引言

无人机技术的迅猛发展推动了对高性能材料的需求，尤其是在机翼结构设计方面。机翼作为无人机的主要承力部件，其性能直接影响到整个飞行器的飞行品质和任务执行能力。传统的金属材料虽然具有良好的力学性能，但在重量、耐腐蚀性以及疲劳寿命等方面存在一定的不足。复合材料以其优异的比强度、比刚度、耐腐蚀性和可设计性，成为大型固定翼无人机机翼结构设计的理想选择。

1. 复合材料在无人机机翼结构中的应用背景

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过一定的工艺复合而成的新型材料。在无人机机翼结构中，复合材料的应用可以追溯到上世纪80年代。当时，随着碳纤维增强塑料（CFRP）等先进复合材料的出现，其在航空领域的应用逐渐增多。复合材料的引入，使得无人机机翼结构在减轻重量、提高强度和刚度、延长使用寿命等方面取得了显著进步。

在军事侦察和远程监控领域，无人机需要长时间在高空飞行，这对机翼结构的耐疲劳性和耐腐蚀性提出了更高的要求。复合材料的耐腐蚀性使得无人机在恶劣环境下仍能保持良好的性能，而其优异的疲劳寿命则确保了无人机在执行任务过程中的可靠性。

在农业植保领域，无人机需要频繁起降和在低空进行作业，这对机翼结构的强度和刚度提出了更高的要求。复合材料的高强度和高刚度使得无人机机翼在承受反复载荷时仍能保持稳定，从而提高了作业效率和安全性。

2. 大型固定翼无人机机翼结构设计的基本原则

2.1结构轻量化原则

由于无人机的载荷和续航能力与其重量密切相关，因此在设计过程中应尽可能减轻机翼结构的重量。这可以通过优化复合材料的铺层设计、使用高强度轻质材料以及采用先进的制造工艺来实现。

2.2力学性能匹配原则

机翼结构必须具备足够的强度和刚度，以承受飞行过程中产生的各种载荷。设计时需要对机翼进行详细的力学分析，确保材料的力学性能与结构受力状态相匹配，避免出现局部应力集中或过大的变形。

2.3耐腐蚀性与耐久性原则

由于无人机经常在恶劣环境下工作，机翼结构必须具备良好的耐腐蚀性和耐久性。在选择复合材料时，应考虑其耐环境老化性能，确保在长期使用过程中仍能保持良好的力学性能。

2.4维护与可制造性原则

机翼结构的设计应便于维护和修理，以降低运营成本。同时，应考虑制造工艺的可行性，确保设计的机翼结构能够通过现有的制造技术实现，且具有良好的生产效率和成本控制。

2.5系统集成与兼容性原则

机翼结构设计应充分考虑与无人机其他系统的集成，如传感器、执行机构等。设计时需要确保机翼结构与这些系统之间的兼容性，避免相互干扰，确保整个无人机系统的高效运行。

3. 基于复合材料的无人机机翼结构设计实践

3.1项目概况

某大型无人机项目，机翼采用双侧中单翼布局，单侧机翼展长6700mm，采用梁墙结构，材料主要为碳纤维复合材料机翼主要由机翼骨架、蒙皮、襟翼、副翼、机翼对接接头、机翼设备支架等组成，通过机翼接头与机身连接。

3.2结构设计

3.2.1机翼骨架

（1）结构布局

机翼骨架为主承力结构，由共固化盒段件和肋组成，材料主要采用低温固化环氧碳布/单向带预浸料， 沿机翼展向布置16个肋。

（2）盒段件

机翼盒段件由上蒙皮、机翼前梁、后梁和2-15中段肋组成，采用整体共固化结构，前梁截面为“工”字型，后墙截面在1-4肋处为“工”字型，4-16肋为“匚”字型。盒段件肋均为碳纤维层合板结构，2、5、9、10、11、15截面为“工”字型，双面翻边，其余肋截面均为“凹”形，腹板分别上开直径为50的过线孔，孔周围10mm范围内额外铺0.45mm碳布预浸料加强。盒段蒙皮采用碳纤维复合材料蜂窝夹层结构

（3）机翼肋

机翼肋由前、后梁分割为前段、中段和后段三个部分，包括1肋、16肋、前缘肋，后段肋等。

1肋由前、中、后段肋组成，前、中段肋材料为高强度铝合金，后段材料为碳纤维复合材料。前缘肋和中段肋分别布置上下缘条连接腹板和蒙皮， 1肋前、中段肋腹板分别布置直径60过线孔，孔周围7.5mm范围内加厚1mm补强。后段肋截面为“凹”形，采用碳纤维层合板结构。

