《无人机系统导论》课件 第3章-无人机结构与材料

本章首先介绍3种典型无人机——固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机的结构，其次介绍无人机的常用材料及其特性，包括金属材料、非金属材料和复合材料，最后介绍新型无人机结构设计和先进复合材料，并分析3款具有代表性的无人机的结构与材料。第三章无人机结构与材料3.1无人机结构概述3.2无人机常用材料3.3新型无人机结构设计与先进复合材料3.4实训演练教学目录知识目标了解固定翼无人机和无人直升机机身的组成部分。了解四旋翼和六旋翼无人机的各种机翼布局形式及其特点。了解无人机常用的金属材料和非金属材料的特性。掌握无人机使用的复合材料特点及其性能。了解新型无人机的结构设计和先进复合材料的应用实例。了解典型无人机的结构和使用的材料。能力目标能准确描述固定翼无人机和无人直升机机身的异同点。能准确理解复合材料的特点及其性能。能准确叙述3种典型无人机的结构与材料特点。素质目标深刻认识无人机结构对其飞行性能的重要性。能够准确表述材料的特性，培养科技创新和科技报国精神。了解大疆无人机的结构和材料，增强民族自信心。3.1.1固定翼无人机3.1.2无人直升机3.1.3多旋翼无人机3.1无人机结构概述固定翼无人机从外观和结构原理上与传统的有人驾驶固定翼飞机极为相似，其主要结构部件包含机翼、机身、尾翼、起落架和推进系统等。机翼主要作用是产生无人机飞行所需的升力，与尾翼共同保障无人机良好的稳定性与操纵性。机身主要用来装载货物、武器和机载设备等，它将机翼、尾翼、起落架等部件连成一个整体。尾翼主要作用是稳定和操纵固定翼无人机的俯仰、偏航、倾斜以改变其飞行姿态，对无人机起到稳定作用。起落架支撑机体完成滑跑起飞、平稳降落及地面停放的关键部件，保障起降阶段的安全性。推进系统推进系统是固定翼无人机的动力来源，其主要功能是提供可控的推力，使空气进出发动机，并为一些附属装置提供动力。3.1.1固定翼无人机蒙皮前墙和后墙蒙皮包覆机翼外表，光滑表面减小气动阻力，横向弯曲刚度应较高可抑制飞行形变。前后墙缘条强度弱于翼梁、不接机身且长度常小于翼展；不承受弯矩，和蒙皮构成封闭盒段承担机翼扭矩。翼梁翼梁由腹板、缘条构成，和机身固连，是机翼主要承力构件，承受弯矩与剪力。翼肋翼肋是横向受力骨架，用来支撑蒙皮，维持机翼的剖面形状,受集中载荷处设加强翼肋。桁条桁条是与蒙皮和翼肋相连的纵向骨架，承受机翼弯矩引起的部分轴向力,协同翼肋支撑蒙皮。加强肋加强肋是在普通翼肋基础上强化设计的承力构件，属横向骨架，和机翼各构件协同受力。接头接头为可拆卸连接件，作为机翼连接枢纽，直接影响机翼的装配效率和连接可靠性。固定翼无人机的机翼通常由蒙皮、前墙、后墙、翼梁、桁条、翼肋、加强肋和接头等部分组成。3.1.1固定翼无人机——机翼机身蒙皮包覆机体，防护内部设备、优化气动；搭配骨架构成不同机身构型，部分加装密封件适配形变、防止破损。蒙皮桁梁为机身纵向主承力件，多用高比强、轻量化的碳纤维复合材料，如同脊柱支撑整机，承受各类飞行载荷。桁梁桁条连接蒙皮，辅助桁梁分担载荷，密布机身，协同组成机身纵向支撑结构，保证机身在飞行时的稳定性。桁条隔框为机身横向骨架，分普通、加强两类，普通隔框定型机身截面、承受蒙皮载荷，加强隔框承接起落架、发动机等集中载荷。隔框3.1.1固定翼无人机——机身尾翼的结构通常由垂直尾翼和水平尾翼组成，垂直尾翼的主要功能是提供航向稳定性，受侧滑时生成回正力矩，确保无人机在飞行时不会随意偏航。