Композитные БПЛА революционизируют дрон-технологии

Перемены, а лучше — быстрые перемены. Это лучше всего характеризует текущее состояние проектирования и производства беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Одно большое изменение — терминология. БПЛА теперь — «дроны», и дрон-технологии, когда-то почти исключительно военные, выходят за рамки определений и находят применение в передовой промышленности, коммерции и потребительском секторе. Больше не ограниченные управлением с земли, дроны формируют судьбу автономных технологий — что они будут и как их использовать.

На радаре: Дроны для связи, автоматизации

Одно из больших обещаний композитов в дронах — энаблер для длительных систем, обеспечивающих широкополосный Wi-Fi-интернет. Идеально — солнечные дроны, способные неделями обслуживать сотни квадратных километров. Есть минимум две программы, результаты перспективны, но смешанны.

Одна — Facebook (Менло-Парк, Калифорния, США), другая — MIT (Кембридж, Массачусетс, США). Обе построили и полетели прототипы, целятся в беспрецедентную длительность полета с радикально новыми дизайнами, максимизирующими преимущества передовых композитов.

Facebook Aquila

Разработка с 2014 г. Aquila (рис. 1) — полностью углеродный, солнечный, четырехвинтовой дрон. Тестовые полеты: 2016 г. — 96 мин ниже 305 м; 2017 г. — 106 мин, высота 914 м. Цель — несколько миллиардов людей без надежного интернета. Необходимы месяцы непрерывного полета на высоте 18 290–27 430 м (60–90 тыс. футов). На этой высоте один дрон покрывает ~160 км² Wi-Fi. Марк Цукерберг намерен построить флот.

Деталей инженерии мало. Известно: размах крыла шире Boeing 737 (~34 м). Без шасси — кевларовый «подушечный» лендинг на моторных гнездах, масса ~454 кг, половина — батареи. Цукерберг: нужно легче. Противо ветра дрон летит 16–24 км/ч, удерживаясь над зоной. Лазерная передача данных — в 10 раз быстрее оптоволокна. На втором прототипе покрытие крыльев удвоило скорость набора до 54,9 м/мин. Вызовы: эффективность солнечных панелей, емкость батарей, стоимость эксплуатации. Планируется расширение тестов: разные форм-факторы, размеры, веса, большие высоты.

MIT Jungle Hawk Owl

Команда MIT построила БПЛА размахом 7,32 м (24 фута) полностью из композитов с углеродным волокном и кевларом (рис. 2). Проект Jungle Hawk Owl (финансирование US Air Force) — цель: 5+ дней полета в любых широтах и сезонах на высоте ~4572 м. Роль — коммуникационный хаб при крупномасштабных сбоях электроснабжения/связи.

Дизайн — планер с тонким профилем. Первый полноразмерный прототип (тест на 122 м): толщина крыла 42,4 мм к 20,8 мм, масса 12,7 кг. После доработки самолет и автозапуска с крыши авто — высокогорные тесты с полной нагрузкой (оборудование + топливо до 45,4 кг).

Профессор Джон Хансман (MIT, Lincoln Lab): крыло — сэндвич двухэтапной вакуумной инфузии. Верхняя кожа — 1 плах уднонаправленной ткани 90° к размаху. Нижняя: совики разной толщины, вокруг — пенопласт, нижняя кожа вакуум-мешком. Верх накладывается, обмотка 12K твом. Все ткани инфьюзированы эпоксидной смолой West Systems 105 (Gougeon Bros.). Формы — CNC из пены RenShape 440 (Freeman Manufacturing).

Фюзеляж (бензиновый двигатель и бак) — цилиндрическая бетонная форма, 2 плаха уднонаправленной ткани (90° и 45°), тороидальный вакуум-мешок. Носовая часть (электроника связи) — коническая пена в две половинки, 1 плах кевлара 0°, вакуумная инфузия.

Дроны — новые игроки в промышленности

Дроны влияют на промышленность, летя туда, где трудно и дорого людям и роботам.

Пример: инспекция стареющих лопастей ветряков. Ранние военные дроны с камерами. Сегодня дроны со спецкамерами и автономным ПО инспектируют гигантские лопасти за 15 мин (человек — целый день), передают фото повреждений на веб-портал. CW охватывала это в мае («Service & repair: Optimizing wind power's grid impact»).

Коллаборативное намотание: дроны + роботы

Университет Штутгарта (Институт несущих конструкций и Институт вычислительного проектирования) продемонстрировал метод использования дронов с промышленными роботами для изготовления дальнеспанных композитных конструкций волоконной намоткой. «Коллаборативная намотка» — два стационарных 6-осевых робота KUKA KR 210 R3100 Ultra и кастомный легкий дрон-посредник. Роботы точно кладут смолосодержащий ровинг на рамку, дрон перемещает волокно от катушек к роботам, преодолевая ограничение досягаемости робота. До этого большие детали делали модульно — неидеально для несущих конструкций.

Проект 8 исследователей, статья «Multi-Machine Fabrication» в Acadia (ноябрь 2017). Рабочая ячейка: роботы со стальными удлинениями, гидравлический гриппер для захвата намотного эффектора с дрона, ИК-камера для синхронизации, механизм натяжения на базе экструзионных устройств. Дрон: тело из карбоновой пластины, лучи из 20-мм карбоновой трубки, мелкие детали — 3D-печать PLA. Габариты ~92×92×31 см, полезная нагрузка ~2 кг.

