CN102795338B - 一种微小型无人机碳纤维旋翼的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微小型无人机碳纤维旋翼及其制备方法，属于复合材料结构技术领域。该旋翼从两端到中间依次为翼尖、翼身和翼根；翼尖从上往下依次为上表层和下表层；翼身从上往下依次为上表层、加强筋、中间层和下表层；翼根从上往下依次为上表层、加强筋、加强层、中间层和下表层；加强筋由翼根延伸至翼身与翼尖的临界处，且逐渐变窄。与相同规格的国产塑料旋翼相比，本发明的旋翼减重65％；在单位质量下，本发明的旋翼输出功率是塑料旋翼的3.4倍；在单位功耗下，输出功率是塑料旋翼的1.3倍；在产生相同升力的情况下，本发明的旋翼功耗低40％、转速低30％。本发明的旋翼可在低转速、低功耗的情况下，提高无人机的升力效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种微小型无人机碳纤维旋翼及其制备方法，属于复合材料结构技术领域。
背景技术
人们通常将翼展/长小于2m、质量不到50kg的无人机称为小型无人机，而将翼展/长不到30cm、质量小于1kg的无人机称为微型无人机。
在直升机技术发达的国家，无人驾驶直升机很早就开始研制了。无人机具有一般战场需要的各种作战功能，能侦察、监视、空中巡视，能给其他作战武器指示目标，还可以参加未来战场上的一种无处不在的对抗活动一电子战。
相对于发达国家在无人机研究领域的先知先觉，我国在这一领域的研究起步较晚。由于我国在无人机领域的研究一直处于跟随状态，技术储备不足，投入力量不大，超前意识也远远不够，导致目前国内这一领域的研究群的规模很小，更谈不上大规模的产业化了。
旋翼的性能目标是高升力、低阻力。微小型无人机的旋翼性能要求比大型直升机的要高。因为微小型旋翼机必须严格限制其尺寸。由于气动环境不同，研究大型直升机旋翼性能的方法已不能完全适用于微小型无人机旋翼。所以设计一副微小型无人机旋翼的难度就大大增加了。
旋翼的设计和制造是微小型无人机的关键技术。为了解决旋转时的振动问题，旋翼做得轻而刚硬，旋翼的挥舞、摆振和扭转刚度从翼根到翼尖是逐渐减小的，所以翼尖比翼根挠性大。而国内微小型无人机的旋翼采用的是模型飞机所用的塑料旋翼，选用塑料旋翼其质量大、升力低；单位功耗下，输出功率小，在航程长、高度高的情况下，不能满足飞行要求。
发明内容
本发明的目的是为了提出一种微小型无人机碳纤维旋翼及其制备方法，该 旋翼质量小、刚度高、强度高、防颤振性好、抗疲劳性好；在单位功耗下，输出功率大。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种微小型无人机碳纤维旋翼，该旋翼从两端到中间依次为翼尖、翼身和翼根；
翼尖从上往下依次为上表层和下表层；
翼身从上往下依次为上表层、加强筋、中间层和下表层；
翼根从上往下依次为上表层、加强筋、加强层、中间层和下表层；
上述的上表层采用45°碳纤维平纹织物；
上述的下表层采用45°碳纤维平纹织物；上表层和下表层为对称铺层方式；
上述的加强筋由翼根延伸至翼身与翼尖的临界处，且逐渐变窄；加强筋采用高模量碳纤维或高强度碳纤维，铺层方式为0n；如果加强筋为多条，则每条加强筋的轴线都重合，不同的加强筋宽度由下至上呈阶梯式递减；
上述的中间层为1层以上，采用碳纤维织物或碳纤维单向带；
上述的加强层采用碳纤维平纹织物，为1层以上，铺层方式为(0/90)n。
