杨超凡的材料世界【20】：全复材旋翼无人机

　　复合材料使无人机的直升机到飞机的转换可以在一定程度上完成，并处理独特的垂直起降载荷。

　　此图表示机翼和尾翼的正常飞行位置。特别要注意尾翼的位置，它们向前旋转并锁定在水平位置。

　　此图显示了ROTORwing的垂直起降起飞配置。副翼在旋转过程中的位置使内切圆的姿态倾斜，从而改变飞行器的飞行方向。

　　Dzyne Technologies（弗吉尼亚州雷斯顿）成立于2012年，在工程创新方面取得了相当大的成功，包括一艘获得专利的“可行驶”潜艇和几台远程垂直起降（VTOL）飞行器。当该公司于2014年7月推出碳纤维复合材料ROTORwing原型无人机时，它将不仅仅是另一款无人机。与许多传统无人机不同，翼展为10英尺/3米的ROTORwing技术演示机既不需要跑道、弹射器，也不需要发射和回收网。它被称为探路者，是根据与空军研究实验室（AFRL，俄亥俄州代顿Wright Patterson空军基地）签订的合同，在Dzyne位于加利福尼亚州欧文的设施中设计的。原型机展示了Dzyne基本概念的飞行力学。

　　Dzyne的联合发起人兼首席科学家/副总裁Mark Page解释道：“ROTORwing背后的原理是将机翼用作旋翼，并使用飞行发动机为旋翼提供动力。”。从一个静止的位置，机尾在地面上，ROTORwing将以垂直起降的方式垂直起飞。为了准备起飞，ROTORwing首先将机翼从飞行位置（与机身平行的翼弦）向相反方向旋转到悬停位置，偏离机身0°轴75°（垂直，处于发射位置）。机翼的旋转将飞机的两个螺旋桨定向为相反的方向，这会导致旋翼和上机身旋转，而四翼尾翼单元在地面上保持静止。

　　当机翼和机身运动达到每分钟60转（每秒1转）时，襟翼（副翼）向下偏转，飞机跃入空中。Dzyne的ROTORwing首席工程师Robert Godlasky解释说，尾部的一个小电机在飞行过程中“使尾部不旋转”，也就是说，它保持尾部的位置，防止尾部与机身一起旋转。因为它不旋转，机尾装有飞机的导航系统。此阶段的方向控制是通过使副翼在旋转的一侧向下偏转，在另一侧向上偏转来提供的。这使旋转机翼所描述的“圆盘”倾斜，根据地面飞行员的要求改变飞行路径。

　　在2000英尺/610米的高度上，机翼向前旋转到飞行位置，机翼和机身停止旋转，尾部锁定到位，然后“探路者”像传统飞机一样以40至100节的速度飞行。（比例速度是比例模型相对于全尺寸模型的速度。在这种情况下，比例速度大约是全尺寸车辆的10倍，即400+节。）要开始着陆，机翼和机身被编程为以全速突然拉起进入垂直爬升，并开始过渡回旋翼机翼配置，以允许垂直降落—使无人机能够轻轻地降落在其尾部。

　　佩奇指出：“创新之处在于，它将高效、长续航的飞行与垂直起降相匹配，而不需要在发动机和旋翼之间安装一个巨大的齿轮箱。”。在传统直升机中，变速箱和尾桨的重量大约是发动机重量的三倍。这架飞机通过旋转机翼消除了所有这些。“我们每个机翼上都有一个发动机……就像一架完全正常的双引擎飞机。ROTORwing在机翼、机身和尾部的每个组件之间使用非常小的齿轮箱将直升机转换为飞机，每个组件都可以独立移动。”其结果是非常大程度上减轻了重量。

　　戈德拉斯基指出，在起飞过程中，施加的载荷非常大：“当机翼每秒旋转一圈时，这种力会试图将机翼从机身中弹出，”他说。“除此之外，你还需要拉动高达2Gs的瞬时推力来启动爬升。因此，除了离心力产生的载荷外，还有推力载荷。此外，还有一些较小的载荷，因为螺旋桨在多个轴上旋转——绕着自己的轴旋转，并在机身周围绕一圈加速。这也会产生较大的陀螺力。”

　　为了确定什么材料和设计最能处理原型机身中这些不寻常的飞行载荷，Dzyne使用了达索系统（法国Velizy Villacoublay）的DS SolidWorks仿真软件包。

