المركبة الجوية بدون طيار (UAV)، والتي يشار إليها عادة باسم "طائرة بدون طيار"، هي طائرة يتم تشغيلها بدون طيار بشري على متنها، وذلك باستخدام جهاز التحكم عن بعد اللاسلكي وأنظمة التحكم المبرمجة على متن الطائرة، أو التشغيل المستقل بشكل كامل أو متقطع عبر أجهزة الكمبيوتر الموجودة على متن الطائرة . وكنوع جديد من الطائرات، تختلف الطائرات بدون طيار عن الطائرات المأهولة من حيث المتطلبات التشغيلية وأهداف المهمة. تتطلب الطائرات بدون طيار عادةً تكلفة منخفضة، وهياكل خفيفة الوزن، وقدرات تخفي عالية، وفترات طيران طويلة، وطول عمر تخزين طويل. بالنسبة للطائرات المقاتلة بدون طيار، هناك أيضًا متطلبات لقدرة عالية على المناورة وقدرة تحميل زائدة كبيرة.

نظرًا لخصائص المواد المركبة، مثل قوة محددة عالية، ومعامل محدد عالي، وقابلية التصميم القوية، ومقاومة التعب الممتازة، وتحسين أداء التخفي، وعمر الخدمة الطويل، وامتصاص الصدمات الجيد، معظم هياكل الطائرات بدون طيار مصنوعة من مواد مركبة. يتضمن ذلك مكونات مثل جسم الطائرة، والأجنحة، والمثبتات الأفقية، والمثبتات الرأسية، ودعامات الذيل، وأسطح التحكم، ومعدات الهبوط.

يمكن أن يؤدي استخدام المواد المركبة في هياكل الطائرات بدون طيار إلى تقليل الوزن بنسبة 20% إلى 30%. حاليًا، تعتبر الصناعة كمية المواد المركبة المستخدمة أحد المؤشرات المهمة لقياس مدى تقدم الطائرة بدون طيار، والتي تتطلب عمومًا أن تصل إلى حوالي 60% إلى 80%. ومع ذلك، هناك بالفعل طائرات بدون طيار في الولايات المتحدة حققت هيكلًا مركبًا بالكامل، حيث تجاوز استخدام المواد المركبة 90%.


يتضمن تطبيق المواد المركبة في مجال الطائرات بدون طيار الاستخدام الواسع النطاق لألياف الكربون القائمة على البولي أكريلونيتريل (PAN) ومواد نومكس على شكل قرص العسل في جسم الطائرة بدون طيار وجلود الأجنحة والحواف الأمامية. ألواح ألياف الكربون والمواد الرغوية القائمة على PANتُستخدم عادةً في إنشاء مركبات شطيرة رغوية أو أنابيب من ألياف الكربون تعتمد على PAN، والتي تُستخدم على نطاق واسع كحزم رئيسية في الطائرات بدون طيار. يتم تطبيق مواد ألياف الكيفلار على المراوح وجسم الطائرة والموصلات لتعزيز قوة التعب ومقاومة الصدمات بشكل كبير.

بالنسبة للمركبات الجوية متوسطة إلى كبيرة الحجم بدون طيار (UAVs)، تُصنع الهياكل الحاملة الأساسية من المعدن، بينما تستخدم المكونات الأخرى مواد مركبة. تستخدم الطائرات بدون طيار الصغيرة والمتوسطة ألياف الكربون، والألياف الزجاجية، والمواد الهجينة ، بينما تستخدم الطائرات المقاتلة بدون طيار في المقام الأول مركبات ألياف الكربون وألياف الأراميد. تستخدم الطائرات بدون طيار الصغيرة منخفضة السرعة ألياف الكربون، وألياف الأراميد، وأقراص العسل الورقية، والمواد الخشبية.

وبما أن الطائرات بدون طيار لا تحتاج إلى مراعاة الحدود الفسيولوجية للمشغلين البشريين في تصميمها الهيكلي، فيمكنها التركيز بشكل أكبر على تحسين القدرة على المناورة، مما يؤدي إلى اختيار المواد التي تختلف عن الطائرات المأهولة. إن استخدام المواد المركبة يعزز بشكل كبير قدرات التخفي لهيكل الطائرة.