本发明的一种微小型无人机碳纤维旋翼的制备方法，该方法的具体步骤为：
第一步，制作加强筋
采用高模量碳纤维预浸料或高强度碳纤维预浸料，按照0n的方式铺叠，采用真空袋法或热压罐法固化成型，然后通过机械加工达到设定的外形尺寸；
第二步，制作模具
模具由三部分组成，分别是刚性模具、预成形软模和大变形率硅橡胶软模；其中的刚性模具为阳模，材料可以是钢或复合材料，刚性模具包括底座和凸台，底座为一平台，凸台的外形轮廓与旋翼的外形轮廓一致，凸台的上表面形面与旋翼的形面一致；预成形软模为橡胶软模，其内腔形状与凸台四周形状吻合，其高度高于凸台最高点6～8mm；大变形率硅橡胶软模为片状硅橡胶软模，其变形率大于300％，厚度3-5mm，其外形与凸台的上表面形面一致；
第三步，铺层
在涂敷脱模剂的刚性模具表面先铺下表层的45°碳纤维平纹织物预浸料，再依次铺覆中间层、翼根部位的加强层和第一步所述的加强筋，最后铺上表层的45°碳纤维平纹织物预浸料，上表层与下表层为对称铺层，得到铺叠物；
第四步，模具组装、封装
在刚性模具的四周放置预成形软模，在第三步所述的铺叠物表面覆盖大变形率硅橡胶软模，然后用透气氟布、透气毡、密封胶带和真空袋膜密封成一个真空袋；
第五步，固化成型
将第四步所述的真空袋放入热压罐，固化成型。
所述第五步中固化成型的条件根据制备预浸料所用的树脂来决定，树脂可以是环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂中的一种，但不限于这三种树脂。
有益效果
与相同规格的国产塑料旋翼相比，本发明的碳纤维旋翼减重65％；在单位质量下，本发明的碳纤维旋翼的输出功率是塑料旋翼的3.4倍；在单位功耗下，输出功率是塑料旋翼的1.3倍；在产生相同升力的情况下，本发明的碳纤维旋翼功耗低40％、转速低30％。
本发明的碳纤维旋翼转速低、功耗低，从而大大提高了无人机升力系统的效率。
附图说明
图1为实施例1中移除表层的旋翼结构示意图；
图2为图1中的A-A剖视图；
图3为图1中的B-B剖视图；
图4为图1中的C-C剖视图；
图5为实施例1中刚性模具的结构示意图；
其中，1-底座，2-凸台，3-加强层，4-加强筋，5-上表层，6-中间层，7-下表层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例
一种微小型无人机碳纤维旋翼，如图1所示；该旋翼从两端到中间依次为翼尖、翼身和翼根；该旋翼的总长度为410mm，从旋翼的中心作为原点起算， 在原点的左侧即为负，在原点的右侧即为正，从-45至+45为翼根，从-190至-45以及+45至+190为翼身，其他部分为翼尖；
翼尖从上往下依次为上表层5和下表层7；如图2所示；
翼身从上往下依次为上表层5、加强筋4、中间层6和下表层7；如图3所示；
翼根从上往下依次为上表层5、加强筋4、加强层3、中间层6和下表层7；如图4所示；
上述的上表层5采用45°碳纤维平纹织物；
上述的下表层7采用45°碳纤维平纹织物；上表层5和下表层7为对称铺层方式；
上述的加强筋4从-20至-190逐渐变窄以及从+20至+190逐渐变窄；加强筋4采用高模量碳纤维，铺层方式为02；加强筋4共四条，其中有两条分布在旋翼的左侧，成上下分布，上层加强筋的宽度小于下层加强筋的宽度；另外两条分布在旋翼的右侧，与左侧两条加强筋对称；上层与下层加强筋的轴线重合；
上述的中间层6为1层，采用碳纤维平纹织物；
上述的加强层3为2层，采用碳纤维平纹织物，铺层方式为(0/90)2。
