整體式玻璃鋼無人機機翼的研制
摘 要：通過對整體機翼結構、材料的分析，獲得了較為完善的整體玻璃鋼機翼的制造方案，并成功應用于某型無人機上。
1 引 言
隨著航空技術的發展，用無人機替代有人飛機執行高風險作戰任務，是當今國際航空領域的一個重要發展方向。因此，無人機的研制及生產成為各軍事大國武器裝備發展的重點。玻璃鋼蜂窩夾層結構具有輕質、高強、結構剛度大、透波性好、隔音等特性。這種結構可有效彌補玻璃鋼彈性模量低、剛度差的不足，在同樣承載能力下能較大幅度地減輕結構的自重。近年來，在航空工業中得到了廣泛應用。為了減輕重量，采用玻璃鋼夾芯結構機翼形式的小型無人駕駛飛機也越來越多。
機翼是小型夫人駕駛飛機的一個重要部件，起著產生升力、承載氣動力的雙重作用，不但要有足夠的強度、剛度和較輕的重量，而且要有光滑流線、準確的外形。因此，一個性能優異的機翼需從材料、結構及制造工藝進行綜合考慮。一般機翼設計均為分段式結構，這種結構需將兩翼進行連接，存在易折斷的問題，對于輕型飛機來說重量也增加較多。目前，某型機機翼在設計上大膽地采用整體式機翼的新型結構，此種結構將左右側機翼連為一體，提高了飛機的各項性能及美觀度。
整體式機翼不但在設計上新穎，在制造技術上國內也未有可借鑒資料。與分段式機翼相比，整體式機翼在翼展方向的平直度對成型工藝提出了更高的要求。本文著眼于整體式輕型飛機機翼的新型結構，研制出一套較為完善的制造方案。
2 結構及難點分析
2.1 整體機翼的結構
整體玻璃鋼機翼由上、下壁板、梁、肋等部件組成(見圖1)。上、下壁板由玻璃鋼及紙蜂窩組成，梁、肋采用工字型和U字型鋁框架與輕質木層板構成，梁、肋與上下壁板采用室溫固化膠膠接。蜂窩夾層結構的壁板、鋁合金框架與木質層板可起到提高整體機翼展向剛度，減輕飛機重量的作用。壁板與梁、肋的膠接結構代替金屬連接，在保證連接的同時，大大減輕了產品重量。
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2.2 制造難點分析
通過分析整體機翼結構，在制造工藝上主要存在如下難點：
①整體機翼長超過4m，而機翼橫截面高度不足100mm。對于這樣的薄板構件，如何保證展向不變形是制造工藝上一個難題，這里牽涉到上、下壁板的平直度和金屬骨架的裝配，以及骨架與壁板的協調等問題。
②機翼表面光潔度問題。為減輕重量，壁板采用了蜂窩結構，壁板的玻璃布僅有一層，故壁板表層的蜂窩格印如何消除，怎樣才能提高表面質量，也是本課題研究的關鍵。
③重量是保證無人機性能的關鍵。對于整體式機翼結構，減重是工藝設計所要考慮的關鍵問題，纖維與蜂窩的重量是固定的，工藝解決重量在于含膠量的控制。
3 制造工藝方案
3.1 工裝結構
按照一般工裝設計，整體機翼應采用上、下壁板成型模和上、下壁板與梁肋的裝配架。通過整體機翼結構分析，提出裝配架與成型模合為一體的結構，僅需兩塊壁板成型模，在其中一塊壁板成型模上設計梁、肋的安裝卡板及各配件的鎖緊機構，這種設計不但降低了制造成本，且防止了單面壁板因起模后產生的變形，為產品質量提供了有效的保障。(見圖2)
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3.2 材料的選用
