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www.hg0088.com:无人机:复合无人机飞速发展,首先在国防应用中

www.hg0088.com  一个重大变化是术语。无人机现在是无人机,无人机技术同时几乎完全局限于军事任务,无视限制定义,并在最先进的工业,商业和消费应用领域得到应用。不再局限于人类在地面上的控制,无人机也正在塑造自主技术的命运 - 它将是什么以及如何使用它。
 
 在雷达上:无人机通信,自动化
复合材料在无人机中使用的巨大承诺之一是作为持久的,持续时间长的系统的推动者,提供广域Wifi互联网接入。理想情况下,这种无人机将采用太阳能供电,能够为多平方英里的陆地区域提供服务,并且可以连续数周不间断地上网。至少有两个计划采用这种技术,如果混合,迄今为止的结果是有希望的。
 
一个是社交媒体巨头Facebook(Menlo Park,CA,US)的工作,另一个是麻省理工学院(MIT,Cambridge,MA,US)的产品。每个都制造和飞行原型,旨在通过全新设计实现前所未有的无人机飞行持续时间,必要时希望最大限度地发挥先进复合材料的优势。
 
自2014年开始,Facebook的Aquila(图1)是一款全碳纤维复合材料,太阳能四螺旋桨无人机测试飞行两次。 2016年,在305米以下的96分钟高空飞行,在过去的一年里,它飞行了大约106分钟,达到了914.4米的高度。 Aquila旨在用于大事:Aquila的目标客户群是全球数十亿人没有可靠的在线访问。鉴于巨大的地理范围,无人机必须能够进行非常长时间的不间断飞行,而这反过来又会对Aquila的飞行性能和设计参数产生深远的影响。 Facebook必须建造和发射无人驾驶飞机,能够持续飞行数月和非常高的高度--60,000-90,000英尺(18,290-27,430米)。在这个高度,无人机可以提供超过60平方英里的WiFi覆盖范围。当技术完善后,Facebook首席执行官马克扎克伯格表示他打算建造一支无人机舰队。
 
虽然这对复合材料行业来说可能是个好消息,但Facebook已经发布了关于Aquila或用于构建它的碳纤维材料和层压板的具体工程细节。 CW已经了解到,经过飞行测试的版本具有“比波音737更宽的翼展”,这使其处于110英尺(±34米)的范围内。 Aquila还承受了传统起落架的额外重量和阻力,还配备了一个Kevlar“着陆垫”,粘合在电机吊舱的底部,其中一个原因是重量只有1000磅(454千克),大约只有一半。质量由电池占。然而,扎克伯格已经明确表示无人机需要制造得更轻。


在逆风行驶时,无人驾驶飞机的设计飞行速度仅为10-15英里/小时,这使其在目标区域内居中,以便接收信号。通信系统将使用激光传输数据,这比陆基光纤快约10倍。在无人机的第二个,最近飞行的版本中,应用于机翼的未指定涂层材料创造了“更光滑的表面”,并且与第一架无人机的爬升率相比,其爬升率加倍至54.9m / min。也就是说,只有使用太阳能才能实现Aquila雄心勃勃的飞行持续时间目标还有待观察。根据Aquila Facebook网站上的帖子,该项目下一阶段的主要挑战是太阳能电池板效率,电池存储以及实现可接受的运营成本范例。 Facebook表示,它打算扩大测试计划,以包括具有不同“外形尺寸,尺寸和重量”的无人机,并在下一轮测试飞行中飞向更高的高度。
 
与此同时,麻省理工学院的一个工程师团队设计,制造并测试了一个翼展为24英尺(7.32米)的无人机,完全由碳纤维增强复合材料和Kevlar制成(图2),无人机开发项目的目标,被称为丛林鹰猫头鹰由美国空军(网关分支,AFLCMC / HNAG,汉斯科姆空军基地,贝德福德,马萨诸塞州,美国)资助,比Facebook的Aquila稍微适度。我们的目标是建造一架能够在高低地理纬度上高空停留五天或更长时间的无人机,在所有季节,海拔约为4572米。这种无人机的设计目的是作为通信枢纽,在大规模电力或服务中断的情况下,在大面积上提供临时的互联网/电话连接。
 
