四旋翼无人机机翼的配方设计

四旋翼无人机机翼的配方设计

于志杰

北京市自动化工程学校北京市100101

内容摘要：无人机具有结构简单、使用成本低，适应能力强，操作要求低的优点。在民用无人机领域，四旋翼无人机以其易操作、易维护得到广泛的应用。无人机由飞控、机身、电机、机翼、电源、电路等部分组成。无人机机翼作为无人机的重要组成部分，为飞机提供动力。其使用材料的质量和性能，直接影响无人机的飞行效果。无人机机翼材料多采用铝合金，根据其指标要求，本文采用高分子材料进行配方设计并尝试替代。

关键词：无人机机翼、配方设计、助剂

一、无人机的应用背景

无人机具有结构简单、使用成本低，适应能力强，操作要求低的优点。无人机通过搭载多类传感器，可以实现影像实时传输、高危地区探测功能，是卫星遥感与人工实地探查的有效补充。目前，无人机的使用范围已经扩宽到军事、科研、民用三大领域。在治安反恐、电力、通信检查检测、勘探、摄影、灾害求援、农作物种植相关作业、运输等领域得到广泛的应用。

在民用无人机领域随着无人机技术逐渐成熟，制造成本和进入门槛降低，无人机市场已经呈现爆发式发展。大疆创新科技有限公司占据了全球小型无人机市场70%以上的份额，市场规模达到数十亿，公司80%的产品销往国外；亿航、极飞科技、零度智控，也先后获得融资进军无人机市场。

无人机分为直升机、固定翼飞机、多旋翼飞机等。其中四旋翼无人机以其结构简单，易操作、易维护得到广泛的应用。依据伯努利定律：空气的流动速度越大，对机翼压力越小，相反，速度越小，压力越大，机翼的结构使得机翼上部空气流速较快，压力则较小，机翼下部空气流速较慢，压力较大，向上推机翼无人机就可以实现上升。依据牛顿第三定律，旋翼在旋转的同时，也会同时向电机施加一个反作用力（反扭矩），促使电机向反方向旋转。直升机通过尾部在水平方向上施加一个力，去抵消这种反作用力，保持直升机机身的稳定。四旋翼无人机则是通过四个螺旋桨中，相邻的两个电机带动螺旋桨反向旋转、对角两个电机带动螺旋桨同向旋转，抵消这种反作用力，实现无人机的平稳飞行。

四旋翼无人机的飞行姿态包括前后运动、左右运动、上下运动、偏航运动、俯仰运动、翻滚运动。四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。

二、高分子材料的发展背景

机翼作为无人机的重要组成部分，为无人机提供升力，其材料长时期采用金属合金材料以保障强度。机翼所受升力要大于无人机的起飞重量，同时还要受到空气的阻力，所以要求其具有良好的机械强度和优良的耐磨性，此外还要求其具有较高的抗疲劳强度、耐老化、质量轻的特点。铝合金机翼的耐腐蚀效果差，成本、强度和质量也有改进和提高的空间。基于新材料的层出不穷，也出现了更多的选择可以制作具有高强度、质量轻、成本低的无人机机翼，使得无人机的稳定性增强，提高无人机的续航时间和航程。

以高分子材料制作无人机机翼相对于金属机翼有四大优势。减轻机身重量，提升续航能力。降震减噪，提升整机抗冲性能。减少金属材料对远程信号干扰。简化成型工艺，提升产品结构设计灵活性。根据市场现有塑料适当进行处理或者根据性能较为匹配的树脂进行重新设计都是不错的选择，需要设计合适的配方并加以应用。

三、无人机机翼材料及配方设计

高分子材料配方设计的关键为选材、搭配、用量、混合四大要素。同时在保证质量的前提下，低价格原料、库存原料、本地产原料、国产原料和通用原料是有限选择的重要条件。以高分子材料品种而论，目前世界上生产的已有三百多种，规格牌号数以千计。其中产量最大的是聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料、和氨基塑料，这类被称之为通用塑料，占塑料产量的四分之三。除了通用塑料外，聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲醛等等机械强度较好的塑料被称作工程塑料。包括不饱和聚酯、环氧树脂和聚氨酯树脂等品种，则被称为特殊塑料。