水平尾翼主要负责控制无人机的俯仰姿态，调节无人机的上升和下降。3.1.1固定翼无人机——尾翼支柱是起落架主承力件，连接机身与轮组，承受整机停放、起降载荷，采用高强材料保障支撑可靠性。1缓冲器吸收着陆冲击载荷，分弹簧、油气两类：弹簧结构简易、缓冲偏弱；油气依托气液特性吸能优异，多用于大中型无人机。2机轮支撑地面滑行与转向、兼具减震；大小数量材质随机型变化，小型多用橡胶轮，大型配大充气轮，材质耐磨防滑保障滑行稳定。3制动装置用于落地短距减速，分机械、液压制动：机械式靠摩擦、构造简单但制动力小；液压制动力强劲，多用于高性能机型。4收放机构起降时收放起落架以减阻提速、防护部件，由电机、液压或气压系统驱动，带锁止结构保障位置稳固。53.1.1固定翼无人机——起落架3.1.1固定翼无人机——推进系统推进系统是固定翼无人机的动力来源，其主要功能是提供可控的推力，使空气进出发动机，并为一些附属装置提供动力。根据动力类型的不同，推进系统的组成有所差异：燃油动力推进系统由发动机、螺旋桨、进气道与排气装置、燃油供给系统、发动机控制系统、减速器（传动机构）等组成；电动动力推进系统由电机、螺旋桨、电子调速器（ESC）、动力电池、电机控制系统等组成。固定翼无人机的推进系统主要有3种类型：活塞发动机螺旋桨推进系统、涡轮螺旋桨发动机推进系统、涡轮喷气发动机推进系统，它们各自有着独特的工作方式和适用场景。活塞发动机驱动螺旋桨，结构简易、成本低、技术成熟，多用于轻型低速无人机，缺点是功率密度小、高速油耗差、振动偏大。活塞发动机螺旋桨推进系统涡桨发动机一部分燃气经涡轮减速驱动螺旋桨，剩余燃气喷射辅推，功率大、经济性好，适配大中型远航无人机，缺点是结构复杂、维保成本高。涡轮螺旋桨发动机推进系统涡喷发动机进气压缩、油汽燃烧后燃气喷射产生推力，飞行速度与升限优异，多用于高速高空机型，缺点油耗大、成本高，对起降场地要求严苛。涡轮喷气发动机推进系统3.1.1固定翼无人机——推进系统无人直升机与载人直升机结构类似，主要包括尾桨单旋翼直升机、共轴式双旋翼直升机等类型。目前使用最广泛的是尾桨单旋翼直升机，这种直升机主要由机身、主旋翼、桨毂、尾桨、动力装置、起落架等构成。机身用于支持和固定部件，承受各种载荷，为安装操作机构、附件及其他设备提供空间。机身直接承受空气动力并影响飞行性能。主旋翼直升机的核心动力部件，通过高速旋转切割空气产生升力和水平拉力，决定了飞行的高度、速度与机动性能。尾桨主要用于平衡主旋翼旋转产生的反扭矩，防止机身自旋；同时通过改变尾桨推力大小，实现直升机的航向操纵与转向控制。起落架支撑直升机完成地面停放、滑跑与起降作业，主要有轮式、滑撬式、浮筒式等类型。3.1.2无人直升机桁架式结构机身主要是由钢管焊接而成的空间桁架组成，各杆件以轴向力的形式传递载荷，并在外侧固定隔框、桁条和蒙皮，从而实现机身成形、减阻。桁架式结构机身具有结构简单、易于制造、重量较轻的特点，能够为直升机提供较为稳定的支撑。桁架式结构机身薄壁式结构机身与固定翼无人机机身相似，主要由纵向构件、横向构件和蒙皮组成。纵向构件（纵梁）用来支撑蒙皮、传递弯轴载荷。横向构件（隔框）的作用是定型截面、连接纵向构件。薄壁机身由壳体承力，轻量化、结构效率高。薄壁式结构机身3.1.2无人直升机——机身桨叶桨毂桨叶通常采用轻质且高强度的复合材料制造，剖面形状呈流线型，旋转靠叶面气流压差产生升力。桨毂用于装配桨叶、连接主轴，旋翼旋转产生气动力；分全铰、无铰、半铰三类，全铰多关节，桨叶多向活动，无铰靠桨叶形变摆动，紧凑灵敏，半铰双桨叶跷板式铰接，可成对上下挥舞。