无人机的设计以滑翔机为模型,具有通常很薄的空气动力学轮廓。第一个全尺寸版本,在过去的一年中测试飞行,最大高度为122米,机翼厚度为42.4毫米,锥度为20.8毫米,总空载重量仅为12.7千克。经过对飞机及其汽车屋顶发射系统的微调后,计划在今年夏天进行高空飞行试验,无人机载有通信设备和燃料的全部有效载荷,重达45.4千克。
 
麻省理工学院航空航天学教授,麻省理工学院林肯实验室(美国马萨诸塞州列克星敦)与美国麻省理工学院林肯实验室(美国马萨诸塞州列克星敦)合作,负责监督学生研究的工作人员约翰汉斯曼报告说,机翼包括一个两个模制的核心夹层。步骤过程。为了获得必要的空气动力学精度,机翼的上表面皮肤通过真空灌注单独模制,从单层碳纤维织物的一层取向90°到翼展的长度。为了制作底部翼皮,不同厚度的翼梁帽由单向织物模制并放置在模具中。然后将聚苯乙烯泡沫塑料放置在翼梁帽周围和之间,并将底部皮肤真空袋装在结构上。然后将顶部皮肤安装在底部并用12K丝束包裹。所有织物都注入West Systems 105,一种由Gougeon Bros.Inc。(Bay City,MI,US)提供的低粘度环氧树脂。所有模具均由RenShape 440聚氨酯泡沫塑料CNC加工而成,由Freeman Manufacturing&Supply Co.(Avon,OH,US)提供。

为了制造装有汽油发动机的机身(参见Side Story“无人机:麻省理工学院软件对太阳能无人机产生怀疑”)和油箱,该团队使用了一个简单的圆柱形混凝土模具,应用了两层单向织物,一个在90°和一个45°处,到管的内径,然后使用环形真空袋,通过管周围和周围,真空注入织物,层压板的外层靠在内壁上管。为了制造包含通信电子设备的前锥,外部圆锥形模具由泡沫加工成两半。将单层0°Kevlar织物铺在半模(已经粘合在一起)上并真空灌注。
 
 
 
无人机 - 工业界的新角色
无人机正在工业领域产生影响,在空中飞行,工人和包括机器人在内的传统机械更加困难和昂贵。
 
具有潜在巨大未来的一个应用是老化风力叶片的安全检查。配备军用监视摄像机的无人机是该技术的最早使用之一。如今,无人驾驶飞机配备了专用摄像机,并通过极其复杂的软件自主操作,可以在短短15分钟内检查巨型风力涡轮机的转子叶片(人类检查可能需要一整天),并提供损坏的视觉证据。一个门户网站,供视察员在更舒适的环境中观看屏幕。 CW在其5月刊中讨论了这种不断增长的无人机业务现象(参见“服务与维修:优化风电的电网影响”)。
 
斯图加特大学(德国斯图加特)建筑结构与结构设计研究所和计算设计研究所的一组研究人员展示了一种使用无人机与工业机器人结合制造大跨度复合结构的新颖而巧妙的方法。纤维缠绕工艺。正如所谓的协同绕组需要使用两个固定式工业机器人和一个定制的轻型无人机或无人机“中间”来在机器人之间的间隙空间中制造大跨度结构(图3)。简单来说,制造布局建立了有利的分工,利用了两台机器的优势 - 机器人用于精确地将树脂浸渍的粗纱放置在绕线架上,而无人机将光纤从线轴移动到每个机器人臂的伸展范围,从而避免了机器人末端执行器的到达范围对部件尺寸的限制。到目前为止,制造超出机器人范围的大型零件的主要替代方案是通过模块化来制造零件,这种工艺不太理想,特别是如果制造的结构是承重的。
 
该项目是该大学八位研究人员的工作,并在2017年11月出版的Acadia杂志“多机制造”一文中进行了总结,该杂志是室内建筑和空间设计杂志。工作单元包括两个6轴KUKA(奥格斯堡,德国)KR 210 R3100 Ultra机器人,配备钢制扩展,液压夹具,用于从无人机抓住绕线效应器,以及用于使机器人的位置与无人机同步的红外摄像机。基于在挤出和轧制应用中使用的张力装置的定制张力机构在从纤维源传递到UAV或机器人时提供对纤维张力的控制。
 
