本文基于【航空工程进展】无人机轻量化：材料—结构—制造融合进展与挑战撰写，适用于低空飞行器材料、结构设计制造，供行业参考与交流。
无人机轻量化是提升续航能力与环境适应性的关键途径，其突破依赖于材料、结构与制造工艺的深度融合。本文系统综述了该领域的进展与挑战：
材料层面，碳纤维复合材料（CFRP）凭借优异性能主导关键承力部件，工程塑料与钛合金分别适配非结构件与高温场景，但面临成本、力学性能与加工瓶颈；
结构层面，拓扑优化实现部件级 35%~40% 减重，多学科优化（MDO）通过多物理场耦合驱动系统级性能跃升；
制造层面，增材制造（AM）为复杂结构提供 30%~50% 减重方案，需同步提升工艺可靠性。
当前挑战集中于材料成本—性能平衡、多物理场优化复杂性及动力—载荷矛盾。未来需专注低成本高性能复合材料研发，深化整机拓扑优化与MDO 应用及增材制造工艺可靠性与规模化提升。
01 碳纤维/金属合金/塑料的材料性能优化
材料选择是无人机轻量化设计的基石，其核心目标在于实现高比强度与高比刚度的协同优化。这不仅关乎结构完整性，更直接影响无人机的能耗效率、环境适应性及全生命周期成本。为满足高性能与可持续性需求，无人机材料体系正从传统金属向复合材料、智能材料及环保材料加速演进。当前主流轻量化材料包括碳纤维复合材料（CFRP）、金属合金 、工程塑料等 ，其中CFRP 凭借卓越性能成为首选。
1.1 碳纤维复合材料（CFRP）
CFRP 是以碳纤维作为增强体，树脂（环氧树脂、聚酯树脂等）为基体的先进复合材料，其突出的比强度与比刚度能在保障结构性能的同时显著减轻 重 量 ，已成为无人机轻量化设计的核心材料。典型案例如图1所示。
全球鹰无人机在关键承力构件应用 CFRP，巡航效率提升23%，续航时间延长至 42 h；
美国研发的“太阳神”太阳能无人机采用 CFRP 机翼盒段，面密度较铝合金降低 62%，为机翼表面集成高密度砷化镓电池创造空间，能源转换效率提升至 18. 7%；
国内研发的“雷鸟”氢动力无人机创新采用CFRP/钛合金混合结构，通过纤维定向铺层技术实现燃料电池舱减重 40%。
中国微型太阳能无人机结合 CFRP 微结构与微型电机拓扑优化，研制出翼展 15 cm，质量 1. 2 g 的纳米飞行器，功率—质量比达传统结构的3. 8 倍，首次验证了超轻量化结构对突破能源-动力系统瓶颈的关键作用。
当前碳纤维复合材料研究中，主要是通过新型材料的研发、拓扑优化和低成本工艺来实现无人机轻量化。
Fantuzzi 等开发了超轻碳基复合材料，如图 2 所示，较 T300/T1000 环氧树脂体系具有更优强度重量比与耐久性；王尕平等通过有限元分析验证 CFRP 机翼强度/刚度性能，实现轻量化目标 。陈刚等设计高载荷大后掠CFRP机翼 ，兼顾轻量化与高刚度；Atif Yilmaz等基于Abaqus-Python优化框架，针对军用侦察无人机的大展弦比机翼，以机翼初始设计方案（未进行铺层优化）为基准，经 16 轮迭代使机翼减重34. 7%；整个优化过程共 45 轮迭代，但减重效果主要集中在前期迭代。若以中间迭代方案（如第 20轮）为基准，减重比例将显著降低，因此轻量化效果的对比需明确迭代基准。倪楠楠等强调发展液体成型、真空袋非热压罐材料与工艺等低成本制造技术是提升国内无人机复合材料应用水平的关键方向。
1. 2 工程塑料
工程塑料凭借轻质、低成本及多功能集成特性，已成为民用无人机非结构件与部分承力部件轻量化设计的核心材料之一，其应用场景从传统外壳覆盖件向功能化、高性能化方向拓展，相关研究围绕材料改性、结构—材料协同设计及工艺优化展开，为无人机减重与性能提升提供了多元化解决方案。
从材料性能与应用场景来看，不同类型工程塑料因自身特性差异，在无人机部件中形成了明确的功能分工。