從整體機翼的結構特點可以看出，翼型為雙曲面，翼展長度為4m,用膠粘劑通過卡板把壁板、梁、肋等粘接成復合部件，由于玻璃鋼與金屬件熱脹系數較大，而木質件與玻璃蒙皮在零件制作是由于加工精度相對較小，要得到可靠的膠接質量，膠粘劑的選擇相當重要。通過多種膠液的試用，選定熱固性環氧類結構膠膠接板-芯結構，它具有涂敷性好、粘接性能高的特點。為保證重量要求，在膠粘劑中添加玻璃微球提高稠性。增強材料選用的是無堿平紋玻璃布，夾芯材料選用的是紙質蜂窩。
3.3 工藝流程
機翼在試造過程中存在外形尺寸不穩定、蜂窩偏移、蜂窩收縮等現象，通過分析及工藝調整，終確定成型方案如下。
(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，然后將蜂窩膠接在上、下壁板外蒙皮上進行一次抽真空固化，后在蜂窩上膠接上、下壁板內蒙皮進行二次抽直空固化。這種成型法特點是表面光滑，成型過程中可進行質量檢查，發現問題可及時排除。充分的固化有利于提高壁板的固化度及剛性，有利于含膠量的控制。
(2)梁、肋的組裝：梁、肋采用成型與裝配的一體模進行組裝。先進行預裝協調，保證膠接間隙后，進行排鉚、打鉚，按從中間向兩側打鉚釘的方式消除變形。
(3)壁板與梁、肋膠接，采用熱固性環氧膠先將梁、肋與下壁板膠接，再蓋上上壁板進行膠接，即二次膠接法。
3.4 工藝過程控制措施
(1)外形控制
整體機翼翼展長4m，且內部為金屬骨架，因此，展向平直度和外形尺寸的控制是工藝上一個重點控制要素。本方案通過以下幾個方面給予控制。
①模具結構：采用成型與裝配一體模結構，壁板在整個工藝過程中始終不與模具脫開，保證壁板的平直度。
②金屬骨架的裝配放于成型模上，保證制造依據的一致性。
③金屬骨架從中部向兩側逐件預裝鉆孔，隔斷定位，保證展向不翹曲。
④在膠接前壁板先進行預裝配，確保各點間隙均勻。
⑤上壁板膠接過程中覆蓋均壓板，將卡板的壓力均勻傳遞到各點，保證各處受壓均勻。[-page-]
(2)表面質量控制
為保證重量，機翼壁板選用的是紙蜂窩玻璃鋼夾層結構，因壁板的蒙皮很薄，蜂窩印在壁板表面本十分明顯。叵采用普通噴漆方式，為保證重量不能刮膩子，僅能噴面漆，噴后漆層表面蜂窩格難以消除。為此，工藝上采取在模具上直接噴膠衣樹脂的方式，在未完全固化前，就鋪壁板。膠衣樹脂較好彌補了蜂窩格印，取模后蜂窩格印完全消除。此外，在膠衣樹脂的選擇上，應選擇與壁板用樹脂相溶性較好的類型。
(3)重量控制
重量是決定無人機性能高低的關鍵，而重量控制的關鍵在于含膠量的控制。工藝上通過以下工序進行控制。
①壁板蒙皮的膠量控制。
②壁板與蜂窩膠接的膠量控制。
③壁板與金屬骨架的膠接膠量控制。
控制要點在于：
①配方的準確性。根據零件面積核算涂膠量。
②膠接間隙的控制。在預裝配過程中將所有配合間隙控制在0.2mm范圍內。
4 結 論
通過對整體機翼結構、材料的分析，經過制造方案的研究，獲得了較為完善的整體玻璃鋼機翼的制造方案，并成功應用于某型無人機上，同時從技術上得出了如下結論：
①采用膠接與成型一體的工裝制造玻璃鋼蜂窩夾層結構機翼的成型工藝具有獨到之處，很好地解決了翼展超過4m的變形問題。
