Дроны:составные БПЛА взлетают

Изменения, а еще лучше, быстрые изменения. Это наилучшим образом характеризует современное состояние разработки и производства беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Одно большое изменение - это терминология. БПЛА превратились в дроны , а технологии дронов, когда-то почти исключительно ограниченные военными задачами, не поддаются ограничивающим определениям и находят применение во множестве передовых промышленных, коммерческих и потребительских приложений. Дроны больше не ограничиваются контролем людей на земле, они также определяют судьбу автономных технологий - что они будут делать и как их можно использовать.

В центре внимания:дроны для связи, автоматизация

Одно из самых больших обещаний использования композитных материалов в дронах - это возможность создания устойчивых и долговечных систем, обеспечивающих глобальный доступ в Интернет по Wi-Fi. В идеале такие дроны будут работать на солнечной энергии и могут обслуживать участки земли площадью во много квадратных миль с бесперебойным доступом в Интернет в течение нескольких недель. Есть как минимум две программы, реализующие эту технологию, и пока результаты являются многообещающими, хотя и неоднозначными.

Один - это работа гиганта социальных сетей Facebook (Менло-Парк, Калифорния, США), а другой - продукт Массачусетского технологического института (MIT, Кембридж, Массачусетс, США). Каждая из них построила и использовала прототипы и нацелена на достижение беспрецедентной продолжительности полета БПЛА с помощью принципиально новых конструкций, которые, по необходимости, надеются максимизировать преимущества передовых композитов.

В разработке с 2014 года Aquila от Facebook (Рис. 1), Полностью углеродный композитный четырехвинтовой беспилотный летательный аппарат на солнечной энергии дважды прошел испытания. В 2016 году он находился в воздухе 96 минут на высоте ниже 305 метров, а в прошлом году он пролетел около 106 минут, достигнув высоты 914,4 метра. Aquila предназначен для больших вещей: Aquila’s заявленная целевая клиентская база составляет несколько миллиардов люди по всему миру без надежного онлайн-доступа. Учитывая огромные географические масштабы, дрон должен быть способен к очень длительному непрерывному полету, а это, в свою очередь, имеет серьезные последствия для Aquila’s летно-технические характеристики. Facebook должен построить и запустить беспилотный самолет, способный непрерывно летать в течение месяцев . и на очень больших высотах - 60 000–90 000 футов (18 290–27 430 м). На этой высоте дрон может обеспечить покрытие Wi-Fi на площади около 60 квадратных миль. Когда технология будет доведена до совершенства, генеральный директор Facebook Марк Цукерберг заявил, что намерен создать парк дронов.

Хотя это потенциально хорошая новость для индустрии композитов, Facebook опубликовал мало конкретных технических подробностей о Aquila или материалы из углеродного волокна и ламинат, использованные при его создании . CW стало известно, что у испытанной в ходе летных испытаний версии «размах крыльев шире, чем у Boeing 737», что составляет диапазон 110 футов (± 34 м). Без лишнего веса и сопротивления обычных шасси, Aquila также оснащен кевларовой «посадочной площадкой», прикрепленной к нижней части моторных отсеков, что является одной из причин, по которой он весит всего около 1000 фунтов (454 кг), причем примерно половина этой массы приходится на батареи. Однако Цукерберг дал понять, что дрон нужно сделать еще легче.

При движении против ветра дрон по своей задумке летит со скоростью всего 10-15 миль в час, что обеспечивает его центрирование над целевой областью, предназначенной для приема сигнала. Система связи будет использовать лазеры для передачи данных, что примерно в 10 раз быстрее, чем наземная волоконная оптика. На второй, последней версии дрона, неуказанный материал покрытия, нанесенный на крылья, обеспечил «более гладкую поверхность», что позволило удвоить его скорость набора высоты до 54,9 м / мин по сравнению со скоростью набора высоты первого дрона. Тем не менее, еще неизвестно, будет ли Aquila’s амбициозные цели по продолжительности полета можно достичь, используя только солнечную энергию. Согласно сообщениям в Aquila , основные задачи проекта на следующем этапе Сайт Facebook, посвящен эффективности солнечных панелей, хранению аккумуляторов и достижению приемлемых стоимостных парадигм для эксплуатации. Facebook заявляет, что намерен расширить программу испытаний, включив в нее дроны с различными «форм-факторами, размерами и массой», и взлететь на более высокие высоты в следующем раунде тестовых полетов.