أولاً، نظرًا لأن البوليمرات غير موصلة للكهرباء، فإنها تساعد في تجنب تكوين مجالات متناثرة لموجات الكشف. ثانيًا، يلعب تطبيق المواد المركبة دورًا حاسمًا في الجمع الفعال بين السلامة الهيكلية والوظيفة. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي استخدام المواد الخفية إلى تقليل انعكاس موجة الرادار لهيكل الطائرة بشكل كبير. وأخيرًا، يساهم تكامل المواد المركبة في السلامة العامة لهيكل الطائرة، مما يسمح بتصميم سلس وموحد يحقق التخفي عن طريق تجنب اللحامات والمثبتات وغيرها من المخالفات التي يمكن أن تبعثر موجات الكشف.

باختصار، تعمل خيارات التصميم هذه على تعزيز إخفاء الطائرات بدون طيار بشكل فعال. تشير الإحصاءات إلى أن العديد من البلدان حول العالم تستخدم بشكل كبير المواد المركبة المتقدمة المصنوعة أساسًا من ألياف الكربون في الطائرات بدون طيار، وهو ما يمثل 60٪ إلى 80٪ من الكتلة الهيكلية الإجمالية، مما يؤدي إلى انخفاض الوزن بأكثر من 25٪. ونتيجة لذلك، يتم تصميم وتصنيع المزيد والمزيد من الهياكل الحاملة في الطائرات بدون طيار باستخدام مواد مركبة من ألياف الكربون، والتي تطورت من تصميمات غير حاملة في البداية.

يهدف تصميم الهياكل المركبة المشتركة للطائرات بدون طيار إلى تقليل الوزن بشكل أفضل وزيادة سعة الحمولة وزيادة القدرة على التحمل. يعد التصميم خفيف الوزن للمواد المركبة اتجاهًا حديثًا في تصميم الطائرات بدون طيار، مع التركيز على التصميم والتصنيع الهيكلي المتكامل. مع زيادة استخدام المواد المركبة، يستمر تعقيد الهياكل في الارتفاع، مما يجعل من المهم الاستفادة الكاملة من إمكانات المواد المركبة، وتقليل الوزن بشكل كبير، وتبسيط علاقات التجميع من خلال الهياكل المتكاملة، مما يؤدي أيضًا إلى تقصير عمليات الإنتاج.

عادة، يتم تشكيل هياكل الطائرات بدون طيار باستخدام تكوينات اللوحة والشعاع والأضلاع، والتي يتم تجميعها بعد ذلك من خلال روابط لاصقة في درجة حرارة الغرفة. تبدأ العملية بربط جانب واحد من اللوحة بالإطار، يليه الربط باللوحة الأخرى، حيث لا يمكن مراقبة جودة اللصق. يهدف هذا المشروع إلى استكشاف وإنشاء طريقة للمعالجة المشتركة لألواح الجدران والعوارض في خطوة واحدة (المعالجة بدرجة حرارة متوسطة)، مما يوفر قوة ترابط أكبر وموثوقية أعلى ودورات تجميع أقصر وتكاليف أقل بشكل كبير، مع تقليل أيضًا الحاجة إلى السحابات.

إن تصميم المعالجة المشتركة وتكنولوجيا التصنيع متقدمة، مما يسمح باستغلال أفضل لمزايا المواد المركبة، مثل مرونة التصميم العالية، والقوة النوعية العالية، والمعامل النوعي العالي. وهذا يتيح مزيدًا من التصميم خفيف الوزن، وتحقيق أهداف مثل تقليل الوزن الإجمالي، وزيادة سعة الحمولة، وزيادة القدرة على التحمل.

لقد تطور تطبيق المواد المركبة من المكونات الحاملة غير الحاملة والثانوية إلى المكونات الحاملة الأولية. تتجه اتجاهات التنمية نحو حلول أكبر وأكثر تكاملاً وأقل تكلفة. تهدف تقنية التشكيل الشامل للمواد المركبة إلى تحقيق حلول خفيفة الوزن وفعالة وفعالة من حيث التكلفة عن طريق تقليل عدد المكونات والمثبتات في الهياكل المعقدة والكبيرة. ضمن تقنية التشكيل الشاملة هذه، يتم إعطاء الأولوية لتقنية التشكيل المشترك، لأنها تؤدي إلى مكونات مركبة خفيفة الوزن مع الحد الأدنى من التشوه.