②膠衣樹脂的運用能有效地解決蜂窩格印問題，從而提高產品表面質量。
③含膠量的控制關鍵在于配方、配量的準確及裝配間隙的控制。
1 引 言
隨著航空技術的發展，用無人機替代有人飛機執行高風險作戰任務，是當今國際航空領域的一個重要發展方向。因此，無人機的研制及生產成為各軍事大國武器裝備發展的重點。玻璃鋼蜂窩夾層結構具有輕質、高強、結構剛度大、透波性好、隔音等特性。這種結構可有效彌補玻璃鋼彈性模量低、剛度差的不足，在同樣承載能力下能較大幅度地減輕結構的自重。近年來，在航空工業中得到了廣泛應用。為了減輕重量，采用玻璃鋼夾芯結構機翼形式的小型無人駕駛飛機也越來越多。
機翼是小型夫人駕駛飛機的一個重要部件，起著產生升力、承載氣動力的雙重作用，不但要有足夠的強度、剛度和較輕的重量，而且要有光滑流線、準確的外形。因此，一個性能優異的機翼需從材料、結構及制造工藝進行綜合考慮。一般機翼設計均為分段式結構，這種結構需將兩翼進行連接，存在易折斷的問題，對于輕型飛機來說重量也增加較多。目前，某型機機翼在設計上大膽地采用整體式機翼的新型結構，此種結構將左右側機翼連為一體，提高了飛機的各項性能及美觀度。
整體式機翼不但在設計上新穎，在制造技術上國內也未有可借鑒資料。與分段式機翼相比，整體式機翼在翼展方向的平直度對成型工藝提出了更高的要求。本文著眼于整體式輕型飛機機翼的新型結構，研制出一套較為完善的制造方案。
2 結構及難點分析
2.1 整體機翼的結構
整體玻璃鋼機翼由上、下壁板、梁、肋等部件組成(見圖1)。上、下壁板由玻璃鋼及紙蜂窩組成，梁、肋采用工字型和U字型鋁框架與輕質木層板構成，梁、肋與上下壁板采用室溫固化膠膠接。蜂窩夾層結構的壁板、鋁合金框架與木質層板可起到提高整體機翼展向剛度，減輕飛機重量的作用。壁板與梁、肋的膠接結構代替金屬連接，在保證連接的同時，大大減輕了產品重量。
[-page-] 2.2 制造難點分析
通過分析整體機翼結構，在制造工藝上主要存在如下難點：
①整體機翼長超過4m，而機翼橫截面高度不足100mm。對于這樣的薄板構件，如何保證展向不變形是制造工藝上一個難題，這里牽涉到上、下壁板的平直度和金屬骨架的裝配，以及骨架與壁板的協調等問題。
②機翼表面光潔度問題。為減輕重量，壁板采用了蜂窩結構，壁板的玻璃布僅有一層，故壁板表層的蜂窩格印如何消除，怎樣才能提高表面質量，也是本課題研究的關鍵。
③重量是保證無人機性能的關鍵。對于整體式機翼結構，減重是工藝設計所要考慮的關鍵問題，纖維與蜂窩的重量是固定的，工藝解決重量在于含膠量的控制。
3 制造工藝方案
3.1 工裝結構
按照一般工裝設計，整體機翼應采用上、下壁板成型模和上、下壁板與梁肋的裝配架。通過整體機翼結構分析，提出裝配架與成型模合為一體的結構，僅需兩塊壁板成型模，在其中一塊壁板成型模上設計梁、肋的安裝卡板及各配件的鎖緊機構，這種設計不但降低了制造成本，且防止了單面壁板因起模后產生的變形，為產品質量提供了有效的保障。(見圖2)
[-page-] 3.2 材料的選用