ABS树脂凭借优异的抗冲击韧性与易加工性，成为消费级无人机机身、外壳及电池舱的首选材料。
聚碳酸酯（PC）因高透明度（透光率>90%）、耐温变范围宽（—40~120 ℃）及优异的尺寸稳定性，在无人机光学部件与防护结构中展现出不可替代的优势。
聚酰胺（PA）系列材料因良好的机械强度、柔韧性及耐
疲劳性，成为无人机减振与运动部件的核心选择。
聚四氟乙烯（PTFE）等特种工程塑料则在无人机高温、耐腐蚀及绝缘部件中发挥关键作用。工程塑料在民用无人机部件中的应用如图 3 所示。
1. 3 金属合金材料
金属合金材料凭借其优异的机械性能和可加工性，在无人机轻量化设计中占据重要地位。这类材料不仅具备高强度与高刚度，还能够适应无人机在复杂环境中的使用需求。特别是在无人机的关键结构部件中，如铝合金和钛合金等金属合金材料得到广泛应用。
铝合金（密度 2. 7 g·cm－3）因其轻质、高强度及良好的加工性能，被广泛应用于骨架、机翼梁、起落架等承力部件（如图 4 所示），其抗疲劳与耐腐蚀特性可适应复杂多变的飞行环境。
钛合金在高温部件的应用中展现出更为显著的优势。其密度约为钢的 50%，然而强度和刚度却远高于铝合金，这一特性使钛合金在无人机轻量化设计领域具备突出的竞争优势。
Noronha等通过多拓扑结构设计，研制出 Ti-6Al-4V 轻质多孔点阵结构。该结构在密度为 1. 8 g·cm-3时，屈服强度达 263 MPa，远高于同密度最强商用镁合 金 WE54。 若 以 实 心 Ti-6Al-4V（ 密 度 约4. 43 g·cm-3）为基准，其密度降低约 59%，且保持了较高绝对强度；但若以传统空心支柱晶格为对比，其强度提升约 36%。Yang 等采用激光定向能量沉积制备 Ti-4. 5Al-5Mo-5V-6Cr-1Nb 合金，微观组织与锻件相当，支持复杂结构一体化成型。
综上所述，无人机轻量化选材以 CFRP 与铝合金为主，但工程塑料与钛合金也在特定场景中发挥重要作用。
CFRP、金属合金与塑料的核心界限源于“性能—功能—场景”的三层匹配关系。
CFRP以高比强度、高弹性模量为核心优势，定位于高载荷、低重量的核心承力场景。金属合金（如铝合金、钛合金）兼具中等比强度与优异抗冲击性，适配中等载荷、高可靠性的次承力场景。塑料则以成型性好、成本低为特点，聚焦无承载、轻量化的非承力场景，三者的可比性并非源于单一性能参数对标，而是基于无人机的机型任务需求、结构功能等级和材料性能阈值进行选择。例如消费级无人机侧重成本与便携性，工业级无人机强调耐疲劳与环境 适 应 性 ，军用无人机追求高强度与抗毁伤性。不同材料适配无人机类型及相应的结构部件如表 1 所示。
在材料选型层面，需进一步考虑无人机平台类型与载荷等级对材料性能的差异化需求。其中，微型消费级无人机（<1 kg）结构以机身框架为主，载荷以静载与轻微振动为主，优先选用工程塑料（如 ABS、PC）或短纤维增强复合材料，兼顾低成本与易加工性。中小型民用无人机（1~20 kg）关键承力部件为机翼主梁与机身接头，需承受气动载荷与弯曲耦合，CFRP 因其高比强度成为首选。大型运输级无人机（>20 kg）结构需承受高动载、冲击与疲劳载荷，起落架、主承力框等部位需采用钛合金或高强铝合金，以满足高韧性、抗疲劳、耐冲击等多重要求。因此，材料选择应基于无人机载荷等级—结构功能—载荷类型的映射关系，构建“性能—场景—成本”协同优化框架。
2 拓扑与多学科优化（MDO）的结构突破
结构优化策略是实现无人机轻量化的核心手段，在维持结构强度与刚度的前提下显著减轻重量，从而提升飞行性能和续航能力。
本节聚焦拓扑优化和多学科优化（MDO）两大前沿策略，探讨其在无人机轻量化设计中的关键作用与突破性进展。
2. 1 拓扑优化：智能构型与减重突破