1肋缘条与腹板采用铆钉连接，缘条与盒段件前梁处采用沉头螺栓连接，与蒙皮之间采用沉头抽芯铆钉进行连接，与后墙之间采用沉头螺栓连接。

16肋材料为高强度铝合金，截面为“工”字型，腹板开直径为40mm的过线孔，孔周围5mm范围内加强。

机翼前缘肋共9个，均为碳纤维层合板结构，分别为2、3、4、5、7、9、11、13、15肋前段，肋截面均为“U”形，1-11肋布置直径为50mm过线孔，11肋-15肋布置直径为40mm过线孔，所有孔周围5mm范围内额外铺0.45mm碳布预浸料加强。前缘肋与盒段件前梁之间胶铆连接。

机翼后段肋共4个，分别为2肋、4肋、10肋后段，均为碳纤维层合板结构。其中10肋截面为“工”字型，双面翻边；其余肋截面均为“U”形，后段肋腹板均设有直径5mm的通气孔，后段肋与盒段件后墙采用铆接连接

（4）襟副翼整流件

襟翼整流件和副翼整流件均为碳纤维层合板结构，襟、副翼整流件缘条两侧下陷区分别与机翼悬挂接头、10肋后段及上、下蒙皮后缘通过沉头抽芯铆钉连接固定。

3.2.2机翼蒙皮

（1）总体布局

机翼蒙皮覆盖整个机翼外形面，蒙皮外表面为理论外形面，主要由翼身整流罩、机翼前缘蒙皮、下蒙皮、维护口盖、翼尖罩组成。其中前缘蒙皮和下蒙皮采用复合材料蜂窝夹层结构，维护口盖、翼身整流罩、翼尖罩采用碳纤维层合板结构。

（2）机翼前缘蒙皮

机翼前缘蒙皮采用复合材料蜂窝夹芯结构，前缘蒙皮与前缘肋及盒段件前梁采用胶铆连接。

（3）机翼下蒙皮

机翼下缘蒙皮采用复合材料蜂窝夹芯结构，机翼下蒙皮与机翼骨架采用胶铆连接。

（4）维护口盖

为保证机翼的维护性，机翼主体下蒙皮设置2个安装维护口盖，用于襟、副翼舵机安装，口盖尺寸均为270mm×160mm 。

机翼口盖为碳纤维层合板结构，厚度与周围蒙皮厚度相同，口盖与口框连接区周圈20mm范围内厚度为2.7mm。

机翼下蒙皮开口处均设置了口框，材料为高强度铝合金，口框内部周圈布置加强筋，高度为20mm。

口框与蒙皮采用沉头抽芯铆钉连接，口框上铆接托板螺母，与口盖通过螺钉安装在机翼下蒙皮上。

（5）翼身整流罩

左、右翼身整流罩分别位于两侧机翼与机身连接处。翼身整流罩由前罩和后罩组成，均为碳纤维层合板结构，前、后罩搭接连接，搭接区宽度30mm，采用沉头螺钉+托板自锁螺母连接。

翼身整流罩一侧与机身连接角材采用沉头螺钉+托板螺母连接，另一侧与机翼蒙皮采用沉头螺钉+托板螺母连接，为可拆卸结构。

（6）翼尖罩

左、右翼尖罩分别位于两侧机翼16肋外侧。翼尖罩由蒙皮、梁、后缘泡沫条和端肋组成，蒙皮、梁、肋均为碳纤维层合板结构，采用共固化工艺整体成型，其中连接加厚区宽30mm， 翼尖罩通过M4沉头螺钉与机翼16肋翻边螺接固定，为可拆卸结构。

3.2.3襟翼组件

（1）襟翼结构

襟翼位于机翼后缘处，左右对称布置，由蒙皮、梁、肋、泡沫组成。襟翼梁、肋和蒙皮均采用碳纤维，与泡沫采用共固化工艺整体成型。

（2）襟翼连接

襟翼通过悬挂接头与机翼连接。襟翼侧悬挂接头为双叉耳，采用高强度铝合金材料，叉耳孔内置厚度为1mm的铜衬套，通过铆钉与襟翼梁连接。机翼侧悬挂接头为单叉耳形式，采用高强度铝合金材料，内置关节轴承，与机翼后梁铆钉连接。

（3）襟翼操纵

襟翼通过舵机驱动，舵机安装在机翼前梁腹板上，分别位于8-9肋之间。

舵机通过舵机支架与前梁紧固连接，舵机摆臂、拉杆、舵面拉杆支座共面，拉杆两端布置U5关节轴承，通过襟翼整流件和后梁开口与襟翼支座连接。

（4）副翼组件

副翼位于机翼后缘处，左右对称布置，由蒙皮、梁、肋、泡沫组成。襟翼梁、肋和蒙皮均采用碳纤维，与泡沫采用共固化工艺整体成型。

副翼通过悬挂接头与机翼连接。副翼侧悬挂接头为双叉耳，采用高强度铝合金材料，叉耳孔内置厚度为1mm的铜衬套，通过铆钉与副翼梁连接。机翼侧悬挂接头为单叉耳形式，采用高强度铝合金材料，内置关节轴承，与机翼后梁铆钉连接。