從整體機翼的結構特點可以看出，翼型為雙曲面，翼展長度為4m,用膠粘劑通過卡板把壁板、梁、肋等粘接成復合部件，由于玻璃鋼與金屬件熱脹系數較大，而木質件與玻璃蒙皮在零件制作是由于加工精度相對較小，要得到可靠的膠接質量，膠粘劑的選擇相當重要。通過多種膠液的試用，選定熱固性環氧類結構膠膠接板-芯結構，它具有涂敷性好、粘接性能高的特點。為保證重量要求，在膠粘劑中添加玻璃微球提高稠性。增強材料選用的是無堿平紋玻璃布，夾芯材料選用的是紙質蜂窩。
3.3 工藝流程
機翼在試造過程中存在外形尺寸不穩定、蜂窩偏移、蜂窩收縮等現象，通過分析及工藝調整，終確定成型方案如下。
(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，然后將蜂窩膠接在上、下壁板外蒙皮上進行一次抽真空固化，后在蜂窩上膠接上、下壁板內蒙皮進行二次抽直空固化。這種成型法特點是表面光滑，成型過程中可進行質量檢查，發現問題可及時排除。充分的固化有利于提高壁板的固化度及剛性，有利于含膠量的控制。
(2)梁、肋的組裝：梁、肋采用成型與裝配的一體模進行組裝。先進行預裝協調，保證膠接間隙后，進行排鉚、打鉚，按從中間向兩側打鉚釘的方式消除變形。
(3)壁板與梁、肋膠接，采用熱固性環氧膠先將梁、肋與下壁板膠接，再蓋上上壁板進行膠接，即二次膠接法。
3.4 工藝過程控制措施
(1)外形控制
整體機翼翼展長4m，且內部為金屬骨架，因此，展向平直度和外形尺寸的控制是工藝上一個重點控制要素。本方案通過以下幾個方面給予控制。
①模具結構：采用成型與裝配一體模結構，壁板在整個工藝過程中始終不與模具脫開，保證壁板的平直度。
②金屬骨架的裝配放于成型模上，保證制造依據的一致性。
③金屬骨架從中部向兩側逐件預裝鉆孔，隔斷定位，保證展向不翹曲。
④在膠接前壁板先進行預裝配，確保各點間隙均勻。
⑤上壁板膠接過程中覆蓋均壓板，將卡板的壓力均勻傳遞到各點，保證各處受壓均勻。[-page-]
(2)表面質量控制
為保證重量，機翼壁板選用的是紙蜂窩玻璃鋼夾層結構，因壁板的蒙皮很薄，蜂窩印在壁板表面本十分明顯。叵采用普通噴漆方式，為保證重量不能刮膩子，僅能噴面漆，噴后漆層表面蜂窩格難以消除。為此，工藝上采取在模具上直接噴膠衣樹脂的方式，在未完全固化前，就鋪壁板。膠衣樹脂較好彌補了蜂窩格印，取模后蜂窩格印完全消除。此外，在膠衣樹脂的選擇上，應選擇與壁板用樹脂相溶性較好的類型。
(3)重量控制
重量是決定無人機性能高低的關鍵，而重量控制的關鍵在于含膠量的控制。工藝上通過以下工序進行控制。
①壁板蒙皮的膠量控制。
②壁板與蜂窩膠接的膠量控制。
③壁板與金屬骨架的膠接膠量控制。
控制要點在于：
①配方的準確性。根據零件面積核算涂膠量。
②膠接間隙的控制。在預裝配過程中將所有配合間隙控制在0.2mm范圍內。
4 結 論
通過對整體機翼結構、材料的分析，經過制造方案的研究，獲得了較為完善的整體玻璃鋼機翼的制造方案，并成功應用于某型無人機上，同時從技術上得出了如下結論：
①采用膠接與成型一體的工裝制造玻璃鋼蜂窩夾層結構機翼的成型工藝具有獨到之處，很好地解決了翼展超過4m的變形問題。
②膠衣樹脂的運用能有效地解決蜂窩格印問題，從而提高產品表面質量。
③含膠量的控制關鍵在于配方、配量的準確及裝配間隙的控制。
