飛機雷達罩的案例
某型飛機復合材料整流罩優化設計
某型飛機復合材料整流罩優化設計
1引言
現在航空航天工業中，減輕設計重量和縮短設計周期是2個突出的問題。結構優化被證明在這2個方面是非常有效的工具。HyperWorks中的OptiStruct在結構優化領域受到了眾多航空企業的認可并大量應用。
針對金屬結構，通過兩步法進行優化設計。第一步，通過拓撲優化方法得到概念設計；第二步，用參數優化和形狀優化方法對設計細節進行進一步優化。復合材料給設計帶來了很多可變因素，所以優化也更為復雜。針對纖維增強復合材料層合板，主要應用復合材料三步法優化方法。第一步，運用自由尺寸優化，考慮到鋪層方向，給出材料的總體分布，得到每個角度鋪層的厚度分布；第二步，考慮到所有的制造加工約束和工況載荷，對每個角度鋪層進行尺寸優化，得到每個角度鋪層的精確厚度分布和沒有角度的鋪層數量；第三步，進行鋪層順序優化，得到滿足制造工藝要求的鋪層順序。這種方法已經在OptiStruct中實現并為眾多航空企業所應用。
本案例基于OptiStruct軟件通過復合材料三步優化方法對某型飛機復合材料整流罩進行了優化設計，最終實現了減重目標。
2模型簡介
整流罩模型如圖 1所示，長度為3000mm，寬度為2000mm。模型材料屬性為碳纖維復合材料，初始鋪層為[0/45/-45/90]，單層厚度為2mm，單層板材料屬性如表 1所示。載荷工況包括2個：一個是0.02MPa內部均布壓力載荷工況；另一個是+Z向6.75g過載工況。模型中有2個負載，分別為2kg和3kg，通過RBE3單元施加到整流罩上，另外對模型四邊施加固定約束，如圖 2所示。整流罩的設計中需要考慮兩者關鍵指標：一是一階固有頻率不小于20Hz，二是結構最大應變小于1000微應變。
展開 【5/27更新】飛機的「鼻子」里有什么？
民用飛機機頭前端尖尖的部位，
飛友們形象地喊它飛機的「鼻子」，
其實它的學名是飛機「雷達罩」。
（圖源：Instagram @airbus）
「鼻子」擁有防雷擊系統，
和防靜電及雨蝕系統。
那么如此重要的雷達罩是怎樣制成的呢？
雷達罩采用蜂窩夾層結構，
前段部分使用柔性蜂窩材料，
與機身連接區域采用層合板結構，強度相對較大。
里外蒙皮通常采用E玻璃或環氧樹脂的復合材料，
平時更換雷達罩時
只需要四個人就能進行拆換作業，
兩個人就可以抬起雷達罩進行局部檢查。
為了防止雷電對雷達罩的損壞，
在雷達罩上對稱地安裝8根實心式防雷擊條，
從而使防雷擊條與防靜電涂層，
結合雷達罩與機身連接的搭鐵線，
形成完整的防靜電體系，
這些防雷擊條也是平時維護飛機時的重要檢查項目。
雷達罩如此強大的功能，
只為在不影響探測性能的前提下，
保護罩內的雷達系統，
并維持整機的氣動外形。
（圖源：Instagram @airbus）
「鼻子」里的是雷達天線，
是可以發射和接收雷達波的重要器件。
它的主要功能包括，
探測飛機前方天氣、
向飛行員進行近地警示、
提供理想的下降路徑等等。
具體而言，
氣象雷達可以通過，
測量空氣中小液滴的大小，
來探測前方天氣惡劣與否。
飛行員以此來規避亂流與降水，
讓旅客擁有平穩舒適的飛行體驗。
（圖源：Instagram @airbus）
近地警告系統在飛機
過于接近地面，
或過于靠近某個物體時，
向飛行員及時示警。
展開 RTM工藝與三維編織復合材料制造技術
RTM技術起源于20世紀40年代的“MARCO”方法，最初是為成型飛機雷達罩發展起來的。RTM雖然成本較低，但其技術要求較高，特別是對原材料及模具的要求較高，大規模推廣有一定的困難，因而發展緩慢。到了20世紀80年代，由于工業發達國家對生產環境要求的各項法規日趨嚴格；同時，隨著原材料、工藝的發展和成型技術的不斷進步，加上RTM工藝自身諸多的優點，例如，模制件公差小、有很高的表面質量、比SMC（Sheet Molding Compound），片狀模塑料模塑壓力小、生產加工組織方式多種多樣、投資少、生產效率較高等特點而受到各國的重視。80年代末，隨著世界政治經濟形勢的變化，RTM被認為是解決先進復合材料高成本問題的重要技術之一。日本將RTM 和拉擠兩項工藝推薦為最有發展前途的工藝。美國NASA將RTM技術列入其先進復合材料計劃（ACT計劃），并組織開展了大量的研究工作，同時民用復合材料界在生產成本、生產周期和環保新要求的壓力下出現了RTM 研究和應用的熱潮。