Тем временем группа инженеров Массачусетского технологического института спроектировала, построила и испытала БПЛА с размахом крыла 24 фута (7,32 м), полностью изготовленный из композитов, армированных углеродным волокном и кевларом (рис. 2), Цель проекта разработки БПЛА, получившего название Jungle Hawk Owl и финансируется ВВС США (Gateways Branch, AFLCMC / HNAG, Hanscom Air Force Base, Бедфорд, Массачусетс, США), немного скромнее, чем у Aquila Facebook . Цель состоит в том, чтобы создать дрон, способный оставаться в воздухе в течение пяти или более дней в высоких и низких географических широтах в любое время года на высоте примерно 4572 метра. Такой дрон будет разработан для работы в качестве узла связи, обеспечивая временные Интернет / телефонные соединения на большой территории в случае широкомасштабного отключения электроэнергии или обслуживания.

Конструкция дрона была создана по образцу планера с типично тонким аэродинамическим профилем. Первая полномасштабная версия, испытанная в прошлом году на максимальной высоте 122 метра, имеет толщину крыла 42,4 мм, сужающуюся до 20,8 мм, и общий вес пустого самолета всего 12,7 кг. После завершения незначительных доработок самолета и его автомобильной пусковой системы на крыше Летом этого года запланированы высотные летные испытания, когда беспилотник будет нести полную боевую нагрузку коммуникационного оборудования и топлива и весит до 45,4 кг.

Джон Хансман, профессор аэронавтики и космонавтики в Массачусетском технологическом институте и один из сотрудников, курирующих студенческие исследования, сотрудничество между Массачусетским технологическим институтом и лабораторией Линкольна Массачусетского технологического института (Лексингтон, Массачусетс, США), сообщает, что крылья представляют собой сэндвич с сердечником, отформованный в виде двух частей. пошаговый процесс. Для достижения необходимой аэродинамической точности обшивка верхней поверхности крыла была отформована отдельно с помощью вакуумной инфузии из одного слоя однонаправленной ткани из углеродного волокна, ориентированной под углом 90 ° к длине размаха крыла. Для изготовления обшивки днища крыла из однонаправленной ткани отливали лонжероны различной толщины и помещали в форму. Затем вокруг и между крышками лонжеронов был помещен пенополистирол, и нижняя обшивка была прижата к конструкции с помощью вакуумного мешка. Затем верхняя обшивка была прикреплена к нижней и обернута жгутом 12K. Все ткани были пропитаны West Systems 105, эпоксидной смолой с низкой вязкостью, поставляемой Gougeon Bros. Inc. (Бей-Сити, Мичиган, США). Все формы были обработаны на станке с ЧПУ из пенополиуретана RenShape 440, предоставленного Freeman Manufacturing &Supply Co. (Эйвон, Огайо, США).

Чтобы сделать фюзеляж, в котором находится его бензиновый двигатель (см. Побочный рассказ «Дроны:программное обеспечение MIT ставит под сомнение БПЛА на солнечных батареях») и топливный бак, команда использовала простую цилиндрическую форму для бетона, применив два слоя однонаправленной ткани, один под углом 90 ° и один под 45 ° к внутреннему диаметру трубки, затем использовали тороидальный вакуумный мешок, расположенный через трубку и вокруг нее, для вакуумной инфузии ткани, с внешним слоем ламината, расположенным напротив внутренней стенки трубки. трубка. Для изготовления носовой части, в которой находится коммуникационная электроника, была изготовлена ​​внешняя коническая форма, состоящая из двух половинок из пенопласта. Один слой кевларовой ткани 0 ° был наложен на половинки формы (которые были соединены вместе) и подвергнут вакуумной инфузии.

Дроны - новые игроки в отрасли

Дроны имеют большое значение в промышленной сфере, летают по воздуху, где труднее и дороже перемещаться рабочим и обычным машинам, включая роботов.

Одно из приложений с потенциально огромным будущим - это проверка безопасности стареющих ветряных лопастей. БПЛА, оборудованные камерами для военного наблюдения, были одним из первых применений этой технологии. Сегодня дроны, оснащенные специальными камерами и управляемые автономно с помощью чрезвычайно сложного программного обеспечения, могут проверять лопасти ротора гигантской ветряной турбины всего за 15 минут (осмотр человеком может занять целый день) и передавать визуальные доказательства повреждений. веб-портал для просмотра инспекторами на экране в более комфортной обстановке. CW рассказал об этом растущем бизнес-феномене, основанном на использовании дронов, в своем майском выпуске (см. «Обслуживание и ремонт:Оптимизация воздействия на ветроэнергетику»).

