кроме того, беспилотный летательный аппарат «Иньлун» — это средневысотный и низковысотный многоцелевой БПЛА двойного назначения, разработанный Китайской авиационной промышленной корпорацией. В конструкции фюзеляжа использованы алюминиевые сплавы, обтекатель антенны выполнен из радиопрозрачного композитного материала, а крыло изготовлено из сотового сэндвич‑композита. Произведён в Китае. Размах крыла беспилотного летательного аппарата «Цайхун‑4» составляет 18 м, максимальная взлётная масса превышает 1300 кг; кроме главной балки, все остальные элементы конструкции выполнены из композитных материалов. Под крылом «Цайхун‑5» предусмотрено… 6 Композитная подвеска, способная за один раз нести 16 Несколько различных типов ракет класса «воздух‑земля» с максимальной полезной нагрузкой до 1 Тонна.

Применение композитных материалов в конструкции беспилотного летательного аппарата типа «разведка‑удар»

Композитные материалы, применяемые в конструкции беспилотных истребителей, в основном представляют собой углеродные композиты, что существенно снижает общую массу фюзеляжа, позволяя самолёту быть более манёвренным и развивать высокую скорость. Разработанный компанией Boeing… Более 90% конструкции серийного образца беспилотного истребителя X‑45 выполнено из композитных материалов: фюзеляж изготовлен из низкотемпературно отверждаемых препрегов, а крыло имеет сэндвич‑структуру с пенопластовым ядром и реализует уникальную технологию FMC (Foam Matrix Core): сначала формируется пенопластовое ядро, затем на готовое пенопластовое основание наматываются волокна, после чего оба компонента подвергаются совместной термообработке. Применение этой технологии позволяет существенно снизить стоимость производства X‑45, а также упрощает его разборку, хранение и монтаж.

Созданный американской компанией «Боинг» Беспилотный истребитель X‑45A имеет размах крыла 10,3 м, хорду 8 м, массу 3640 кг и способен нести полезную нагрузку массой 680 кг; доля композитных материалов в конструкции составляет 45% от общей массы. Обшивка фюзеляжа выполнена из углеродного предварительно пропитанного материала методом слоистого укладки; верхняя обшивка фюзеляжа длиной около 9 м и шириной 3,7 м представляет собой цельный элемент, тогда как нижняя обшивка состоит из двух частей размером 4,5 м × 3,7 м. В верхней и нижней обшивках сопла беспилотного истребителя X‑45A применён углеродный предварительно пропитанный материал марки BMI‑5250‑4 производства компании Cytec; температура его отверждения находится в диапазоне 177–204 °C, а рабочая температура — от −59 до 204 °C.

  США, стремясь обеспечить своё господство в западной части Тихого океана, разработали Беспилотный истребитель X‑47B способен наносить удары по ракетным подразделениям у китайского побережья, находясь вне зоны поражения разработанных в нашей стране противокорабельных ракет. Внешние крылья X‑47B выполнены из алюминиевых сплавов и углеродно‑эпоксидных композитных материалов; 90% поверхности планера изготовлено из углеродных композитов. Крылья оснащены механизмом складывания, что позволяет сэкономить место на авианосце. Израильский беспилотный истребитель «Разведчик» может принимать видеосигналы, телеметрические данные и радиолинии передачи данных с бортовой системы наблюдения и мобильной боевой информационной микроволновой станции; конструкция целиком выполнена из углеродного/эпоксидного композита, масса пустого самолёта достигает 76 кг, а полезная нагрузка — 118 кг. Китайский «Лицзянь» производится на заводе Hongdu Aircraft Factory; длина фюзеляжа составляет около 10 м, размах крыла — 13,8 м, а конструкция выполнена из углеродного композита с алюминиевой сотовой заполнителем.

Беспилотный разведывательный летательный аппарат средней дальности с непрерывным полётом, произведённый американской компанией General Atomics. Распределение материалов на беспилотном летательном аппарате «Предатор» MQ‑1: за исключением главных силовых балок фюзеляжа, выполненных из металла, практически вся конструкция выполнена из композитных материалов — углеродного волокна, стекловолокна, арамидных волокон, а также сэндвич‑структур с ячеистыми и пенопластовыми заполнителями; их доля составляет около 92% от общей массы конструкции. В частности, в конструкции фюзеляжа широко применяются усиленные стенки с каркасом из углеродного волокна и сотового заполнителя Nomex; в ключевых внутренних узлах предусмотрены углеродные балки и ребра, обеспечивающие необходимую жесткость. Радиопрозрачная обтекаемая часть (радарный обтекатель) изготовлена из стекловолоконных композитов. Что касается технологий формообразования, то основные элементы планера производятся методом ручной укладки углеродного/эпоксидного препрега с последующей термопрессовкой в автоклаве; главные балки, балки хвостового оперения и стойки шасси формируются методом закрытой формы с использованием углеродного полотна и подвергаются дополнительной уплотнительной прессовке с помощью воздушных подушек.

Совместно разработанный компаниями «Тэндун» и «Саньцян» Беспилотный ударно‑разведывательный комплекс HA, за исключением каркаса центральной части фюзеляжа, полностью выполнен из углеродных и стекловолоконных композитных материалов; рис. 3 Изображение и текст 4 Соответственно Беспилотный летательный аппарат HA оснащён вертикальным оперением и полозковым шасси, выполненным по технологии совместной вулканизации с многостержневой пенопластовой сэндвич‑конструкцией.

