Материалы современных дронов: от углеродного волокна к литий-ионным батареям

Основные материалы, используемые в дронах:

• Углеродно-волокнистые композиты (CRFC)
• Термопластики: полиэстер, нейлон, полистирол и др.
• Алюминий
• Литий-ионные батареи

Кажется, вчера дроны были новинками, прототипами, созданными компаниями и энтузиастами. Теперь кажется, дроны захватили мир. Они везде, играют роли в промышленности, искусстве и даже как детские игрушки. Люди часто упускают тот факт, что эти маленькие летающие машины стали обыденными совсем недавно. Дроны все еще в зачаточном состоянии, и по мере улучшения материалов и микроконтроллеров дроны будущего будут эволюционировать способами, которые могут показаться почти научной фантастикой.

Изучая то, как дроны проектируются и из каких материалов сделаны, мы можем понять, как развивалась эта важная технология и почувствовать, как она может продвинуться в ближайшем будущем.

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) быстро заменяют традиционные методы наземного наблюдения. Они растут в популярности так быстро, что некоторые даже отказались от классического выражения «взгляд с высоты птичьего полета» в пользу «взгляд дрона».

Итак, что такое дроны? Как они спроектированы? И что движет их скачком к становлению повсеместной 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 за счет направления тяги вниз от двух и более моторных пропеллеров.

Самые популярные потребительские модели — квадрокоптеры (4 ротора), но коммерческие варианты включают гексакоптеры (6 роторов) и октокаптеры (8 роторов) для большей подъемной силы. Хотя существует множество военных и гражданских дронов, мы сосредоточимся на обычных мультироторных дронах и материалах, из которых они сделаны.

Чтобы летать, дроны должны генерировать достаточно подъемной тяги, чтобы преодолеть собственный вес, поэтому выбор материалов для дрона доминирует минимизацией массы дрона.

Каждый грамм материала, использованного для изготовления дрона, стоит энергии для подъема, и каждый сэкономленный грамм улучшает характеристики:

• Увеличенная грузоподъемность
• Увеличенное время полета
• Сниженная инерция и улучшенная маневренность

Этот процесс выбора материалов и проектирования компонентов для минимизации массы называется «облегчение» (lightweighting). Это дает нам самый важный критерий выбора свойств материала: минимизация массы за счет выбора материалов с низкой плотностью.

Разбор по частям

Дроны — сложные устройства, состоящие из различных компонентов, работающих вместе. Каждый компонент выполняет разную функцию, поэтому при выборе материалов для каждой детали вступают разные соображения. Однако для каждой части дрона плотность материала должна учитываться для минимизации веса и максимизации производительности.

Рама: держит всё вместе

Рама дает дрону форму и держит все подсистемы на месте. Поскольку она выполняет механическую функцию, наиболее важным свойством материала для рамы является прочность. Для коммерческих дронов термопластики, такие как варианты нейлона, полиэстера и полистирола, популярны, потому что они недороги в производстве сложных деталей с помощью процессов литья под давлением.

Термопластики также предлагают хорошую прочность и низкую плотность, у нескольких сортов прочность на разрыв превышает 100 МПа, а плотность ниже 2 г/см³. Многие термопластики также доступны в нитях для 3D-печати пользовательских деталей, делая термопластики популярным компонентом экспериментальных дронов.

Хотя коммерческие дроны могут пожертвовать некоторым добавленным весом для доступности, промышленные дроны приоритизируют производительность. Материал, высокий по прочности, может использоваться в меньших количествах, делая дрон еще легче и более высокопроизводительным.

Если мы используем поиск Matmatch для поиска материалов с наименьшей плотностью и наибольшей прочностью, мы найдем лучший выбор для рам высокопроизводительных дронов: углеродно-волокнистые композиты. Эти композиты предлагают высокую прочность, низкую плотность и высокую жесткость для легких, жестких рам дронов.

Двигатели и пропеллеры: подъем в воздух

Без источника тяги дрон никогда не поднимется с земли. Двигатели, приводящие дроны в движение, — обычные электродвигатели с медными обмотками и постоянными магнитами. Корпус двигателей можно выбрать для минимизации веса, и либо термопластики, либо алюминиевые сплавы представляют хорошие соотношения прочность/вес.

Однако двигатели могут генерировать значительное тепло. Поэтому материалы с высокой теплопроводностью, как алюминий, могут использоваться для корпуса для помощи в охлаждении двигателя.

Мировой невоенный рынок дронов, доминируемый производителями в Китае, утроится в размере до 14,3 млрд долларов продаж за следующее десятилетие. (Reuters)

Лопасти роторов дронов вращаются с высокой скоростью, поэтому они склонны поглощать больше всего износа при полете (или аварии). Как и материалы рамы, выбор оптимального материала лопастей ротора — вопрос максимизации прочности при минимизации веса.

Некоторые лопасти роторов сделаны из углеродно-волокнистых композитов. Однако лопасти роторов часто повреждаются и заменяются, поэтому многие из них делают из термопластиков для снижения стоимости замены при поломке.

Поскольку лопасти роторов обычно повреждаются при высокоскоростных ударах во время вращения, инженер, стремящийся спроектировать долговечную лопасть, может отфильтровать материалы по ударной вязкости и плотности для выбора подходящего материала.