项目研究人员之一James Solly表示,定制无人机的最终设计源自四个早期的原型,在设计过程中,该团队能够优化无人机的重量并稳定其飞行行为。无人机车身的零件是用标准碳板加工而成的,而飞机的手臂是用20毫米碳管制成的。其他较小的部件,例如连接器和垫片,由聚乳酸(PLA)3D打印。无人机尺寸约为92乘92乘31厘米,车辆可承载约2千克的有效载荷。

为了缠绕单个锚定点,机器人臂围绕绕组框架行进,浸渍的纤维升高到层压板上方。在到达锚点时,机器人将光纤缠绕在其周围,然后将绕线效应器返回到无人机等待的着陆平台。在确认更换后,张力机构切换到低张力,无人机将未拼成的光纤带到下一个机器人平台。研究人员使用机器人 - 无人机电池制造了一个12米长的演示悬臂,作为传统自动光纤绕组设置无法生产的部件形状和尺寸的一个例子(图4)。该部件包括由Lange + Ritter GmbH(Gerlingen,德国)捐赠的单端连续玻璃粗纱SE1500-2400tex和由SGL Technologies GmbH(德国威斯巴登)捐赠的SIGRAFIL连续碳纤维丝束CT50-4.0 / 240-E100。纤维用EPIKOTE MGS LR 135环氧树脂预浸渍,该树脂用EPIKURE MGS LH 138固化剂配制,由Hexion(Columbus,OH,US)提供。该部件使用预浸渍纤维和浸渍在纤维浸渍树脂浴中的干纤维制造。 Solly报告说,该项目所展示的工艺最适合生产垂直支撑之间具有长跨度的水平结构,例如舞厅屋顶或人行天桥,其中自重的减少可以预期显着减少所用材料和成本。他报告说,他和他的同事将在即将于7月16日至20日在美国马萨诸塞州波士顿举行的国际壳牌与空间结构协会(IASS 2018)会议上发表论文,详细阐述该过程及其应用。
 
在另一个与工业相关的项目中,麻省理工学院媒体实验室的一个研究小组正在研究使用无人机通过射频ID(RFID)标签定位和识别仓库库存。一段时间以来,人们已经认识到,由于现代仓库和运输业务规模的扩大而需要改进库存会计实践。手动扫描费力,昂贵且容易出错。例如,沃尔玛报告称,由于库存记录与实际库存不匹配,2013年收入损失超过30亿美元。
 
麻省理工学院的团队已经成功开发出一种原型,可以使小型轻型无人机具有灵活的塑料转子 - 这是唯一被批准在人类附近使用的类型 - 从几十米外读取RFID标签,同时识别标签的位置,平均误差大约19厘米。
 
用于该研究的Bebop-2无人机由Parrot Corp.(Paris,France)制造。该无人机专为在摄影等应用中展现低振动而设计,机身由玻璃填充Grilamid TR尼龙制成,由EMS-CHEMIE AG(瑞士Domat / Ems)提供。每只无人机重约500克,可自主飞行约25分钟。虽然它们被批准在人们周围使用,但无人机太小,无法携带超过几厘米范围的RFID阅读器。相反 - 这是关键的研究突破 - 无人机用于将标准RFID阅读器发出的信号传递到RFID标签。当信号到达标签时,标签然后在信号上编码其标识符,然后将其发送回无人机。无人机将信号转发给阅读器,阅读器对标识符进行解码,从而对项目的项目和位置进行解码。该团队目前正致力于提高长距离定位机构的精度,以及提高过程速度和可扩展性的方法。


创新刺激了新的无人机应用
材料供应商,合同3D打印制造商和印刷设备供应商报告无人机制造商的业务增长,并正在开发新产品和服务该业务的能力。
 
Clearwater Composites LLC(美国明尼苏达州德卢斯)生产一系列碳纤维管材和板材,供应给工业设备,机器人,航空航天,体育用品和无人机制造商。各种形状的管主要通过在心轴上滚动包裹单向碳纤维环氧预浸料制成,在250℃下固化。这些管由标准,高和超高模量等级制成,后者由沥青纤维制成。该公司生产各种厚度的板材,厚度可达1.2米×2.4米,采用类似材料通过压缩成型或真空灌注。总裁Jeff Engbrecht表示,其无人机客户通常是北美公司,为高端工业和航空航天应用设计和制造无人机。
 
他报告说,克利尔沃特正在为其客户之一 - 无人机/无人机设计师和制造商 - 提供定制锥形,薄壁(0.03英寸/0.76毫米)管,由东丽工业公司(日本东京)制造。高模量M46J碳纤维。对于未指定的新应用,该管在一端是圆形的,然后在另一端逐渐变细为椭圆形。
 