拓扑优化作为现代结构设计的关键范式，通过建立材料分布与力学响应的数学映射关系，利用先进算法求解最优拓扑构型，在保证结构完整性的同时实现质量最优化。该方法已从理论研究迈向工程实践，并与先进制造技术深度融合，为无人机设计开辟了创新维度。
在无人机领域，拓扑优化已取得显著减重成效：
张青松团队对混合无人机单翼进行重构设计（如图 5 所示），以该无人机原设计的铝合金单翼结构（满足气动性能要求）为基准，在维持气动性能不变的前提下实现整体减重 35%，关键承力构件优化效率达 5%~15%。沈浩杰等针对无人机机翼预埋骨架的研究，通过有限元验证证实了拓扑优化方案在减重与刚度维持间的有效平衡。李恒等针对四旋翼无人机机身，采用形状控制为核心的拓扑优化方案，经几何重构和强度校核后实现减重54%（质量从66. 158g降低到了30.651g）。
陈子乐等运用 Altair Inspire 软件对四旋翼机身部件进行拓扑优化，在满足安全系数的前提下实现了显著减重。Kowalik 等结合拓扑优化与生成式设计对 DJI F450 民用四旋翼框架进行优化，在保持材料为 ABS 树脂且满足载荷需求的前提下，成功将框架质量降低 10% DJI F450四旋翼框架进行优化 ，成功将框架质量降低10%。
2. 2 多学科优化（MDO）：系统协同与性能提升
MDO 是解决复杂工程系统设计的核心方法论，在无人机轻量化领域展现出显著的协同创新价值。其本质在于通过数学建模与算法耦合，协调气动、结构、动力、热力学等多学科目标函数与约束条件，突破传统单学科优化的局部最优局限，实现系统性能的全局最优解。研究表明，MDO框架通过多物理场协同分析与多目标权衡，可提升无人机综合性能 20%~40%，同时降低全生命周期成本 15%~30%。
翼身融合布局因兼具高气动效率与隐身性能，成为无人机轻量化设计的理想选择，其复杂性尤其需要 MDO 支撑：邓海强针对侦察/打击一体化无人机，构建了涵盖气动、隐身、结构、操稳的多学科耦合优化框架。
以仅考虑结构强度的单学科优化机翼主承力结构为基准，实现了机翼主承力结构减重18% 的同时，将巡航升阻比提升12%，为气动—隐身—结构的多学科协同提供了重要范例。杨体浩针对大展弦比机翼，结合伴随理论与改进的 Chebyshev 谱方法进行优化设计，显著提升了无人机在气动减阻、结构质量与刚度分布方面的综合性能。Zhang 等针对电动复合/混合无人机（四旋翼固定翼构型 EH-UAVs），提出了基于代理模型的改进并行子空间优化算法，通过建立多个相关模型，形成了四旋翼无人机的多学科优化设计方法。该方法以未进行 MDO 优化的 EHUAVs 起飞总质量为基准，在起飞总质量降低约2. 8% 的情况下，使航时提升约 14. 1%。
结构优化策略的有效性高度依赖于无人机平台的尺度与载荷特性。微型无人机结构简单，传力路径短，拓扑优化应聚焦于机身框架与电机支座的局部刚度—质量权衡，优化目标为最小质量下的静刚度最大化。中小型无人机的机翼主梁为典型弯—扭耦合承力构件，拓扑优化需考虑气动载荷分布与结构柔度最小化，并引入铺层方向与厚度协同设计。大型无人机的起落架、机身主框需承受高冲击与疲劳载荷，优化过程需引入动响应约束与疲劳寿命指标，并耦合多体动力学模型以实现冲击载荷下的传力路径重构。
结构优化是无人机轻量化设计的核心技术路径之一，其方法随着需求从单一性能优化向多目标协同优化演进，形成了以拓扑优化、多学科优化（MDO）为核心，其他方法为辅助的技术矩阵。为了明确各方法的应用范围、成本等，当前无人机结构优化方法对比如表 2 所示。
03 增材制造的工艺创新
先进制造工艺的革新是无人机轻量化设计从理论迈向工程实践的核心驱动力。增材制造（Ad⁃ditive Manufacturing，AM）通过突破传统工艺的几何与材料限制，为复杂轻量化结构的精准成型与性能提升提供了新范式。研究表明，增材制造可使无人机部件减重 30%~50%，同时缩短研发周期 40%~60%。