Группа исследователей из Института строительных конструкций и структурного проектирования и Института компьютерного проектирования Штутгартского университета (Штутгарт, Германия) продемонстрировала новый и умный метод использования дронов в сочетании с промышленными роботами для изготовления композитных конструкций с большими пролетами с помощью процесс намотки волокна. Совместная намотка, как ее называют, влечет за собой использование двух стационарных промышленных роботов и изготовленного по индивидуальному заказу легкого беспилотного летательного аппарата или БПЛА «промежуточного звена» для изготовления длиннопролетных структур в промежутке между роботами (рис. 3). Проще говоря, производственная схема устанавливает благоприятное разделение труда, в котором используются сильные стороны обеих машин - роботы используются для точного размещения пропитанной смолой ровницы на раме намотки, в то время как дрон перемещает волокно от катушек к каждой. роботизированных манипуляторов, тем самым обойдя ограничение, накладываемое на размер детали диапазоном досягаемости рабочего органа робота. До сих пор основной альтернативой изготовлению больших деталей, превышающих досягаемость робота, было создание детали путем модульности - процесса, который далек от идеала, особенно если изготовленная конструкция является несущей.

Над проектом работали восемь исследователей из Университета, и он кратко изложен в статье «Multi-Machine Fabrication», опубликованной в выпуске журнала Acadia за ноябрь 2017 г. , журнал внутренней архитектуры и пространственного дизайна. Рабочая ячейка состояла из двух 6-осевых роботов KUKA (Аугсбург, Германия) KR 210 R3100 Ultra, оснащенных стальными удлинителями, гидравлическим захватом для захвата исполнительного механизма намотки с БПЛА и инфракрасной камерой, используемой для синхронизации местоположения робота с БПЛА. . Специальный механизм натяжения, основанный на устройствах натяжения, используемых при экструзии и прокатке, обеспечивает контроль натяжения волокна при его передаче от источника волокна к БПЛА или роботу.

Джеймс Солли, один из исследователей проекта, говорит, что окончательный дизайн созданного по индивидуальному заказу дрона был заимствован из четырех более ранних прототипов в процессе проектирования, который позволил команде оптимизировать вес дрона и стабилизировать его поведение в полете. Детали корпуса дрона были изготовлены из стандартной углеродной пластины, а рычаги - из 20-миллиметровых углеродных труб. Другие, более мелкие детали, такие как соединители и прокладки, были напечатаны на 3D-принтере из полимолочной кислоты (PLA). Размеры дрона составляют примерно 92 на 92 на 31 см, а его полезная нагрузка составляет около 2 кг.

Чтобы намотать одну точку крепления, рука робота перемещается вокруг рамы намотки с пропитанным волокном, приподнятым над ламинатом. Достигнув точки привязки, робот наматывает волокно вокруг нее, а затем возвращает эффектор намотки на посадочную платформу, где его ждет БПЛА. После подтверждения обмена механизм натяжения переключается на низкое натяжение, и дрон переносит разматываемое волокно на следующую роботизированную платформу. Исследователи использовали роботизированную ячейку-дрон для изготовления 12-метрового демонстрационного кантилевера в качестве примера формы и размера деталей, которые не могли быть изготовлены с помощью традиционной автоматической установки для намотки волокна (рис. 4). Деталь включала односторонний непрерывный стеклянный ровинг SE1500-2400tex, подаренный Lange + Ritter GmbH (Герлинген, Германия), и непрерывный жгут углеродного волокна SIGRAFIL, CT50-4.0 / 240-E100, подаренный SGL Technologies GmbH (Висбаден, Германия). Волокна были предварительно пропитаны эпоксидной смолой EPIKOTE MGS LR 135 с отвердителем EPIKURE MGS LH 138, поставляемым Hexion (Колумбус, Огайо, США). Деталь была изготовлена ​​с использованием предварительно пропитанных волокон и сухих волокон, пропитанных в ванне со смолой для окунания волокон. Солли сообщает, что процесс, продемонстрированный в проекте, лучше всего подходит для производства горизонтальных конструкций с длинными пролетами между вертикальными опорами, таких как крыши бальных залов или пешеходные мосты, снижение собственного веса которых может привести к значительному сокращению используемых материалов и затрат. Он сообщает, что он и его коллеги подробно остановятся на процессе и его применении в документе, который будет представлен на предстоящей конференции Международной ассоциации оболочек и пространственных структур (IASS 2018), которая состоится 16-20 июля в Бостоне, Массачусетс, США.