                                            

Карта 3  Карбоновый композитный киль беспилотного летательного аппарата HA

                                          

Карта 4  Самолётный беспилотный летательный аппарат HA с полозковым шасси из углеродного композитного материала

Применение композитных материалов в конструкции гражданских беспилотных летательных аппаратов

Разработанный Туринским политехническим университетом в Италии Конструкция трубчатой балки крыла беспилотного летательного аппарата на солнечной энергии HeliPlat, предназначенного для длительных полётов на большой высоте, выполнена из панелей из углеродного волокна M55J, армированного эпоксидным композитом, и сотового заполнителя Nomex; она способна выдерживать основные нагрузки на изгиб, кручение и срез. Обшивка кессона крыла изготовлена из предварительно пропитанных лент углеродного волокна M55J/эпоксидной смолы.

Разработанный компанией «Аурора Флайт Сайенсиз» Беспилотный летательный аппарат высокого потолка и длительного полёта для исследований атмосферы «Тесей» в основном применяется для изучения атмосферной конвекции, дистанционного зондирования и обнаружения ураганов; он выполнен по схеме с полностью композитной конструкцией, имеет верхнее расположение крыла с размахом 42,06 м, а при транспортировке возможно демонтировать внешние секции крыла и хвостовое оперение. Каркас крыла HALE‑UAV из полностью композитных материалов показан на рисунке. 5  Показано.

                                                 

Карта 5  Каркас полностью композитного крыла демонстратора HALE-UAV

США Солнечный гражданский беспилотный летательный аппарат «Гелиос» NASA, выполненный полностью из композитных материалов, во время испытательного полёта в 2001 году продержался в воздухе непрерывно 17 часов, установив рекорд продолжительности полёта для БПЛА. Как показано на рисунке. 6 Как показано, размах крыла этого самолёта 75,3 м — размах крыла, значительно превышающий размах крыла Boeing 747; хорда — 2,44 м. Основная конструкция выполнена из углеродного волокна с эпоксидной матрицей; весь самолёт равномерно разделён на шесть секций, а в месте соединения каждой секции расположен композитный отсек для размещения полезной нагрузки.

                                 

Карта 6  США Солнечный беспилотный летательный аппарат из полностью композитных материалов «Гелиос» НАСА

Недавно на заводе №1 авиационной промышленности Китая был завершён окончательный сбор сверхдлительного солнечного беспилотника, разработанного самостоятельно; самолёт получил название «Утренняя звезда», как на рисунке 7 Как показано, весь планер выполнен из углеродного композитного материала. В гражданских беспилотных летательных аппаратах преимущественно применяется технология вакуумной формовки в пакетах, что позволяет снизить стоимость их производства; эта технология отличается простотой эксплуатации и не предъявляет высоких требований к уровню технической подготовки.

                                                               

Карта 7  Китайский институт авиации №1 «Ци́миньсин» — гражданский беспилотный летательный аппарат на солнечной энергии, полностью выполненный из композитных материалов

Проектирование совместно отверждаемых конструкций из композитных материалов для беспилотных летательных аппаратов

Для более эффективного снижения массы, увеличения полезной нагрузки и продления времени полёта лёгкое конструкционное проектирование на основе композитных материалов является тенденцией современного беспилотного летательного аппарата, а сама тенденция к лёгкости реализуется через интегрированное проектирование и производство конструкции в целом.

По мере увеличения доли композитных материалов сложность конструкции неуклонно растёт; поэтому крайне важно максимально раскрыть потенциал композитов, существенно снизить массу, далее упростить сборочные связи за счёт интегральной структуры, а также сократить технологический цикл производства. Конструкция беспилотных летательных аппаратов обычно формируется путём отдельного изготовления панелей, балок и ребёр, после чего осуществляется сборка при комнатной температуре методом клеевого соединения: сначала склеиваются односторонние панели с каркасом, затем производится клеевое соединение с другой панелью; при этом качество клеевого соединения невозможно контролировать. В рамках данного проекта предполагается на основе экспериментальных исследований разработать технологию совместного отверждения и одноэтапного формования панелей стенки и балок. (Среднетемпературное отверждение) обеспечивает более высокую прочность соединения, повышенную надёжность, сокращает сроки сборки узлов и существенно снижает затраты, а также позволяет уменьшить количество используемых крепёжных элементов.

Концепция совместной отверждённой конструкции и технологии производства отличается высоким уровнем технологичности, что позволяет в полной мере использовать преимущества композитных материалов — их высокую степенью проектируемости, большую удельную прочность и высокий удельный модуль упругости — и далее реализовать лёгкую конструкцию, обеспечивая снижение массы системы, увеличение полезной нагрузки и продление времени автономного полёта.

Область применения композитных материалов уже расширилась: от ненагруженных и второстепенно нагруженных элементов до основных несущих конструкций. Тенденция развития направлена на увеличение размеров, интеграцию в единое целое и снижение стоимости; технологии монолитного формования композитов позволяют добиться лёгкости, высокой эффективности и низкой себестоимости изделий за счёт уменьшения числа сборочных операций и крепёжных элементов в сложных крупногабаритных конструкциях. Среди технологий монолитного формования предпочтение отдаётся совместной вулканизации — получаемые таким образом композитные изделия обладают малым весом и незначительными деформациями.

Заявление: Настоящая статья предназначена исключительно для обмена и распространения знаний в области композитных материалов и рыночной информации и не используется в каких‑либо коммерческих целях.