一种微小型无人机碳纤维旋翼的制备方法，该方法的具体步骤为：
第一步，制作加强筋
采用高模量碳纤维/环氧预浸料，按照02的方式铺叠，采用真空袋法固化成型，然后通过机械加工达到加强筋的外形尺寸；真空袋法固化成型的条件为：真空度为-0.1MPa，温度为165℃±5℃；加强筋的长度为170mm，下层加强筋宽度从一端的10mm逐渐减小到不大于0.1mm，上层加强筋宽度从一端的5mm逐渐减小到不大于0.1mm；
第二步，制作模具
模具由三部分组成，分别是刚性模具、预成形软模和大变形率硅橡胶软模；其中的刚性模具为阳模，材料是钢，刚性模具包括底座1和凸台2，如图5所示，底座1为一平台，凸台2的外形轮廓与旋翼的外形轮廓一致，凸台2的上表面形面与旋翼的形面一致。刚性模具上表面的表面粗糙度Ra应不大于1.6；材质为45号钢，调质处理后硬度应在HRC27～32范围内；
预成形软模的制作方法为：将未硫化硅橡胶裁剪成小片，围绕在刚性模具 凸台2的四周，高度高于刚性模具最高点8mm，然后放入热压罐中使其硫化，硫化后的橡胶软模外缘与刚性模具底座1的外缘平齐，内腔与刚性模具凸台2的外部四周相贴合；预成形软模的作用有两个：一是使组装后的整体模具外形规则，方便封装和抽真空；二是能有效地阻止固化过程中胶液外溢；
大变形率硅橡胶软模的制作方法为：将双组分液态的SILASTIC T-4主剂与SILASTIC T-4固化剂，按照质量比100∶10混合后浇铸成平板状的软模，厚度为5mm，然后按照凸台2的上表面形面轮廓裁剪软模；其变形率为400％，在旋翼固化过程中，该软模能够与旋翼曲面的铺叠物表面很好地贴合，从而实现均匀加压的目的；
第三步，铺层
在已涂敷F-57NC氟碳脱模剂的刚性模具的上表面即贴模面铺下表层高强度碳纤维平纹织物/环氧预浸料，铺层方式为(±45)，即织物的经纱方向与旋翼的轴向呈45°；再铺中间层：1层高强度碳纤维平纹织物/环氧预浸料，铺层方式为(0/90)，即织物的经纱方向与旋翼的轴向一致；然后在翼根区域铺加强层：2层高强度碳纤维平纹织物/环氧预浸料，铺层方式为(0/90)2；再分别在旋翼的左侧、右侧各铺2个已制备好的加强筋，加强筋的长度方向与旋翼的轴向一致，且左侧、右侧的加强筋对称分布；最后铺上表层：高强度碳纤维平纹织物/环氧预浸料，铺层方式为(±45)，与下表层呈对称铺层；
沿刚性模具凸台2的外缘，裁剪预浸料，使其外形与刚性模具的凸台2外缘一致；
第四步，模具组装、封装
在铺叠的预浸料外侧，即刚性模具凸台2的四周，套装预成形软模，使其下表面与刚性模具底座1的上表面相贴合，随后在铺叠物的上表面覆盖准备好的大变形率硅橡胶软模，最后，用胶带将三部分模具固定在一起；
在模具的外表面包覆透气氟布、透气毡，然后用密封胶带和真空袋膜封成一个真空袋；
第五步，固化成型
将第四步所述的真空袋放入热压罐，固化成型，固化成型的条件为温度165℃±5℃，外压0.2MPa，将旋翼固化成型。
按照上述方法制备的碳纤维旋翼翼长410mm，质量为13g，在相同规格的 条件下，比塑料旋翼的质量减轻了65％；且其外表光洁、美观，经超声波无损检测证实，内部无分层、夹杂、孔隙等缺陷。
在旋翼的升力测试试验中，当转速为2490r/min时，产生的升力为406g，功耗为44.9w。与塑料旋翼相比，单位质量下，碳纤维旋翼输出的功率是塑料旋翼的3.4倍；单位功耗下，碳纤维旋翼的输出功率是塑料旋翼的1.3倍。
Claims (9)