В другом промышленном проекте исследовательская группа из MIT Media Lab изучает возможность использования дронов для обнаружения и идентификации складских запасов с помощью радиочастотных идентификационных меток (RFID). Потребность в улучшении практики учета запасов, вызванная увеличением масштабов современных складских и отгрузочных операций, была признана в течение некоторого времени. Ручное сканирование трудоемко, дорого и подвержено ошибкам. Walmart, например, сообщил в 2013 году о потере более 3 миллиардов долларов дохода из-за несоответствия между данными инвентаризации и фактическими запасами.

Команда Массачусетского технологического института успешно разработала прототип, который позволяет небольшим, легким дронам с гибкими пластиковыми роторами - единственному типу, одобренному для использования в непосредственной близости от людей - считывать RFID-метки с расстояния в несколько десятков метров, идентифицируя их местоположение со средней ошибкой. около 19 см.

Бибоп-2 дроны, использованные для исследования, произведены Parrot Corp. (Париж, Франция). Разработанный специально для обеспечения низкой вибрации для таких приложений, как фотография, дрон имеет фюзеляж, сделанный из стеклонаполненного нейлона Grilamid TR, поставляемого EMS-CHEMIE AG (Domat / Ems, Швейцария). Каждый дрон весит около 500 г и может летать автономно около 25 минут. Хотя они одобрены для использования рядом с людьми, дроны слишком малы, чтобы нести считыватель RFID с дальностью действия более нескольких сантиметров. Вместо этого - это ключевой прорыв в исследованиях - дроны используются для передачи сигналов, излучаемых стандартным считывателем RFID, на метку RFID. Когда сигнал достигает метки, метка затем кодирует свой идентификатор в сигнале, прежде чем отправить его обратно на дрон. Дрон передает сигнал считывателю, который расшифровывает идентификатор, а, следовательно, и местонахождение предмета. В настоящее время команда работает над повышением точности механизма определения местоположения на больших расстояниях, а также над способами повышения скорости и масштабируемости процесса.

Инновации, стимулирующие появление новых приложений для дронов

Поставщики материалов, контрактные производители 3D-печати и поставщики печатного оборудования сообщают о растущем бизнесе производителей дронов и разрабатывают новые продукты и возможности для обслуживания этого бизнеса.

Clearwater Composites LLC (Дулут, Миннесота, США) производит линию трубок и пластин из углеродного волокна, которые она поставляет производителям промышленного оборудования, робототехники, аэрокосмической отрасли, спортивных товаров и БПЛА. Трубки различных форм в основном изготавливаются путем наматывания однонаправленного эпоксидного препрега из углеродного волокна на оправку с отверждением при 250 ° C. Трубки изготавливаются из стандартных, высокомодульных и сверхвысоких классов упругости, причем последние изготавливаются из пековых волокон. Компания производит листы различной толщины в листах размером до 1,2 м на 2,4 м из аналогичных материалов с помощью компрессионного формования или вакуумной инфузии. Президент Джефф Энгбрехт говорит, что его заказчиками БПЛА обычно являются североамериканские компании, которые проектируют и производят БПЛА для высокопроизводительных промышленных и аэрокосмических приложений.

Он сообщает, что Clearwater поставляет одному из своих клиентов, разработчику и производителю беспилотных летательных аппаратов / дронов, тонкостенную (0,03 дюйма / 0,76 мм) трубку индивидуального сечения, изготовленную компанией Toray Industries (Токио, Япония). высокомодульное углеродное волокно M46J. Трубка для нового неуказанного применения имеет округлую форму на одном конце, затем сужается к овальной форме на другом конце.

Stratus Aeronautics (Бернаби, Британская Колумбия, Канада) производит беспилотные летательные аппараты, которые в основном используются для проведения магнитных и аэросъемок в научных исследованиях, горнодобывающей промышленности, военных и других приложениях. Разработанные и построенные как в конфигурации с неподвижным крылом, так и в конфигурации с несколькими роторами, эти беспилотные летательные аппараты обеспечивают значительные преимущества по стоимости по сравнению с пилотируемыми аппаратами.

Самолет компании Venture r БПЛА (рис. 5) - это небольшой и легкий самолет, оснащенный двухтактным газовым двигателем объемом 100 куб. см и способный выполнять длительные (> 10 часов) полеты, что невозможно с пилотируемым аппаратом.

Самолет имеет планер, отформованный из углепластика, крылья, состоящие из полумонокока с сердечниками из пенопласта, и фюзеляж типа монокок без сердечников.