桨叶摇臂桨叶摇臂联动桨叶绕变距铰转动、调整桨距，加大桨距提升升力便于爬升，减小桨距降低升力实现下降，差异化调节桨距可改变旋翼受力，完成转向操控。变距拉杆变距拉杆衔接操纵机构与桨叶摇臂，传递变距指令，多用高强轻质合金或碳纤维，兼顾强度、轻量化与传动精度。外环自动倾斜器由旋转外环与固定内环经轴承配合组成，外环随旋翼同步转动，衔接桨毂，是操控变距、调控升力与机身姿态的传动枢纽。主旋翼是无人直升机的核心部件之一，在无人直升机飞行过程中扮演着动力源的关键角色，主要由桨叶、桨毂、桨叶摇臂、变距拉杆和外环组成。3.1.2无人直升机——主旋翼轮式起落架01无人直升机轮式起落架由轮体、减振器、支柱组成，可收放减阻，适配平整硬质场地，起降稳、便于机动，但自重偏大、结构复杂，不适用于松软凹凸地面。滑撬式起落架02滑撬式起落架由高强材质撬架组成，结构轻便价廉，适配草地、砂石等复杂场地，但滑行与稳定性不及轮式，硬地易磨损。浮筒式起落架03浮筒起落架由防水轻质浮筒组成，依靠浮力实现水上起降，多用于水上搜救、海洋探测，拓展作业水域，但增重增阻、陆上不便，且需防水防腐、维保繁琐。3.1.2无人直升机——起落架主旋翼旋转产生反向反扭矩易使机身自旋，尾桨靠侧向力矩抵消反扭矩从而使无人直升机机身保持稳定，不致发生失控的旋转。01通过调整尾桨的桨距，改变尾桨产生的侧向力大小。增大尾桨桨距，精确地控制航向，实现向左或向右转弯，满足不同飞行任务的需求。02尾桨可根据飞行控制系统的指令，实时调整自身的工作状态，产生适当的侧向力，来纠正机身的微小偏差，帮助无人直升机保持稳定的悬停状态。03平衡反扭矩实现方向控制辅助悬停尾桨是用来平衡反扭矩、对无人直升机进行航向操作及辅助悬停的部件。3.1.2无人直升机——尾桨多旋翼无人机是一种具有三个及以上旋翼的无人驾驶旋翼飞行器。它通过每个轴上的电动机转动来带动旋翼，从而产生升力和推力。与无人直升机不同，多旋翼无人机旋翼的总矩固定不变。通过改变不同旋翼之间的变速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。多旋翼无人机多旋翼无人机布局的常见形式：四旋翼无人机、六旋翼无人机和八旋翼无人机。3.1.3多旋翼无人机十字布局四旋翼前后左右排布，操控简便，但机头旋翼遮挡视野，不利于航拍，现已少用。X形四旋翼应用最广，桨叶X形排布，靠多电机调速，各向机动均衡、操控灵活。H形四旋翼桨叶布于机身四角，可折叠、载荷分布合理，载重性能优异。十字形旋翼布局X形旋翼布局H形旋翼布局四旋翼无人机作由四个旋翼构成，通过对四个旋翼转速的差异化调控，实现飞行器的姿态控制与飞行运动。它结构简约，具备易于组装与维护的特性，且成本相对低廉。3.1.3多旋翼无人机——四旋翼无人机前后布局左右对称布局前后布局中，无人机的前、后端各分布3个旋翼。这种布局的优势在于，当无人机需要进行前后方向的移动或姿态调整时，前后端的旋翼可以针对性地调整转速，提供更为直接和高效的动力支持。但在进行左右方向的转向操作时，相较于左右对称布局，其灵活性可能稍显不足。左右对称布局中，6个旋翼以机身中轴线为对称轴，左、右两侧各分布3个旋翼。这种布局使得无人机在左右方向的机动性非常好，能够快速、灵活地进行转向操作。此外，由于其左、右两侧的旋翼分布均匀，无人机在携带较重的负载时，能够更好地保持机身的平衡。但在长距离的直线飞行中，左右对称布局的飞行效率可能不如前后布局。