增材制造凭借逐层堆积的成型原理，为无人机复杂轻量化结构提供了颠覆性解决方案。该技术与拓扑优化及仿生设计深度结合，能够高精度、高效率地实现传统减材制造难以企及的镂空网格、变截面薄壁等高效承载结构。这不仅在保证结构强度的前提下显著减轻无人机自重，提升飞行性能并拓展应用范围，更成为轻量化设计从理论走向工程实践的关键技术支撑。
Yap 等采用选区激光熔化技术制备仿生拓扑优化的微型无人机框架，以相同材料的 SLM 实心框架为基准，在保证等效刚度的前提下实现减重 48%，其蜂窝状内部结构使功率-质量比提升至传统设计的 2. 3 倍。Ali 等针对消费级四旋翼无人机的主框架，以原设计的 ABS 塑料实心框架为基准，实现减重 50%。宋思勤等针对四旋翼无人机臂架，以相同材料为基准 ，通过 3D 打印实现了晶格轻量化设计方案。通过优化算法在限定变形区间内寻求体积最小化，达到轻量化最佳效果。Zhang 等针对无人机机翼主梁，以相同材料体系的基线等格Ⅰ型梁（实心格构结构）为基准，拓扑优化Ⅰ型梁实现减重 30. 63%。如表 3 所示（SMR 为刚度—质量比，LMR 为载荷—质量比），优化构型在 SCF/PA 复合材料体系中展现出突破性轻量化性能。（表 3）
增材制造技术选择需与无人机尺度、载荷特性深度耦合，呈现显著的工程适配性规律。微型无人机以薄壁/微型构件为主，熔融沉积成型、光固化成型可实现一体化成型，满足轻量化与快速迭代需求。中小型无人机承力构件需兼顾抗疲劳性，连续纤维增强3D打印（CFRP/PEEK）、选择性激光烧结可实现变截面拓扑优化，比刚度明显提升。大型无人机金属构件需高韧性与长寿命，SLM（TC4 钛合金）成型使得起落架疲劳寿命提升，精准匹配不同尺度机型的核心工程需求。
04 无人机材料—结构—制造融合的研究现状与挑战
4. 1 无人机材料—结构—制造融合研究现状
近年来，无人机轻量化研究已从单个突破转向“材料—结构—制造耦合”的新范式。任何一项新材料的应用、新构型的设计或新工艺的落地，离不开选用何种材料匹配性能需求、通过何种结构实现减重目标、采用何种工艺平衡成本与效率这三个核心问题。
材料体系是无人机轻量化的核心载体，当前已形成“关键承力 CFRP 主导、低载荷工程塑料适配、特定场景金属合金强化”的模式，其优化方向始终围绕比强度、密度、成本与工况的协同权衡展开。在材料—结构—工艺融合层面，CFRP 凭借超高比强度（约为铝合金的 4~6 倍）、低密度（约为钢的 1/4）特性，成为机身、机翼等主承力部件的首选，且需通过预浸料铺层设计与拓扑优化结合实现力学性能最大化，如“太阳神”无人机机翼通过CFRP 一体化成型与结构优化，面密度较铝合金方案降低 62%。工程塑料以低密度、低成本优势覆盖外壳、光学罩等非结构件，当前研究聚焦通过玻纤/碳纤维填充改性提升比强度，并与注塑成型工艺耦合实现复杂构型的低成本批量生产。金属合金则侧重场景化强化，铝合金用于骨架、起落架时需解决高强度锻件的加工稳定性难题，而钛合金通过SLM 增材制造实现发动机舱等高温部件的轻量化与异形化。
结构优化是无人机轻量化的核心手段，已实现从部件级减重到系统级性能均衡的跨越，拓扑优化与多学科优化（MDO）构成技术核心。拓扑优化通过建立材料分布与力学响应的数学模型，求解最优构型，实现材料高效利用与重量最小化的平衡。值得注意的是，拓扑优化的落地高度依赖与制造工艺的协同，例如与增材制造结合可突破传统减材工艺的几何限制，实现镂空网格、变截面薄壁等高效承载结构，解决优化构型不可制造的难题。MDO 则通过耦合气动、结构、动力、热力学等多学科目标与约束，突破单学科优化的局部最优局限，实现系统级性能跃升。
