Из чего сделаны дроны?

Основные материалы, используемые в дронах:

• Композиты, армированные углеродным волокном (CRFC)
• Термопласты, такие как полиэстер, нейлон, полистирол и т. д.
• Алюминий
• Литий-ионные батареи

Кажется, что вчера дроны были новинкой, прототипом, созданным компаниями и предприимчивыми любителями. Теперь кажется, что дроны захватили мир. Они повсюду, используются в промышленности, искусстве и даже в качестве детских игрушек. . Люди часто упускают из виду тот факт, что эти маленькие летательные аппараты только недавно стали обычным явлением. Дроны все еще находятся в зачаточном состоянии, и по мере совершенствования технологий материалов и микроконтроллеров дроны будущего будут развиваться таким образом, что это может показаться почти научной фантастикой .

Изучая конструкцию дронов и материалы, из которых они сделаны , мы сможем понять, как развивалась эта важная технология, и понять, как она может развиваться в ближайшем будущем.

<рисунок>

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) быстро заменяют традиционные методы наблюдения за землей. Их популярность растет так быстро, что некоторые даже отказались от классического выражения "вид с высоты птичьего полета" на "вид с высоты птичьего полета".

Итак, что такое дроны? Как они разработаны? И что заставляет их всплеск стать широко распространенной технологией?

Давайте узнаем.

Что такое дроны?

Для большинства людей дрон — это определенный тип беспилотного летательного аппарата (БПЛА). :мультиротор или мультикоптер. Как следует из названия, эти машины летают, направляя тягу вниз от двух или более пропеллеров с моторным приводом. .

Наиболее популярными потребительскими моделями являются квадрокоптеры. (4 винта), но коммерческие варианты включают гексакоптеры. (6 роторов) и октокоптеры (8 роторов) для обеспечения большей подъемной силы. Несмотря на то, что существует множество военных и гражданских дронов там мы сосредоточимся на обычных многороторных дронах и материалах, из которых они сделаны.

Чтобы летать, дроны должны иметь возможность создавать достаточную восходящую тягу. чтобы преодолеть собственный вес, поэтому при выборе материалов для дрона преобладает минимизация массы дрона .

Каждый грамм материала, используемого для изготовления дрона, требует энергии для подъема, и каждый сэкономленный грамм повышает производительность:

• Увеличенная грузоподъемность
• Увеличенное время полета
• Уменьшенная инерция и улучшенная маневренность.

Этот процесс выбора материалов и проектирования компонентов для минимизации массы называется облегчением. ». Это дает нам наиболее важные критерии выбора свойств материала:минимизация массы за счет выбора материалов с низкой плотностью .

Разбивка по частям

Дроны — это сложные устройства, состоящие из разных компонентов. работать вместе. Каждый компонент выполняет свою функцию. , поэтому при выборе материалов для каждой детали учитываются разные соображения. . Однако для каждой части дрона необходимо учитывать плотность материала, чтобы минимизировать вес и максимизировать производительность. .

Рамка:держит все вместе

Фрейм придает дрону форму и удерживает все подсистемы на месте . Поскольку он выполняет механическую функцию, наиболее важным свойством материала для рамы является прочность. . Для коммерческих дронов популярны термопластики, такие как разновидности нейлона, полиэстера и полистирола, поскольку из них недорого делать сложные детали. с использованием процессов литья под давлением .

Термопласты также обладают хорошей прочностью и низкой плотностью. , с несколькими разновидностями, имеющими предел прочности при растяжении более 100 МПа и плотность менее 2 г/см3. Многие термопласты также доступны в виде нитей, которые можно использовать для 3D-печати нестандартных деталей. , что сделало термопласты популярным компонентом экспериментальных дронов.

В то время как коммерческие дроны могут пожертвовать дополнительным весом, чтобы быть более доступными, промышленные дроны отдавать приоритет производительности . Материал с высокой прочностью можно использовать в меньших количествах, что делает беспилотник еще легче и мощнее.

Если мы воспользуемся поиском Matmatch, чтобы найти материалы с самой низкой плотностью и самой высокой прочностью, мы найдем лучший выбор для высокопроизводительных рам дронов:композиты, армированные углеродным волокном. . Эти композиты обладают высокой прочностью, низкой плотностью и высокой жесткостью, что позволяет делать легкие и жесткие рамы дронов.

Двигатели и пропеллеры:старт

Без источника тяги дрон никогда не оторвется от земли. Двигатели, приводящие в движение дроны, — это обычные электродвигатели. с медными обмотками и постоянными магнитами . Корпус двигателей может быть выбран таким образом, чтобы минимизировать вес, а термопласты или алюминиевые сплавы обеспечивают хорошее соотношение прочности и веса.

Однако двигатели могут выделять значительное количество тепла. Так, материалы с высокой теплопроводностью, такие как алюминий , можно использовать для корпуса для охлаждения двигателя.

<рисунок>

Мировой рынок невоенных дронов, на котором доминируют китайские производители, в течение следующего десятилетия увеличится втрое до 14,3 млрд долларов. (Рейтер)

лопасти ротора дронов вращаются с высокой скоростью, поэтому они, как правило, поглощают больше всего износа, когда дрон летит (или вылетает). Как и в случае с материалами рамы, выбор оптимального материала лопастей ротора это вопрос максимальной прочности при минимальном весе.

Некоторые лопасти ротора изготовлены из композитов, армированных углеродным волокном. . Однако лопасти ротора часто повреждаются и заменяются, поэтому многие из них сделаны из термопластов, чтобы снизить стоимость замены их, когда они ломаются.

Поскольку лопасти ротора обычно повреждаются при ударах на высокой скорости во время вращения, инженер, стремящийся спроектировать прочную лопасть ротора, может фильтровать материалы по ударной прочности и плотности, чтобы выбрать подходящий материал.

