无人机减重的最佳解决方案—碳纤维复合材料

无人机 2019-11-08 21:21
某研究机构近期发布的《2015年度民用无人机市场研究报告》数据显示,2014年全球民用无人机销量为37.8万架,其中专业级无人机销量占33%,消费级无人机销量占67%。预计2015年全球民用无人机将同比保持50%的增长态势。到2020年,全球无人机年销量有望达到433万架,市场规模将达到259亿美元。一时间,竞争者蜂拥而至。
(图示:碳纤维无人机)
和估值同样凶猛的“APP”们不同,无人机的生产和销售在消费者眼里还算新鲜事物,而且涉及到复杂的制造领域,门槛更高。“粗看,每家产品好像都差不多,但一台无人机的定位和总体体验由无数细节组成,而差别就在这些细节上。另外,对那些相对成熟的无人机制造企业而言,每家的技术和设计方案其实无所谓好坏,关键在于从企业要做个什么产品出发,所做的取舍和平衡。”挪恩复材的陈工介绍说。
消费无人机制造过程里要考虑的第一个平衡点:续航与安全。
在理论上,一款无人机一定是在足够轻的情况下兼顾结实,因为机身太重一定会影响续航时间。而一款无人机的重量构成通常分为三个部分:电池、电机、机身。以某款航拍无人机为例,其整体重量为1266克,电池(5400毫安锂聚合物电池)和电机重量占据一半以上。电池技术突破是目前整个IT制造业面对的难题,事实上即便该无人机把整机做到1公斤,其飞行时间也只在15-23分钟。因此,在电池、电机、云台重量几乎没有下降空间的前提下,从减重角度,机身基本成了企业唯一可以发挥的地方。
不过挪恩复材的李工也介绍道,当上升到商用领域,除了考虑续航外,还必须考虑载重量,因为只有载重量上去了,才能有效率地实现各种功能。
在机身重量做“减法”包括两个途径:
首先是材料选择。国内消费级无人机通用的材料多为一种高强度复合型的工程塑料,兼顾韧性和强度。而业界公认制造无人机非常理想的材料是碳纤维的复合材料。
碳纤维复合材料结构构型设计灵活多变,三明治夹芯结构也是一种重要的结构减重方法。三明治夹芯结构就是在相对较厚的芯材两侧贴附薄却有足够刚度的面板,这种结构在承受弯曲载荷时,上下面板之间存在一定的距离,结构上反而能获得更大比例的刚性。以碳纤维增强复合材料作为蒙皮,芯材可选用XPS、EPP、PMI等具有一定硬度和抗压能力的轻质泡沫塑料,使之形成碳纤维-芯材-碳纤维的复合夹芯结构。这种三明治夹芯结构在保持力学性能的同时还能显著减轻重量,尤为重要的是还可以在一定程度上降低成本。这种方法多用于较为大型的无人机机体部件,在碳纤维医疗床板中也较为常见,在小型无人机中也是一种可以考虑的方案。
此外,工艺和设计上的改进也能帮助机身降低重量。
碳纤维复合材料的成型工艺包括:编织缠绕、真空辅助成型、RTM、真空热压罐、模压等等。无人机需要高度翼身融合的飞翼式总体启动外形,所以在气动外形上要尽量做到精准。因此,苏州挪恩复材建议,使用碳纤维复合材料制作无人机机体时,尽可能地采用大面积的一体化成型工艺。因为一体化整体成型还可以避免因分片制备部件、拼接组装等带来的连接问题和连接赘重,从而实现结构减重。
碳纤维作为目前轻量化的最佳解决方案之一,在无人机减重方面拥有很大优势,但也不能避免的需要面对成本问题。目前各国的新材料人都在研究新工艺,让碳纤维的技艺更加成熟,而挪恩复材也在针对碳纤维工艺进行优化,将其成本控制在合理范围内,为厂商及消费者降低碳纤维的使用门槛。
消费无人机制造过程里要考虑的第一个平衡点:续航与安全。
在理论上,一款无人机一定是在足够轻的情况下兼顾结实,因为机身太重一定会影响续航时间。而一款无人机的重量构成通常分为三个部分:电池、电机、机身。以某款航拍无人机为例,其整体重量为1266克,电池(5400毫安锂聚合物电池)和电机重量占据一半以上。电池技术突破是目前整个IT制造业面对的难题,事实上即便该无人机把整机做到1公斤,其飞行时间也只在15-23分钟。因此,在电池、电机、云台重量几乎没有下降空间的前提下,从减重角度,机身基本成了企业唯一可以发挥的地方。
不过挪恩复材的李工也介绍道,当上升到商用领域,除了考虑续航外,还必须考虑载重量,因为只有载重量上去了,才能有效率地实现各种功能。
在机身重量做“减法”包括两个途径:
首先是材料选择。国内消费级无人机通用的材料多为一种高强度复合型的工程塑料,兼顾韧性和强度。而业界公认制造无人机非常理想的材料是碳纤维的复合材料。
碳纤维复合材料结构构型设计灵活多变,三明治夹芯结构也是一种重要的结构减重方法。三明治夹芯结构就是在相对较厚的芯材两侧贴附薄却有足够刚度的面板,这种结构在承受弯曲载荷时,上下面板之间存在一定的距离,结构上反而能获得更大比例的刚性。以碳纤维增强复合材料作为蒙皮,芯材可选用XPS、EPP、PMI等具有一定硬度和抗压能力的轻质泡沫塑料,使之形成碳纤维-芯材-碳纤维的复合夹芯结构。这种三明治夹芯结构在保持力学性能的同时还能显著减轻重量,尤为重要的是还可以在一定程度上降低成本。这种方法多用于较为大型的无人机机体部件,在碳纤维医疗床板中也较为常见,在小型无人机中也是一种可以考虑的方案。
此外,工艺和设计上的改进也能帮助机身降低重量。
碳纤维复合材料的成型工艺包括:编织缠绕、真空辅助成型、RTM、真空热压罐、模压等等。无人机需要高度翼身融合的飞翼式总体启动外形,所以在气动外形上要尽量做到精准。因此,苏州挪恩复材建议,使用碳纤维复合材料制作无人机机体时,尽可能地采用大面积的一体化成型工艺。因为一体化整体成型还可以避免因分片制备部件、拼接组装等带来的连接问题和连接赘重,从而实现结构减重。
碳纤维作为目前轻量化的最佳解决方案之一,在无人机减重方面拥有很大优势,但也不能避免的需要面对成本问题。目前各国的新材料人都在研究新工艺,让碳纤维的技艺更加成熟,而挪恩复材也在针对碳纤维工艺进行优化,将其成本控制在合理范围内,为厂商及消费者降低碳纤维的使用门槛。
来源:碳纤维工匠



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