Кертис Маллен, технический директор компании, говорит, что разработка и испытания нового электрического многороторного БПЛА почти завершены. При длине 3 м и весе около 15 кг он, за исключением электроники, полностью построен из композитных материалов из углеродного волокна. «Шасси представляет собой самоустанавливающуюся монококовую конструкцию, сделанную из углепластика, нанесенного на станке с ЧПУ, - сообщает Маллен. Трубчатый углерод с различной ориентацией волокон и модулями в зависимости от местных нагрузок составляет остальную часть конструкции. На CW Июльское время для прессы, компания планировала завершить строительство и летные испытания в период июнь / июль и представить Venturer на рынок позже в 2018 году.

Дроны сочетаются с 3D-печатью

Учитывая быстрое развитие технологии дронов, неудивительно, что производители дронов дали импульс аддитивному производству композитов. Конструкторы дронов используют широкоформатные 3D-принтеры не только для быстрого прототипирования, для которого изначально были задуманы процессы, но и, по мере развития этих процессов, для предоставления инструментов и готовых деталей, чтобы обеспечить быстрое время выполнения работ, требуемое производителями дронов. .

«Невозможные объекты» (Нортбрук, Иллинойс), например, недавно в партнерстве с Aurora Flight Sciences (Манассас, Вирджиния) напечатали на 3D-принтере задний стабилизатор размером 76 на 38 мм из полиэтилена высокой плотности (HDPE), армированного 25,4-миллиметровой резиной. углеродные волокна с использованием технологии аддитивного производства на основе композитов (CBAM). Деталь была установлена ​​на новый самолет, находившийся в разработке в то время, взамен сломавшейся детали из неармированного нейлона. Хотя технология аддитивного производства часто использовалась для изготовления прототипов или тестовых деталей, генеральный директор Impossible Objects Ларри Каплан говорит, что компания в настоящее время работает над обеспечением нескольких коммерческих, массовых приложений для деталей в дронах. Детали приложений пока не могут быть подробно описаны, но Kaplan сообщает, что они будут включать новые, устойчивые к высоким температурам материалы из углеродного волокна / нейлона и углеродного волокна / PEEK, разработанные компанией. «Мы единственный производитель композитных добавок с армированным материалом PEEK», - утверждает Каплан, отмечая, что материалы с высокой термостойкостью становятся все более востребованными для деталей и пресс-форм.

Поставщик принтеров Stratasys Inc. (Иден-Прери, Миннесота, США) сотрудничает с поставщиками материалов и производителями аэрокосмических аппаратов / дронов в непрерывной разработке и коммерциализации своих технологий 3D-печати для формовки композитных деталей. Тимоти Шнипп, старший директор по композитным решениям в Stratasys, говорит, что машины компании для моделирования наплавкой (FDM) могут изготавливать большинство инструментов за два-три дня или меньше, а это означает, что заказчик может отформовать детали менее чем за неделю. Высокотемпературный материал компании Ultem 1010, полиэфиримид (PEI), производимый SABIC (Питтсфилд, Массачусетс, США), представляет собой ненаполненный материал общего назначения, подходящий для изготовления всех инструментов для укладки, включая инструменты, автоклавированные до высоких температур. до 300 ° F.

Swift Engineering Inc. (Сан-Клементе, Калифорния, США) использовала FDM и Ultem 1010 для изготовления согласованных половин пресс-формы для лопастей пропеллера из эпоксидной смолы, армированной углеродным волокном. На инструменты размером 356 на 102 на 51 мм потребовалось 30 часов времени сборки, они были вручную обработаны абразивом и герметизированы двухкомпонентной эпоксидной смолой, что дало шероховатость поверхности Ra (средняя шероховатость) примерно 0,4 мкм.

Rock West Composites (Западный Иордан, Юта, США) сотрудничает со Stratasys для проверки некоторых конструкций инструментов путем формования тестовых деталей. Адриан Корбетт, директор по развитию бизнеса компании, отмечает, что индустрия дронов включает в свою продукцию все больше деталей, напечатанных на 3D-принтере, а инструменты, напечатанные на 3D-принтере, имеют явное преимущество по сравнению с инструментами для обработки из эпоксидной смолы или других инструментальных материалов. «Это позволяет изготавливать деталь настолько быстро, насколько вы можете распечатать инструмент», - говорит он.

Короче говоря, наступила новая эра распространения дронов. К счастью, для многих в индустрии композитов перемены в этом случае - это хорошо.