在高分子材料的配方设计过程中，有以下几个要点：树脂要选择与改性目标性能最接近的品种，以节省加入助剂的使用量，降低成本。同一种树脂的生产厂家不同、牌号不同，其性能差别也很大，应该选择与改性目标性能最接近的牌号。配方中存在多种共混材料，各种材料的熔融指数要接近，以保证加工流动性。依据改性目标选择合适的助剂，查阅文献及资料，选用成熟的搭配，并达到要求的指标。起指标一般为产品的国家标准、国际标准，或客户提出指标、自行设计配方要在实际应用中检测相应指标。例如增韧可以添加弹性体、热塑性弹性体和刚性增韧材料。增强一般添加玻璃纤维、碳纤维、晶须和有机纤维。耐热一般添加玻璃纤维、无机填料、耐热剂等。

依据塑料材料配方设计要点和无人机机翼的性能要求，通过查阅资料、性能比较、试验测试，本人选取了三种不同树脂的配方并对其进行分析和使用。

配方一：三菱公司短切碳纤维增强尼龙66。配方为：97%RTP或三菱公司短切碳纤维增强尼龙66，、增塑剂2%，其他助剂1%。各成分重量配比为聚酰胺60%，热塑性树脂占2%，碳纤维占37%，助剂1%。密度1.18-1.23g/cm3，弯曲强度达到200-300MPa，拉伸强度100-200MPa，机械性能优良。

以上配方分析，尼龙66作为聚酰胺树脂的一种，具有各种聚酰胺的共同特点耐燃，抗张强度高（达104千帕），耐磨，电绝缘性好，耐热（在455千帕下热变形温度均在150℃以上），熔点150～250℃，熔融态树脂的流动性高，相对密度1.05～1.15。其产量大，树脂成本低，高强度，高刚性，高流动、易加工，通过添加短切碳纤维材料使其机械性能得到进一步增强，完全达到无人机机翼的使用标准。

由于PA强极性的特点，吸湿性及尺寸稳定性差，可以通过改性来改善。尼龙作为工程塑料中重要的品种之一，主要在于它改性后实现高性能化，新的增强材料如无机晶须增强、碳纤维增强PA将成为重要的品种。聚酰胺塑料制品广泛用作各种机械和电器零件，其中包括轴承、齿轮、滑轮泵叶轮、叶片绳索、传动带等，具有优良的耐磨性。

加工工艺：增加碳纤维在复合材料中之间的界面力，需要对碳纤维进行处理，包括采用短切工艺，保证碳纤维的长度尽可能的长，对碳纤维进行表面处理，增大界面剪切力，加5%上浆剂确保碳纤维与树脂界面结合的更好。采用侧喂料工艺，将聚酰胺树脂先进入挤出机，碳纤维加热后，后进入挤出机。以确保碳纤维的长度和减少对挤出机的损害。

配方二：燕山石化J60聚丙烯PP聚丙烯机翼材料。配方为：燕山石化J60聚丙烯PP聚丙烯87%，玻璃纤维10%，增塑剂2%，其他助剂1%。密度0.9-1.1g/cm3，弯曲强度达到70-150MPa，拉伸强度50-100MPa，机械性能优良。

玻璃纤维是主要的增强材料，可以显著提高PP塑料的拉伸强度。玻纤含量一般不超过40%，一般认为在纤维长度大于0.2mm时有改性效果，其玻纤的直径在十几个微米时效果较好。玻纤含量增大时，增强PP的加工流动性相应下降，但仍属流动性较好的塑料。

聚丙烯PP作为四大通用塑料材料之一，具有优良的综合性能、良好的化学稳定性、较好的成型加工性能和相对低廉的价格。但是它也存在着强度、模量、硬度低，耐低温冲击强度差，成型收缩大，易老化等缺点。因此，必须对其进行改性，以使其能够适应产品的需求。

聚丙烯PP材料的改性工艺成熟，包括增强增韧、耐候改性、玻璃纤维增强、阻燃改性和超韧改性等几个途径。聚丙烯PP加玻纤材料，可制作空调等制冷机器中的风扇。其中的长玻纤制品具有较好的表面、较高的使用温度、较高的冲击强度，性能更加优异。玻纤增强聚丙烯PP是在原有纯聚丙烯PP的基础上，加入玻璃纤维和其它助剂，从而提高材料的使用范围。玻纤增强以后，玻纤是耐高温材料，因此，增强塑料的耐热温度比不加玻纤以前提高很多，同时由于玻纤的加入，限制了塑料的高分子链间的相互移动，因此，增强塑料的收缩率下降很多，刚性也大大提高、抗冲性能也得到提高。最重要是玻纤是高强度材料，可大幅度聚丙烯PP的强度，如：拉伸强度，压缩强度，弯曲强度，提高很多。