副翼通过舵机驱动，舵机安装在机翼前梁腹板上，分别位于11-12肋之间

舵机通过舵机支架与前梁紧固连接，舵机摆臂、拉杆、舵面拉杆支座共面，拉杆两端布置U5关节轴承，通过副翼整流件和后梁开口与副翼支座连接。

3.2.4翼身连接

（1）总体布局

翼身对接接头用于机翼机身对接，采用叉耳形式，布置在两侧机翼前、后梁处，与机身主承力框耳片对接。

（2）翼身接头结构

前梁接头承载并传递机翼主升力、阻力及弯矩载荷，为纵向二-三叉耳梳状结构，由2个接头组成，材料为高强钛合金TC4。

后梁接头负责承受机翼部分升力，为竖直叉耳结构，由2个接头组成，采用高强铝合金制造。

（3）翼身接头连接

前梁接头通过螺栓与前梁缘条和腹板连接；后梁接头通过螺栓与后梁缘条和腹板连接。

前梁接头耳片与机身框伸出耳片连接采用螺栓+弹簧垫圈+槽型螺母+开口销连接。螺栓轴线沿机体航向轴方向，上下布置，为特制非标件，材料为05Cr17Ni4Cu4Nb，光杆与螺纹收尾处设导向，提高装配效率。

后梁接头耳片与机身9框耳片采用螺栓+弹簧垫圈+槽型螺母+开口销连接，螺栓轴线沿机体航向轴方向。

4. 结构设计中的关键技术和挑战

4.1材料选择与应用

在选择材料时，需要综合考虑材料的强度、重量、耐腐蚀性、疲劳寿命以及成本等因素。碳纤维层合板结构在机翼整流件和蒙皮中的应用，虽然提供了优异的强度和刚度，但其制造工艺复杂，对制造精度要求高。复合材料蜂窝夹层结构在前缘蒙皮和下蒙皮中的应用，虽然减轻了重量，但对环境适应性要求较高，需要确保在不同温度和湿度条件下仍能保持结构稳定性。

4.2连接技术

在连接技术方面，需要确保各部件之间的连接强度和可靠性。例如，机翼与机身的翼身对接接头采用叉耳形式，需要通过螺栓、弹簧垫圈、槽型螺母和开口销等多重连接方式确保连接的可靠性。此外，机翼前缘蒙皮与前缘肋及盒段件前梁采用胶铆连接，需要精确控制胶接工艺，以确保连接部位的强度和耐久性。

4.3结构设计优化

为了减轻结构重量并提高整体性能，结构设计需要进行优化。例如，机翼蒙皮的布局需要确保覆盖整个机翼外形面，同时在满足强度和刚度要求的前提下尽可能减少材料用量。此外，机翼下蒙皮开口处设置的口框和加强筋，需要在保证结构强度的同时，尽量减轻重量。

4.4维护性设计

机翼的维护性设计也是结构设计中的一个重要方面。例如，机翼主体下蒙皮设置的维护口盖，需要方便拆卸和安装，以便于襟、副翼舵机的维护和更换。同时，口盖与口框的连接方式需要确保在拆卸和安装过程中不会对口盖和口框造成损伤。

4.5环境适应性

结构设计需要考虑飞机在不同环境条件下的适应性，例如在高温、低温、高湿、盐雾等恶劣环境下，结构材料和连接方式需要保持良好的性能。例如，机翼前缘蒙皮与前缘肋及盒段件前梁采用胶铆连接，需要确保在不同温度和湿度条件下仍能保持良好的连接强度。

结 语：

本文结合实际项目，对基于复合材料的大型固定翼无人机机翼结构设计展开了探讨。随着复合材料在大型固定翼无人机机翼结构中的应用，新型无人机正逐渐渗透到各个行业领域。在应用前景方面，随着5G、AI等技术的深度融合，未来无人机将更加智能化，对机翼结构的轻量化、高强度和抗疲劳性能提出更高要求。例如，通过采用先进的复合材料和结构优化设计，可以开发出适应复杂环境、具备自主避障能力的新型无人机。未来，应继续关注材料科学的进步和制造工艺的创新，以推动无人机技术的持续发展和应用领域的不断拓展。

参考文献：

[1] 肖锦涛,谭先琳,苏良等.固定翼无人机的结构优化设计[J].装备制造技术，2023（9）：227-228,232.

[2] 伍星亮，周金宇，丁力.无人机机翼的结构/材料一体化优化设计[J].机械设计与制造，2022（3）：214-218.