六旋翼无人机旋翼的布局方式有两种，一种是三对旋翼呈正交与斜向组合分布：沿机身前后方向设置一对旋翼，沿左右方向再设置一对旋翼，剩余一对旋翼沿机身斜向布置，三对旋翼共同构成对称的六旋翼结构；另一种是六个旋翼呈全对称分布，以机身中心为原点，六个旋翼在同一平面内呈60°夹角均匀排布，左右两侧完全对称。3.1.3多旋翼无人机——六旋翼无人机八旋翼无人机通过8个旋翼协同运作，能够产生强大的升力，并且8个旋翼均匀分布于机身周围，形成稳定的力场，稳定性和抗风性均要优于同等配置的四旋翼无人机和六旋翼无人机，即使部分旋翼出现短暂故障，其余旋翼也能通过调整转速维持飞行姿态，极大提高了飞行安全性，这使得八旋翼无人机在复杂气象条件依然能稳定飞行，完成任务。八旋翼无人机八旋翼无人机与六旋翼无人机布局类似，8个旋翼在水平圆周内间隔45°均匀布局。3.1.3多旋翼无人机——八旋翼无人机品种分类密度/（g∙cm-3）特点应用部件金属材料铝合金约2.8塑性好，耐腐蚀性好，低温性能好机身镁合金1.75~1.9强度较高，加工性能优良，耐腐蚀性差轮毂、发动机齿轮、机匣、油泵等合金钢约7.9强度较高，性能稳定，价格低，耐腐蚀性好，低温性能好承受大载荷的接头、起落架和机翼大梁等钛合金约4.5比强度极高，耐腐蚀性优异，耐高温性能好（可在300～500℃长期工作），低温性能稳定发动机压气叶片、旋翼桨毂核心部件、高性能起落架关键构件等非金属材料塑料0.8~1.3密度低，抗冲击，抗疲劳性能好，尺寸稳定性好，是优良的电绝缘材料和热绝缘材料耐磨件，在腐蚀介质中用作密封件、衬垫复合材料玻璃纤维增强材料（玻璃钢）约2.0强度高，刚度较小机身蒙皮、机翼、尾翼等碳纤维1.75~1.9刚度较大机翼大梁、机身承力结构、旋翼桨叶等聚对苯二甲酰对苯二胺纤维1.44强度高，刚度大固体火箭发动机壳陶瓷基复合材料2.0~4.0密度低，强度高，耐腐蚀，耐高温涡轮发动机叶片3.2无人机常用材料铝合金铝合金密度低、比强度优良，可塑性、耐腐蚀、低温及加工性能好，性价比高，大量用于无人机机身、机翼等构件。镁合金镁合金密度低于铝合金，力学性能优异，但耐蚀性差，工件需做表面防护，多用于轮毂、机匣等低载荷零部件。合金钢合金钢掺入多种合金元素，强度、耐磨、防腐与焊接性能优良，多用于起落架等重载构件，造价高于普通钢材。钛合金钛合金密度低、比强度突出，耐热可达400～550℃，适合轻量化高端飞行器，但加工难、造价高，多用于高速无人机与动力部件。金属材料是航空器中使用最广泛的材料之一，包括纯金属及其合金。合金材料强度高、抗低温、耐磨性能好。常用的合金材料有铝合金、镁合金、合金钢和钛合金。3.2.1金属材料塑料重量轻、成本低及易成型，PC透光抗冲，用作镜头罩与外壳；尼龙耐磨稳定，制作齿轮等传动件，部分塑料还可做电子绝缘件。非氧化物陶瓷高强度、高硬度、耐高温和耐磨，多用于发动机高温构件与传动零件，改善动力与机械可靠性。耐火材料耐高温，用于无人机发动机隔热防护，阻隔高温传递，保护机体与设备稳定工作。玻璃透光性优异，多用于无人机光学窗口、镜头罩，防尘防水，强化玻璃还可抗冲击，保护光学器件。氧化物陶瓷硬度高、耐磨性强、化学稳定性良好，可用作轴承、密封件，绝缘性佳，也用于电子绝缘零件。金属陶瓷兼具金属易加工、高韧性与陶瓷耐磨耐高温的特性，用于起落架、机翼主梁，轻量化同时提升构件强度与耐用度。02耐火材料04非氧化物陶瓷06塑料01玻璃03氧化物陶瓷05金属陶瓷无人机使用的非金属材料主要是除金属材料、有机高分子材料以外的几乎所有材料。