改性燕山石化J60聚丙烯PP聚丙烯树脂应用于无人机机翼，其特点为高强度、高模量、低翘曲，高韧性，可满足跌落测试，高流动，适合薄壁制件，高韧性，高空跌落不开裂，能有效吸收撞击能量，耐候性能好，易加工成型。

加工工艺：从产品性能方面考虑，所有的玻纤增强产品均要求剪碎后的玻纤有一定的长度，一般在0.4-0.8mm之间，才能起到增强作用：玻纤过短，只有填充的作用，而浪费其增强性能。物料在玻纤口处必须熔化了85%以上，否则将因玻纤与物料之间严重的摩檫使玻纤被剪切得过碎。

配方三、聚醚醚酮PEEK树脂机翼材料。配方为：50%聚醚醚酮PEEK树脂、40%碳纤维、5%分散剂、4%润滑剂，1%其他助剂。密度1.3-1.5g/cm3，弯曲强度达到200-300MPa，拉伸强度250-300MPa，机械性能优良。

聚醚醚酮PEEK属特种高分子材料。具有耐高温、耐化学药品腐蚀等物理化学性能，熔点334℃，软化点168℃，拉伸强度132～148MPa，具有良好的韧性和刚性，可用作耐高温结构材料和电绝缘材料，可与玻璃纤维或碳纤维复合制备增强材料。但是该树脂造价昂贵，不适合一般使用。聚醚醚酮PEEK树脂作为机翼面板的主要成分，它具有高强度、高模量以及优良的尺寸稳定性，还具有和合金媲美的耐疲劳性能，抗应变力性强，且它的密度小。

碳纤维是与聚醚醚酮PEEK树脂复合后，不仅能提高树脂的力学性能，还提高了树脂的耐腐蚀能力。碳纤维在使用过程中为更好的与树脂结合，往往采取预处理，例如磺化。经过处理的碳纤维表面含有较多的官能团，与聚醚醚酮PEEK树脂的结合力增强，有助于碳纤维和石墨烯在树脂中均与的复合。本配方采用质量很轻的聚醚醚酮PEEK树脂作为机翼面板，使机翼具有高强度和很强的抗疲劳强度，通过添加其他填充剂、增塑剂和抗氧剂，增强树酯的抗腐蚀能力和耐老化能力。以上三种配方，经过查阅资料，测试性能，实际使用的流程进行检验，均可替代铝合金机翼使用。

三菱公司短切碳纤维增强尼龙66的基本材料选用聚酰胺树脂，产量大价格低，是成熟的工程塑料，在工业生产中得到广泛的应用，其配方改性和工艺都十分成熟，操作难度低，非常适合大规模生产。但是碳纤维价格较高，且添加量大，且处理过程较为不易，导致成品在价格和密度方面稍差。聚醚醚酮PEEK树脂机翼材料，机械性能优异，但是价格较高，且添加碳纤维后，密度较大，适用于复杂情况下，恶劣天气下的高强度使用。四旋翼无人机在教学实践过程中，配方二玻璃纤维增强聚丙烯PP，在实验数据，实地检测方面均有不错的表现。各种力学性能，尤其是抗冲击性方面优势突出，且成本较低，密度低，可以使无人机的续航和时间大大延长，适于教学使用。

参考文献：

1.《塑料材料手册》罗河胜广东科技出版社1988年3月第一版

2.《国内最新塑料牌号手册》钱德基中国石化出版社1993年第一版

3.《塑料助剂手册》吕世光轻工业出版社1988年6月第二版

4.《聚丙烯-原理》工艺与技术洪定一中国石化出版社2011年4月第二版

5.《聚醚醚酮》赵纯、张玉龙化学工业出版社2013年1月

6.《合成树脂及应用丛书--聚酰胺树脂及其应用》朱建民化学工业出版社

7.《无处不在的碳纤维》孙银霞，赵永霞，莫幻甘肃科学技术出版社2012年4月