1.一种微小型无人机碳纤维旋翼的制备方法，该旋翼从两端到中间依次为翼尖、翼身和翼根；
翼尖从上往下依次为上表层和下表层；
翼身从上往下依次为上表层、加强筋、中间层和下表层；
翼根从上往下依次为上表层、加强筋、加强层、中间层和下表层；
上表层和下表层为对称铺层方式；
加强筋由翼根延伸至翼身与翼尖的临界处，且逐渐变窄；
其特征在于该方法的具体步骤为：
第一步，制作加强筋
采用高模量碳纤维预浸料或高强度碳纤维预浸料，按照0n的方式铺叠，采用真空袋法或热压罐法固化成型，然后通过机械加工达到设定的外形尺寸；
第二步，制作模具
模具由三部分组成，分别是刚性模具、预成形软模和大变形率硅橡胶软模；其中的刚性模具为阳模，材料为钢或复合材料，刚性模具包括底座(1)和凸台(2)，底座(1)为一平台，凸台(2)的外形轮廓与旋翼的外形轮廓一致，凸台(2)的上表面形面与旋翼的形面一致；预成形软模为橡胶软模，其内腔形状与凸台(2)四周形状吻合，其高度高于凸台(2)最高点6～8mm；大变形率硅橡胶软模为片状硅橡胶软模，其变形率大于300％，厚度3-5mm，其外形与凸台(2)的上表面形面一致；
第三步，铺层
在涂敷脱模剂的刚性模具表面先铺下表层的45°碳纤维平纹织物预浸料，再依次铺覆中间层、翼根部位的加强层和第一步所述的加强筋，最后铺上表层的45°碳纤维平纹织物预浸料，上表层与下表层为对称铺层，得到铺叠物；
第四步，模具组装、封装
在刚性模具的四周放置预成形软模，在第三步所述的铺叠物表面覆盖大变形率硅橡胶软模，然后用透气氟布、透气毡、密封胶带和真空袋膜密封成一个真空袋；
第五步，固化成型
将第四步所述的真空袋放入热压罐，固化成型。
2.根据权利要求1所述的一种微小型无人机碳纤维旋翼的制备方法，其特征在于：预成形软模的制作方法为：将未硫化硅橡胶裁剪成小片，围绕在刚性模具凸台(2)的四周，高度高于刚性模具最高点6～8mm，然后放入热压罐中使其硫化，硫化后的橡胶软模外缘与刚性模具底座(1)的外缘平齐，内腔与刚性模具凸台(2)的外部四周相贴合。
3.根据权利要求1所述的一种微小型无人机碳纤维旋翼的制备方法，其特征在于：大变形率硅橡胶软模的制作方法为：将双组分液态的SILASTIC T-4主剂与SILASTIC T-4固化剂，按照质量比100∶10混合后浇铸成平板状的软模，厚度为3-5mm，然后按照凸台(2)的上表面形面轮廓裁剪软模；其变形率为大于300％，在旋翼固化过程中，该软模与旋翼曲面的铺叠物表面贴合。
4.根据权利要求1所述的一种微小型无人机碳纤维旋翼的制备方法，其特征在于：上表层采用45°碳纤维平纹织物。
5.根据权利要求1所述的一种微小型无人机碳纤维旋翼的制备方法，其特征在于：下表层采用45°碳纤维平纹织物。
6.根据权利要求1所述的一种微小型无人机碳纤维旋翼的制备方法，其特征在于：加强筋采用高模量碳纤维或高强度碳纤维，铺层方式为0n，加强筋为1条以上。
7.根据权利要求6所述的一种微小型无人机碳纤维旋翼的制备方法，其特征在于：加强筋大于1条时，上层与下层加强筋的轴线重合，不同的加强筋宽度由下至上呈阶梯式递减。
8.根据权利要求1所述的一种微小型无人机碳纤维旋翼的制备方法，其特征在于：中间层为1层以上，采用碳纤维织物或碳纤维单向带。
9.根据权利要求1所述的一种微小型无人机碳纤维旋翼的制备方法，其特征在于：加强层采用碳纤维平纹织物，为1层以上，铺层方式为(0/90)n。
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