Stratus Aeronautics(加拿大不列颠哥伦比亚省伯纳比)生产的无人机主要用于在科学研究,采矿,军事和其他应用中进行磁性和航空测量。这些测量无人机设计和制造为固定翼和多旋翼配置,与飞行员相比具有显着的成本优势。
 
该公司的固定翼Venturer无人机(图5)是一种小型轻型飞机,由100cc二冲程燃气发动机提供动力,能够进行长时间(> 10小时)任务 - 不可能驾驶工艺。
 
这架飞机采用碳纤维预浸料制成的机身,机翼包括带有泡沫芯的半硬壳式车身,以及不带芯的单体式机身。
 
该公司首席技术官柯蒂斯•马伦(Curtis Mullen)表示,新型电动多旋翼无人机的设计和测试已基本完成。长度为3米,重约15千克,除电子产品外,完全由碳纤维复合材料制成。 “底盘是一种自动对齐,单壳体结构,由CNC路由碳板制成,”Mullen报道。根据局部载荷,不同纤维取向和模量的管状碳包括结构的其余部分。在CW 7月的新闻发布时间,该公司计划在6月/ 7月的时间框架内完成施工和飞行测试,并在2018年晚些时候将Venturer引入市场。
 
 
 
无人机与3D打印相吻合
鉴于无人机技术的快速发展,毫无疑问,无人机制造商为复合材料的增材制造提供了动力。无人机设计人员不仅使用大幅面3D打印机进行最初构想的快速原型制作,而且随着这些流程的发展,也提供工具和成品零件,以满足无人机原始设备制造商所需的快速周转时间。
 
Impossible Objects(伊利诺伊州诺斯布鲁克)最近与Aurora Flight Sciences(马纳萨斯,弗吉尼亚州)合作,用高密度聚乙烯(HDPE)3D打印一个76×38毫米的后稳定器支架,用25.4毫米的斩波加固碳纤维,采用基于复合材料的增材制造(CBAM)技术。该零件安装在当时正在开发的新飞机上,取代了由未加固的尼龙制成的零件。尽管增材制造技术经常被用于制造原型或测试零件,但Impossible Objects的首席执行官拉里卡普兰表示,该公司目前正致力于为无人机部件提供几种商业化,大批量应用。这些应用的详细信息尚不详细,但Kaplan报告说它们将涉及该公司开发的新型耐高温碳纤维/尼龙和碳纤维/ PEEK材料。 “我们是唯一一家采用增强PEEK材料的复合材料添加剂制造商,”Kaplan声称,并指出耐高温材料对零件和模具的需求越来越大。

打印机供应商Stratasys Inc.(美国明尼苏达州Eden Prairie)正在与材料供应商和航空航天/无人机制造商合作,共同开发和商业化3D打印模具技术,用于复合材料零件的成型。 Stratasys复合材料解决方案高级总监Timothy Schniepp表示,该公司的熔融沉积成型(FDM)机器可以在两到三天或更短的时间内生产大多数工具,这意味着客户可以在不到一周的时间内成型零件。该公司的高温材料Ultem 1010是由SABIC(Pittsfield,MA,US)制造的聚醚酰亚胺(PEI),是一种通用的,未填充的材料,适用于制造所有叠层工具,包括高温灭菌的工具到300°F。
 
Swift Engineering Inc.(美国加利福尼亚州圣克莱门特)使用FDM和Ultem 1010制造用于无人机碳纤维增强环氧树脂螺旋桨叶片的压缩模具的匹配半模。 356×102×51mm的工具需要30小时的构建时间,并且手工研磨并用双组分环氧树脂密封,产生约0.4μm的表面光洁度Ra(粗糙度平均值)。
 
Rock West Composites(美国犹他州西约旦)与Stratasys合作,通过模塑测试部件来验证一些工具设计。公司业务发展总监Adrian Corbett指出,无人机行业正在将更多3D打印部件纳入其产品中,与使用环氧树脂或其他工具材料的加工工具相比,3D打印工具具有明显的优势。 “这使你可以像打印工具一样快速地制作零件,”他说。
 
简而言之,一个新的无人机多产时代已经出现并且就在这里。幸运的是,对于复合材料行业的许多人来说,在这种情况下,改变是好的。