　　戈德拉斯基说，复合材料在制造方面很着迷，因为它们“使我们也可以塑造出几乎不可能制造的形状，包括我们应该的硬边和小而紧密的半径。”碳纤维和芳纶纤维都被考虑用于增强材料。Godlasky观察到：“在某些应用中使用芳族聚酰胺有好处，但在这种飞行器中，我们主要寻找的是刚度与重量的比值，而不是韧性。”碳纤维复合材料的重量是铝的一半，钢的六分之一，其刚度与重量的比值最好。

　　原型机身是由AC&A（加利福尼亚州森林湖）按照Dzyne规范建造的，AC&A是一家大型复杂复合材料零件和工具的垂直集成制造商。AC&A具有5轴加工、水射流切割、气候控制层压的现场能力；一个7英尺乘40英尺（2米乘12米）的热压罐（可承受350°F/176.7°C的温度和高达275磅/平方英寸/1.90兆帕的压力）；一个4英尺乘9英尺（1.22米x 2.7米）的热压罐（650°F/343°C，250磅/平方英寸/1.72兆帕）；和一个9英尺乘30英尺乘8英尺（2.7米乘9米乘2.4米）的步入式烤箱，可以在一定程度上完成高达650°F/343°C的固化温度。

　　为了经济起见，机翼被设想为一个恒定的截面，即一个长矩形，而不是锥形结构，其部件形状对称。AC&A的经理Steve Smith说：“机翼不仅上下蒙皮对称，而且左右对称。一个工具可以制成四个独立的两半：上下/左右翼。它们在这方面是独一无二的。”如果飞机上的机翼受损，用户不必将左右翼作为备件；一个机翼部分将取代右翼或左翼。

　　类似的设计简洁性使AC&A可以为每个主要组件制作一个单一的工具——不仅用于机翼部分，还用于机身和四个尾翼。Smith说，之所以使用铝制工具，“是因为它们的成本大约是复合模材料模具的一半，而且足够大”。

　　Smith说，在脱模方面，“我们是Frekote 700的终身用户”，该产品来自汉高（加利福尼亚州湾角）的Loctite脱模剂系列。

　　每个机翼都有四个致动器，或致动器控制的副翼，由相同的材料和工艺制成。Godlasky解释道：“在垂直起降模式下，副翼用于垂直起降功能的集体控制（或多或少的升力）和循环控制（倾斜旋翼）。”。当旋翼绕机身旋转时，副翼在每个象限都会改变桨距，以使直升机向前倾斜或向右或向左滚动。每转一圈，这些伺服控制的执行器必须每秒达到完全向上/向下的位置，以进行方向控制

　　附加的复合材料结构包括一个连接到机身的鼻锥，它包含飞行电子设备和监控传感器，以及发动机的整流罩。这些元件分别由相同的材料和工艺制成上下两部分。

　　将所有零件真空装袋，并在AC&A的热压罐中固化至250°F/121°C的行业标准，温度为90 psi/0.62 MPa，固化时间为两小时。戈德拉斯基说，由于“零件中的一些锐角，我认为在没有压力的情况下很难成型”，因此就需要使用热压罐进行固化。

　　蒙皮和别的部分——总共约40个——用汉高的Hysol 9330.3（一种Loctite EA（环氧粘合剂））粘合在一起。触变配方据说具有高剥离强度和优异的环境耐久性。当然，由于在起飞和着陆过程中施加的离心力和陀螺力，零件的结合至关重要。戈德拉斯基说：“我们没使用铆钉，但我们设计了配合件的几何形状—接头—以最大限度地减少剥离。”。

　　粘合部件包括整流罩；两个机翼翼梁是现成的单向碳纤维管，外覆±45°织物，并按尺寸加工；以及机身内部由机加工铝坯料制成的舱壁。有必要注意一下的是，AC&A使用Fortus 900mc熔融沉积建模设备（由Stratasys，Eden Prairie，MN提供）从丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）三维打印了六个翼肋（每个翼三个）。肋条横跨机翼蒙皮0.75英寸/19毫米的弦连接。Smith说，3D打印技术直接从CAD三维模型中实现了每层0.007英寸/0.178毫米的尺寸保真度。

　　Dzyne期待AFRL的生产合同，等待飞行测试的成功。届时，碳纤维复合材料机身的设计将扩大到ROTORwing生产型号。佩奇表示，全尺寸无人机的翼展为25英尺/7.6米，重量仅为250磅/113公斤，有效载荷为35磅/15.8公斤，可飞行20小时或70磅/31.8公斤，飞行6小时。