Батареи: сила для полета

Из всех компонентов дрона, улучшения в технологии батарей могут быть самым важным прорывом, сделавшим возможными современные мультироторные дроны. Так же как соотношение прочность/вес учитывается при проектировании механических компонентов, производительность батареи может измеряться в терминах веса батареи.

Показатели вроде удельной энергии (Дж/кг) и удельной мощности (Вт/кг) описывают способность батареи накапливать и отдавать энергию в терминах её массы.

Старые свинцово-кислотные и Ni-Cd батареи весили слишком много для дрона, который они питали, чтобы лететь долго, если вообще мог отрываться от земли. Однако современные литий-ионные батареи предлагают достаточно энергии и мощности в легком пакете, чтобы сделать возможными сегодняшние мультироторные дроны. Будущие достижения в технологии батарей и конденсаторов позволят еще более легкие, высокопроизводительные дроны.

Датчики: нервная система дрона

Мультироторные дроны заняты тонким балансированием каждый раз, когда они летят. Если один двигатель дает слишком много тяги, дрон наклонится или даже перевернется. Так же как человеческое тело использует сложную сеть чувств и нервов для баланса при ходьбе, мультироторные дроны используют впечатляющий набор датчиков и механизмов обратной связи, чтобы оставаться в воздухе.

Полиция и правоохранительные органы используют дроны для расследований ДТП, поиска пропавших без вести, определения местоположения подозреваемых, спасательных операций, обнаружения незаконной деятельности или операций, связанных с общественной безопасностью или неудобством для населения, защиты чувствительных зон и расследований мест преступлений.

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

Дрон в полете постоянно делает крошечные корректировки тяги двигателей для сохранения горизонта, позволяя ему восстанавливаться после воздушных течений и экстремальных маневров. Некоторые продвинутые дроны также могут независимо наклонять каждый ротор, позволяя дрону контролировать и направление, и силу тяги от каждого ротора.

Дроны также могут использовать разнообразные другие датчики для мониторинга внутренних систем и окружающего мира. Датчики тока и напряжения помогают дрону отслеживать энергию, извлекаемую из его энергозапасов, помогая пилоту знать, когда пора приземлиться и перезарядиться.

GPS и магнитные датчики помогают в навигации, измеряя положение и ориентацию дрона. Датчики воздушного потока позволяют дронам определять свою воздушную скорость или ветровые течения, и эта информация может возвращаться в балансирующие цепи для еще более стабильного полета.

Микроконтроллеры и камеры: умные дроны

Те же достижения в микросхемной технологии, создавшие современный смартфон, делают возможным, чтобы дроны были летающими компьютерами. Многие те же чипы, что можно найти в смартфонах (Intel, Nvidia, Qualcomm, Arm и др.), также появляются в дронах.

По мере того как дроны становятся умнее, они становятся способными брать на себя более сложные задачи с меньшим человеческим контролем. На данный момент это означает, что дроны могут следовать заранее заданным путям без пилота или записывать измерения от еще более крупного массива датчиков. Но исследователи учатся программировать дроны для выполнения всё более сложных задач без человеческой помощи.

Для большинства людей вся цель дронов — доставлять камеру на высоты, недоступные человеку. Даже базовые потребительские дроны несут камеру, которая либо транслирует видео обратно на смартфон, либо записывает изображения в память.

Киностудии используют премиальные дроны для съемки своих блокбастеров. Однако достижения в области «компьютерного зрения» превращают камеры в больше, чем просто полезную нагрузку или помощь пилотам. Дроны будущего будут использовать камеры, чтобы видеть мир вокруг себя и использовать эту информацию для самопилотирования.

Дроны становятся всё более способными летать без помощи ни человеческого пилота, ни даже GPS для навигации, и это рождает мощную новую способность: дроны, работающие вместе. Рой дронов ранее состоял из команд дронов, использующих GPS и общающихся с центральным контроллером для определения места каждого отдельного в группе.

Однако передовая исследовательская работа произвела дроны, которые используют свои бортовой датчики, и даже свои камеры, чтобы распознавать другие дроны и летать в формации. Вскоре может стать обычным видеть команды автономных дронов, действующих как спасатели, ухаживающие за урожаем или летящие в поисковых формациях для помощи при ликвидации последствий катастроф.

Технология с глобальным влиянием

Дроны, кажется, везде. Они снимают фильмы, снимаются в фильмах, помогают продавать недвижимость, транслируют спорт, создают новые виды спорта, работают на фермах и заводах, охотятся на другие дроны, и скоро они могут доставлять посылки. По мере улучшения материалов, ИИ и микроконтроллеров дроны продолжат революционизировать широкий спектр отраслей.

Будущее дронов

Дроны растут в популярности с каждым днем и революционизируют то, как мир работает и играет. Материалы, используемые в дронах, выбираются для улучшения производительности с высокопрочными рамами и высокой емкостью батарей при минимизации веса.

Минимизация веса дронов максимизирует их производительность, будь то вопрос о том, чтобы кино-дрон мог выполнять более длинные съемки, или сделать гоночный дрон еще более маневренным. Дроны постоянно становятся умнее, и не пройдет много времени, прежде чем автономные дроны станут неотъемлемой частью повседневной жизни.