增材制造技术在高复杂度、小批量应用场景中，正引领着材料与结构的创新。该技术凭借无模具成形与微区精密冶金的优势，在制造无人机复杂力构件时尤为适用，可实现结构性能优化与制造成本的协同收益。然而，当无人机的构件为平直过渡为主的次承力蒙皮或覆盖件时，SLM因其固有的逐层铺粉与扫描工艺链，导致其时间与能耗成本难以随几何复杂度的降低而显著下降。在此类情况下，传统工艺显得尤为重要，传统工艺则依托低成本-高效率特性，与易加工材料形成稳定适配体系，主导大批量、标准化部件生产。其中，型材加工适配铝合金次承力件（如骨架），注塑成型高效生产塑料外壳，模压/热压罐保障 CFRP 批量稳定性。制造工艺是轻量化落地的关键桥梁，形成了增材突破复杂构型、传统保障批量成本的协同格局。
4. 2 无人机材料—结构—制造挑战
在无人机领域，轻量化设计凭借材料革新、结构优化与先进制造技术的协同作用，在提升无人机续航能力与性能上效果明显。通过采用轻质且高强度的材料，如 CFRP，以及对机身、机翼等结构进行拓扑优化，再结合 3D 打印等新兴制造工艺，无人机在减轻重量的同时，维持甚至增强其性能。然而，深入分析当前研究进展，发现在材料、结构与工艺上仍然存在诸多困难与挑战。
材料层面目前各种材料均有不足之处。高性能 CFRP虽在比强度（750~1 300 MPa·cm3·g-1）与比模量（113~180 GPa·cm3·g-1）方面表现良好，在“全球鹰［19］”“太阳神［20］”等高端无人机中，其应用实现关键部件减重 40%~62%，但高达 40%~60% 的成本占比，却是其最为显著问题之一。工程塑料虽具备 1. 0~1. 4 g·cm-3的低密度优势，在无人机外壳、护翼等非结构件应用广泛，其比强度不如 CFRP，难以满足高负载部件需求。金属合金，像铝合金虽成本占比仅 15%~25%，且有一定比强度，但在加工高强度铝合金主承力框架时，因材料导热性好、熔点高，易出现放电不稳定、加工表面粗糙度难控等问题，严重制约加工精度与效率。
结构层面，主要的挑战是局部减重引发的整体刚度分布失衡问题。为追求轻量化，部分无人机在设计时过度削减某些部位材料用量，或采用低密度材料，却未充分考量对整体刚度的影响。例如，Jang 等研究表明为了减轻重量而过度削减无人机机翼外壳的厚度，却没有同时对材料内部的铺叠角度和顺序进行优化，就会导致整个机翼的结构变脆弱、更容易变形或损坏。从力学原理看，结构刚度分布不均会导致应力集中，在长期交变载荷作用下，极易引发疲劳裂纹扩展，降低无人机使用寿命。
制造层面，以增材制造为代表的新兴工艺，虽为无人机轻量化设计带来前所未有的自由度，能实现复杂结构一体化成型，如同济大学李智军团队“ 同飞一号”验证机采用连续碳纤维增强复合材料 3D 打印技术，大幅减重，但在规模化应用进程中，其工艺可靠性与一致性控制仍然是主要的问题。以FDM 3D 打印无人机为例，打印部件存在各向异性，不同方向强度差异明显，随着无人机尺寸增大，为弥补层间弱点而加厚结构壁，不仅导致重量剧增，整体强度仍难与传统制造工艺相媲美。在热压罐成型、模压成型等传统工艺中，也存在工艺参数波动影响产品质量一致性的问题，如温度、压力控制偏差，会致使复合材料部件出现气泡、孔隙、分层等缺陷，影响产品性能与外观质量。
结束语
无人机轻量化设计的核心突破始终依赖“材料—结构—制造”三要素的协同推进。未来，随着低成本高性能复合材料（如 ULCC、环保树脂基体）的研发、整机级拓扑优化与多学科优化（MDO）的深度应用，以及增材制造工艺可靠性与规模化能力的提升，无人机轻量化水平将实现质的飞跃，进一步突破“减重—性能—成本”的核心矛盾。
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