Батарейки:возможность летать

Из всех компонентов дрона улучшения в аккумуляторной технологии может стать самым важным прорывом что сделало возможным создание современных многороторных дронов. Точно так же, как отношение прочности к весу учитывается при проектировании механических компонентов, производительность аккумулятора можно измерить с точки зрения его веса. .

Такие измерения, как удельная энергия (Дж/кг) и удельная мощность (Вт/кг) описывает способность батареи накапливать и выделять энергию в пересчете на массу батареи. .

Старые свинцово-кислотные и никель-кадмиевые аккумуляторы весит слишком много для беспилотника они способны летать долго, если он вообще может оторваться от земли. Однако современные ионно-литиевые батареи предлагают достаточно энергии и мощности в легком корпусе, чтобы сделать возможными современные многороторные дроны. Будущие достижения в области аккумуляторов и конденсаторов позволят создавать еще более легкие дроны с более высокими характеристиками.

Датчики:нервная система дрона

Многороторные дроны деликатно балансируют каждый раз, когда летают. . Если один двигатель обеспечивает слишком большую тягу, дрон будет наклоняться или даже переворачиваться. Подобно тому, как человеческое тело использует сложную сеть органов чувств и нервов, чтобы балансировать при ходьбе, мультироторные дроны используют впечатляющий набор датчиков и механизмов обратной связи, чтобы оставаться в воздухе .

<рисунок>

Полиция и правоохранительные органы используют дроны для осмотра места дорожно-транспортного происшествия, поиска пропавших без вести, определения местонахождения подозреваемых, проведения спасательных операций, выявления незаконных действий или операций, связанных с общественной безопасностью или неудобных для населения, обеспечения безопасности особо важных зон и осмотра места преступления.

Наиболее важными частями «нервной системы» дрона являются его датчики наклона. . Сочетая в себе гироскопические датчики и акселерометры, датчики наклона связаны петлями обратной связи с двигателями дрона.

Дрон в полете постоянно вносит крошечные коррективы в тягу двигателя, чтобы оставаться на одном уровне, что позволяет ему восстанавливаться после воздушных потоков и экстремальных маневров. Некоторые продвинутые дроны также может независимо наклонять каждый ротор , позволяя дрону контролировать как направление, так и силу тяги, которую он получает от каждого ротора.

Дроны также могут использовать множество других датчиков. следить за своими внутренними системами и окружающим миром. Датчики тока и напряжения помогите дрону отследить энергию, получаемую из его запасов мощности , помогая пилоту понять, когда пора приземлиться и перезарядиться.

GPS и магнитные датчики помочь в навигации, измеряя местоположение и ориентацию дрона. Датчики воздушного потока позволяют дронам определять их скорость полета или потоки ветра, и эта информация может быть возвращена в его схемы балансировки, чтобы сделать полет дрона еще более стабильным.

Микроконтроллеры и камеры:более умные дроны

Те же достижения в технологии микрочипов которые создали современный смартфон, позволяют дронам быть летающими компьютерами . Многие из тех же чипов, которые можно найти в смартфонах (Intel, Nvidia, Qualcomm, Arm и т. д.) также появляются в дронах.

По мере того, как дроны становятся умнее, они становятся способными выполнять более сложные задачи с меньшим контролем со стороны человека. . В настоящее время это означает, что дроны могут следовать по заданным траекториям без пилота-человека или записывать измерения с еще большего количества датчиков. Но исследователи учатся программировать дроны выполнять все более сложные задачи без помощи человека.

Для большинства людей основная цель дронов — доставить камеру на высоту, которую человек иначе не смог бы достичь. . Даже простые дроны потребительского уровня оснащены камерой, которая либо транслирует видео на смартфон, либо записывает изображения в память.

Киностудии используют высококачественные дроны. снимать свои высокобюджетные фильмы. Однако достижения в области «компьютерного зрения» превращают камеры в нечто большее, чем просто полезную нагрузку или помощь пилотам-людям. Дроны будущего будут использовать камеры, чтобы видеть окружающий мир. и использовать эту информацию для пилотирования.

Дроны становятся все более способными летать без помощи пилота-человека или даже GPS для навигации , и в результате появилась новая мощная возможность:совместная работа дронов. Раньше рои дронов состояли из групп дронов, использующих GPS и обменивающихся данными с центральным контроллером, чтобы определить, какое место каждый из них занимает в группе.

Однако в результате передовых исследований были созданы дроны, которые используют собственные бортовые датчики и даже камеры, распознавая других дронов и летая в строю. . Вскоре команды автономных дронов, выполняющих функции спасателей, могут стать обычным явлением. , уход за посевами или летать в поисковых отрядах, чтобы помогать в ликвидации последствий стихийных бедствий .

Технологии с глобальным влиянием

Кажется, сейчас дроны повсюду. Они снимают фильмы, снимаются в кино, помогают продавать недвижимость, транслируют спортивные состязания, создают новые виды спорта, работают на фермах и фабриках, охотятся за другими дронами, а вскоре могут доставлять посылки . По мере совершенствования материалов, искусственного интеллекта и микроконтроллеров дроны будут продолжать революционизировать широкий спектр отраслей. .

Будущее дронов

Дроны становятся все более популярными с каждым днем ​​и революционизируют то, как мир работает и играет. Материалы, используемые в дронах выбраны для повышения производительности благодаря высокопрочной раме и большой емкости аккумулятора при минимальном весе.

Снижение веса дронов повышает их производительность , будь то создание кинотеатрального дрона, способного выполнять более длительные съемки, или создание гоночного дрона еще более маневренным. Дроны тоже постоянно становятся умнее и, возможно, вскоре автономные дроны станут неотъемлемой частью повседневной жизни.