1985年前后，以縮短成型周期、提高表面質量平順性和提高質量穩定性 1985年前后，以縮短成型周期、提高表面質量平順性和提高質量穩定性為目標的第二代RTM開始得到應用。以更高效率為特點的第三代RTM 成型工藝在20世紀90年代中期開始得到應用。
國內RTM工藝起步于20世紀80年代末期，受當時國際RTM技術高速發展的影響，RTM注射設備和工藝方法一度形成“熱點”。但是由于受當時原材料配套系統不完善和基礎工藝理論研究欠缺的影響，未能形成規模化生產，大部分設備都處于閑置狀態。20世紀90年代以后，國內一些單位（如天津工業大學復合材料研究所）積極研究和推廣RTM工藝技術，從原材料、產品設計、模具設計與制造、表面技術和基礎理論以及工業化生產技術等方面，開展了系統的研究工作。
展開 RTM工藝與三維編織復合材料制造技術
RTM技術起源于20世紀40年代的“MARCO”方法，最初是為成型飛機雷達罩發展起來的。RTM雖然成本較低，但其技術要求較高，特別是對原材料及模具的要求較高，大規模推廣有一定的困難，因而發展緩慢。到了20世紀80年代，由于工業發達國家對生產環境要求的各項法規日趨嚴格；同時，隨著原材料、工藝的發展和成型技術的不斷進步，加上RTM工藝自身諸多的優點，例如，模制件公差小、有很高的表面質量、比SMC（Sheet Molding Compound），片狀模塑料模塑壓力小、生產加工組織方式多種多樣、投資少、生產效率較高等特點而受到各國的重視。80年代末，隨著世界政治經濟形勢的變化，RTM被認為是解決先進復合材料高成本問題的重要技術之一。日本將RTM 和拉擠兩項工藝推薦為最有發展前途的工藝。美國NASA將RTM技術列入其先進復合材料計劃（ACT計劃），并組織開展了大量的研究工作，同時民用復合材料界在生產成本、生產周期和環保新要求的壓力下出現了RTM 研究和應用的熱潮。
1985年前后，以縮短成型周期、提高表面質量平順性和提高質量穩定性 1985年前后，以縮短成型周期、提高表面質量平順性和提高質量穩定性為目標的第二代RTM開始得到應用。以更高效率為特點的第三代RTM 成型工藝在20世紀90年代中期開始得到應用。
國內RTM工藝起步于20世紀80年代末期，受當時國際RTM技術高速發展的影響，RTM注射設備和工藝方法一度形成“熱點”。但是由于受當時原材料配套系統不完善和基礎工藝理論研究欠缺的影響，未能形成規模化生產，大部分設備都處于閑置狀態。20世紀90年代以后，國內一些單位（如天津工業大學復合材料研究所）積極研究和推廣RTM工藝技術，從原材料、產品設計、模具設計與制造、表面技術和基礎理論以及工業化生產技術等方面，開展了系統的研究工作。
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雷電對無人機的危害
2
國外研究現狀
自上世紀70年代起，國外開始飛機雷電防護的研究工作，經過幾十年的積累，取得了豐富的成果。目前的有人飛機，尤其是民航客機，在正式交付前，需要對飛機結構、雷達罩、燃油箱、航電設備等進行嚴格的雷電試驗，保證飛機在雷電環境下的飛行安全。隨著無人機的大量應用，國外也越來越重視無人機的雷電防護工作，尤其是軍事領域，無人機的雷電設計已經成為必不可少的一項工作。
俄羅斯喀山國立科技大學的R.R. Gaynutdinov，S.F. Chermoshentsev等，使用仿真方法，系統研究了雷電對無人機系統的影響，仿真模型如圖1所示，飛機蒙皮參數設置為碳纖維復合材料。研究結果表明，該模型可以較好的模擬雷電對無人機產生的影響，當雷擊點為機頭時，在無人機內部，電場強度最高可達7.7MV/m，磁場強度最高可達-24.4kA/m；此外，該團隊還研究了雷電對無人機內部設備、線纜等產生的影響，并根據仿真結果對飛機在雷電環境中的安全性進行了評估。
圖1 某型無人機雷電仿真整機和部件模型
印度薩繆拉·達斯古特航空發展機構的Hema K S, Samudra Dasgupta等，研究了用于無人機的夾層復合材料遭受雷擊后的損傷情況。
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