它们来源丰富，成本低廉，应用范围广，具有耐高温、高硬度、抗腐蚀等优良性能，主要包括玻璃、耐火材料、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、金属陶瓷、塑料等。3.2.2非金属材料由玻璃纤维与基体材料复合而成，比强度优于铝、刚度偏低，透波性好，多用于低速无人机机身及雷达、天线罩。玻璃纤维增强塑料碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维,易加工，复合材料轻量化、结构强度高，广泛用于无人机机身、机翼，优化续航与飞行性能。碳纤维凯芙拉是一种芳纶纤维材料，它耐高温、耐磨损,强度远超同重钢材，多用于航空构件与防护产品，也可制作手机外壳。凯芙拉复合材料具有密度低，比强度、比刚度高，抗疲劳性能、减振性能和工艺成型性能好等优势。玻璃纤维增强塑料、碳纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维（俗称“凯芙拉”）3种材料凭借各自独特的优势，在无人机制造领域占据了重要地位。3.2.3复合材料轻量化设计无人机续航与载重需求推动轻量化发展，而新型材料的应用则是实现这一目标的核心要素。以碳纤维复合材料为例，其具备高强度、低密度的特性，在无人机中得以广泛应用，能够有效减轻机身重量，提升飞行性能。此外，拓扑优化技术被大量运用，通过对无人机结构进行精确分析，去除不必要的部分，在确保结构强度的前提下，实现结构的轻量化。模块化设计智能化设计模块化设计旨在提升无人机系统的通用性、可维护性与可扩展性。无人机系统被解构为多个功能独立且相互协同的模块，各模块遵循标准化接口设计，基于接口标准化理论，不同厂家生产的具有相同功能的模块具备互换性，这使得无人机在面对多样化任务需求时能够通过快速更换或组合不同模块实现功能重构。智能化设计已成为无人机结构设计领域的前沿发展方向，深度融合了材料科学、传感器技术及智能控制理论。形状记忆合金、电/磁流变液等智能材料凭借对外界刺激的响应特性，被广泛应用于无人机结构的自适应控制，以满足不同飞行状态下的气动性能需求，从而有效提升飞行效率。3.3.1新型无人机结构设计美国的RQ-4“全球鹰”无人侦察机，其机身主承力结构（如中心翼盒、起落架连接部）采用高强度铝合金，其余构件（包括蒙皮、尾翼、发动机舱罩等）大量使用碳纤维复合材料，机翼则完全由碳纤维复合材料制成。这种设计使得“全球鹰”无人机在保证结构强度和刚度的同时，有效减轻了机身重量，实现了长航时、远距离的飞行。在我国，“翼龙”系列察打一体型无人机的机身全部采用碳纤维复合材料，使其具备良好的隐身性能和飞行性能，能够在复杂的战场环境中执行侦察和打击任务。由于螺旋桨在高速旋转过程中需要承受巨大的离心力和空气作用力，对材料的强度和疲劳性能要求严苛。采用碳纤维复合材料制造的螺旋桨具有重量轻、强度高、耐疲劳等优点，能够提高螺旋桨的转速和效率，降低噪声和振动。例如，某公司的碳纤维热压机在无人机螺旋桨叶片制造中发挥了关键作用，通过精确控制温度、压力和成型时间等参数，制造出的螺旋桨叶片具有精确的厚度和形状。这保证了叶片的几何精度和气动性能，同时提高了叶片的强度和刚度，减少了断裂的风险，延长了使用寿命。无人机机身制造无人机螺旋桨制造3.3.2先进复合材料的应用——碳纤维复合材料及其应用实例金属基复合材料是以金属为基体，通过加入高强度的增强相制成的一种高性能材料。在一些对耐高温、高强度及高导电性有要求的无人机部件的制造中，金属基复合材料发挥着重要作用。