高模量碳纖維在長航時太陽能無人機中的應用
摘 要
RQ-4型Global Hawk鷹無人機是諾斯羅普·格魯曼公司（Ryan Aeronautical Center）生產制造的無人機，它是一種高空、長航時無人偵察機，可為軍事野戰指揮員提供大地理區域的高分辨率、近實時圖像。
鷹無人機項目由國防航空偵察局（DARO）資助，并由國防高級研究計劃局（DARPA）和美國空軍管理；作為架得到美國聯邦航空局（FAA）認證可以在美國民航機領空飛行的無人機，目前已經在美國空軍和美國海軍服役。
本文主要介紹了鷹無人機的發展歷程，并介紹了高模量碳纖維在鷹中的應用，如無人機的機翼和機尾大量采用了高模量碳纖維復合材料。
美國愛德華空軍機場等待起飛的鷹無人機
1鷹無人機的發展史
諾斯羅普·格魯曼公司是鷹無人機的主要承包商，并在其名下位于圣地亞哥的航空工廠制造，主要供應商包括雷神系統公司（傳感器系統）、勞斯萊斯北美公司（渦輪風扇發動機）、北美波音公司（碳纖維機翼）和L3通訊公司（通信系統）。
2001年3月，美國國防部與諾斯羅普·格魯曼公司簽署了該計劃的工程和制造開發（EMD）階段的合同。
2001年4月，鷹完成了航空業的歷史，這是由無人駕駛飛機完成的次跨太平洋直飛航班，從加利福尼亞州的愛德華茲空軍基地飛往南澳大利亞州愛丁堡的澳大利亞皇家空軍基地。
鷹無人機大飛行高度達65,000英尺（1.98萬米）
2003年8月，鷹成為架獲得美國聯邦航空管理局（FAA）許可在領空飛行的無人機。
2007年4月，批20架鷹完成了飛，架于2008年6月交付；截止2011年共有54架無人機交付美國空軍使用。
鷹無人機在美國空軍服役
2010年2月，鷹美國空軍的RQ-4鷹完成了3萬個作戰飛行小時和1500架次的飛行。
2016年7月，鷹無人飛機系統（UAS）已實現累計20萬小時的飛行。
鷹可以在所有類型的行動中執行偵察任務。該飛行器的14,000nm射程和42小時的續航力，再加上與地面部隊的衛星和視線通信鏈路，可在范圍內運行該系統。
此外鷹高分辨率傳感器，包括可見光和紅外電光系統以及合成孔徑雷達，將在24小時內對40,000nm?的區域進行監視。
2019年10月，美國空軍將一個由319偵察翼RQ-4鷹無人飛機系統組成的中隊重新部署到關島的安德森空軍基地（AFB），此前向日本部署的鷹包括2014年、2015年和2018年的三澤空軍基地和2017年的橫田空軍基地。
2高模碳纖維在鷹無人機中的應用
高空長航時無人機通常都用來執行偵察通信等任務，為了滿足任務系統和動力系統的功率需求，翼面往往需要鋪設大面積的太陽能電池，因此需要有大面積的機翼。在無人機設計上往往采用很大的展弦比，盡可能減小飛機的誘導阻力，從而提高升阻比，提高氣動效率。
高空長航時無人機大多飛行環境屬于航空-航天之間的臨近空間領域
太陽能無人機普遍使用輕質、高強度和剛度的復合材料結構，機翼需要同時滿足大展弦比、低結構重量、全輕質結構和超高強度等多方面要求。由于高模量碳纖維復合材料由于具有超高的結構剛度和抗變形能力，因此，成為長航時無人機材料的選。
鷹高空長航時無人機，除機身采用了鋁合金以外，其他結構件大量采用了先進纖維復合材料，而且復合材料占結構總重量高達65%。
鷹無人機的機翼和機尾大量采用了高模量碳纖維復合材料結構，其中機翼由沃特飛機工業公司（Vought Aircraft Industries）建造，跨度為116.2英尺，每個外部吊艙的硬點大為1000磅。
為了滿足彎曲剛度等性能要求，鷹無人機四梁式承扭盒的I型梁結構完全采用高模量碳纖維增強環氧樹脂預浸料制造，其中0°鋪層占50%、其他鋪層占50%。
在無人機其他結構件中，極光飛行科學公司制造的尾巴的V型配置可提供低雷達和紅外信號；加利福尼亞州托蘭斯的霍尼韋爾航空航天公司提供了環境控制系統；起落架由加拿大魁北克的Heroux Inc.提供，前起落架是F-5設計的衍生產品，高度可調，以適應跑道的特性；鷹配備了由勞斯萊斯北美公司提供的AE 3007H渦輪風扇發動機。
3未來展望
隨著美國鷹無人機研發成功并服役，高空長航時無人機成為競相研發的焦點，但是美國、英國在該領域始終處于地位，如英國Zephyr西風太陽能無人機、美國Facebook公司天鷹無人機等均獲得突破。
美國天鷹太陽能無人機
2017年由航天科技集團公司十一院自主研發的新型彩虹太陽能無人機完成臨近空間飛行試驗，從而打破了國外技術壟斷。
國產彩虹太陽能無人機在臨近空間實現飛
高空長航時太陽能無人機不但可以替代衛星執行偵察、導航和電信傳輸等軍事任務，而且在環境監測、通信和海上巡邏等方面對民用市場有著巨大的潛力。各國之所以愿意投入巨資和人才資源，除了其擁有廣闊的應用前景之外，還在于作為前沿科技產品，其技術和產業集成帶動能力相當強大。依托太陽能無人機等項目的帶動，并配套研發高模量碳纖維、新型太陽能電池、新型儲能手段等技術和產品，將有助于進一步推動我國航空航天產業的發展。
（部分資料來源 Air Force Technology）