Процесс: робот обходит рамку с поднятым волокном, намотает на якорную точку, возвращает эффектор на платформу дрона. После обмена натяжение снижается, дрон переносит разматываемое волокно к другому роботу. Изготовлен 12-метровый консольный демонстратор (рис. 4) — форма и размер, невозможные при традиционной автоматной намотке. Материалы: стекловолокно SE1500-2400tex (Lange+Ritter) и углеродное тв SIGRAFIL (SGL Technologies). Предпрег и сухие волокна с промачиванием в ванне. Смола EPIKOTE MGS LR 135 + отвердитель EPIKURE MGS LH 138 (Hexion). Джеймс Солли: процесс идеален для горизонтальных дальнеспанных конструкций (крыши залов, пешеходные мосты) — снижение собственного веса дает экономию материалов и стоимости. Доклад на IASS 2018 в Бостоне.

Инвентаризация складов RFID-дронами

MIT Media Lab: дроны для поиска и идентификации складских запасов по RFID-меткам. Проблема: ручное сканирование трудоемко, дорого, ошибочно. Walmart 2013 г. потери >$3 млрд из-за расхождений учета.

Прототип: легкие дроны с гибкими пластиковыми пропеллерами (единственные разрешенные рядом с людьми) считывают RFID с десятков метров, локализация со средней ошибкой ~19 см. Дроны Parrot Bebop-2 (Париж, Франция) — фюзеляж из стеклонаполненного Grilamid TR nylon (EMS-CHEMIE), 500 г, 25 мин автономного полета. Слишком малы для RFID-ридера с дальностью >см. Прорыв: дроны ретранслируют сигнал стандартного ридера к метке, метка кодирует ID на сигнале, отправляет обратно дрону, дрон — ридеру, ридер декодирует. Работа над точностью на дальние дистанции, скоростью и масштабируемостью.

Инновации стимулируют новые применения дронов

Поставщики материалов, 3D-печати, оборудования растут на дрон-производителях, разрабатывают новые продукты.

Clearwater Composites LLC (Далт, штат Миннесота, США) — трубы и пластины из углеродного волокна для промышленности, робототехники, авиации, спорта, БПЛА. Трубы (разные формы) — рулонная укладка уднонаправленного препрега на ман드рель, отверждение 250 °C. Стандартный, высокий, ультравысокий модуль (пичевые волокна). Пластины до 1,2×2,4 м — компрессионное формование или вакуумная инфузия. Президент Джефф Энгбрехт: клиенты БПЛА — североамериканские компании для верхнего конца пром/аэро применений.

Пример: кастомная коническая тонкостенная труба (0,76 мм) из высокомодульного M46J Toray — круглое сечение переходит в овальное.

Stratus Aeronautics (Бурнаби, Колумбия Британская, Канада) — дроны для магнитных/аэрофотосъемок в науке, добыче, военном. Фиксированное крыло и мультиротор. Фиксированное крыло Venturer (рис. 5) — малый, легкий, 100 куб.см двухтактный бензиновый двигатель, >10 ч полета (невозможно для пилотируемого). Аэрама: карбонный препрег, крыло — полумонокок с пенным ядром, фюзеляж — монокок без ядра.

Кёртис Маллен (CTO): дизайн и тесты почти готовы для нового электрического мультиротора. 3 м, ~15 кг, кроме электроники — полностью карбон. «Шасси — самоцентрирующийся монокок из фрезерованной карбоновой пластины. Трубчатый карбон разной ориентации и модуля по нагрузкам». Планировали завершить сборку и полетные тесты июнь/июль 2018, запуск Venturer на рынок позже 2018.

Дроны и 3D-печать

Учитывая быструю эволюцию дронов, неудивительно, что они стимулируют аддитивное производство композитов. Дрон-дизайнеры используют крупноформатные 3D-принтеры не только для быстрого прототипирования, но и для оснастки и готовых деталей для соблюдения коротких сроков OEM.

Impossible Objects (Нортбрук, штат Иллинойс) партнерство с Aurora Flight Sciences (Манассас, штат Вирджиния): 3D-печать заднего стабилизатора 76×38 мм из HDPE с 25,4-мм рубленым углеродным волокном технологии CBAM. Деталь заменила ломающийся нержавеющий нейлон. CEO Ларри Каплан: работа над коммерческими высоковольтными приложениями для дронов, новые высокотемпературные материалы углерод/нейлон и углерод/PEEK. «Мы единственные в аддитиве с армированным PEEK», — высокотемпературные материалы востребованы для деталей и форм.

Stratasys (Эден-Прейри, штат Миннесота) партнерство с поставщиками материалов и аэро/дроновыми фабриками по 3D-печати оснастки для формовки композитов. FDM-станки делают оснастку за 2–3 дня — формовка за неделю. Высокотемпературный Ultem 1010 (PEI от SABIC) — универсальный, ненаполненный, для всей укладки, включая автоклав до 300 °F.

Swift Engineering (Сан-Клементе, Калифорния) использовал FDM и Ultem 1010 для парных половин компрессионной формы лопастей пропеллера БПЛА (углерод/эпоксид). Инструмент 356×102×51 мм — 30 ч печати, ручная абразия и герметизация двухкомпонентным эпоксидом, шероховатость Ra ~0,4 мкм.

Rock West Composites (Вест-Джордан, штат Юта) сотрудничает с Stratasys для валидации форм литьем тестовых деталей. Эдриан Корбетт: дрон-индустрия все больше использует 3D-печатанные детали, 3D-инструменты дают явное преимущество перед механической обработкой эпоксидной оснастки. «Можете сделать деталь так же быстро, как напечатать инструмент».

Коротко: новая эра пролиферации дронов здесь. К счастью для многих в композитной индустрии, эти перемены — к лучшему.