我国某型号高空长航时无人机，其发动机热端部件，如涡轮叶片、燃烧室等，就采用了金属基复合材料。这类材料在保证良好的导热、导电性能的同时，极大地提高了材料的强度和耐高温性能，能满足无人机在复杂工况下稳定运行的要求。这使得在高温、高负荷的飞行条件下，无人机发动机依然能够稳定运行，大大提升了无人机的飞行性能和可靠性。金属基复合材料应用实例3.3.2先进复合材料的应用——金属基复合材料及其应用实例陶瓷基复合材料是将增强相与陶瓷基体通过一定工艺复合而成的多相材料。陶瓷本身具有高硬度、耐高温、抗氧化等特性，但也存在脆性大的缺点。通过与增强相复合，在保留陶瓷原有优势的同时，显著改善了其脆性，提升了材料的综合性能。在无人机领域，这种材料常被用于需适应极端环境的部件。法国的“神经元”无人机，其发动机喷管采用了陶瓷基复合材料。无人机在飞行时，喷管要承受高温燃气的冲刷，而陶瓷基复合材料的应用让喷管在高温环境下依旧能保持良好的力学性能和化学稳定性，保障了无人机发动机的正常工作和飞行安全。我国某型高速靶机，其机翼前缘使用陶瓷基复合材料，成功抵御了高速飞行中因气动加热产生的高温，确保无人机在高速飞行状态下的结构完整性和飞行性能。陶瓷基复合材料应用实例3.3.2先进复合材料的应用——陶瓷基复合材料及其应用实例大展弦比机翼提升升阻比、省油远航；下单翼降低重心、飞行平稳；V型尾翼减重并优化操控；细长机身减阻且便于装载设备与油料。结构剖析01全球鹰65%以上机身采用碳纤复合材料，轻质高强，减重节油、提升载重，续航可达30小时；发动机舱等高温重载部位选用耐高温耐腐蚀的钛合金，保障极端工况下结构可靠。材料解析02美国“全球鹰”无人机作为高空长航时侦察无人机的杰出代表，采用了大展弦比、下单翼与V形尾翼布局。3.3.3典型无人机结构与材料分析——美国“全球鹰”无人机“苍鹭”无人机为常规布局，大展弦比机翼利于长时滞空，T型尾翼优化高空操控稳定性；细长机身可容纳油料与机载设备，收放式起落架飞行减阻、起降保稳。结构剖析01“苍鹭”无人机机身机翼多用复材：机翼主承力件用高强碳纤维复材，发动机高温区选用耐高温金属基复材；机身蒙皮、尾翼等次承力件采用性价比优良的玻璃钢，次要构件搭配铝合金，兼顾结构性能与生产成本。材料解析02“苍鹭”无人机是以色列航空航天工业公司研制的大型高空战略长航时无人机，主要用于执行实时监视、电子侦察和干扰、通信中继和海上巡逻等任务。3.3.3典型无人机结构与材料分析——以色列“苍鹭”无人机大疆经纬M300RTK为四旋翼构型，飞行起降悬停灵活；机臂可折叠，便携易收纳；机身一体化集成飞控、电池与传感设备，搭配全向云台，适配多场景勘测作业。结构剖析01经纬M300RTK机身机臂采用碳纤维复材，轻质高强，电机传动件搭配铝合金与工程塑料，分别侧重散热与耐磨，云台使用镁合金减重，优化整机性能。材料解析02大疆经纬M300RTK无人机是一款专业级无人机，集成了现代航空系统和大疆行业级无人机技术。3.3.3典型无人机结构与材料分析——中国大疆经纬M300RTK无人机3.4实训演练——常见大疆无人机的结构与材料探究无人机的结构与材料直接关系到其性能、可靠性和使用寿命。本实训演练以大疆公司的几款典型无人机为例，通过资料查找与分析，让学生深入了解不同无人机的结构组成及材料特性，学会根据实际需求进行合理的结构与材料选择。深入分析大疆公司的典型无人机（如大疆DJINeo、大疆DJIFlip、大疆经纬M300RTK等）的结构特点，掌握各部件的