無人機減重的最佳解決方案—碳纖維復合材料

魔裝學院 2019-12-11

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某研究機構近期發布的《2015年度民用無人機市場研究報告》數據顯示，2014年全球民用無人機銷量為37.8萬架，其中專業級無人機銷量占33%，消費級無人機銷量占67%。預計2015年全球民用無人機將同比保持50%的增長態勢。到2020年，全球無人機年銷量有望達到433萬架，市場規模將達到259億美元。一時間，競爭者蜂擁而至。

（圖示：碳纖維無人機）

和估值同樣兇猛的“APP”們不同，無人機的生產和銷售在消費者眼里還算新鮮事物，而且涉及到復雜的制造領域，門檻更高。“粗看，每家產品好像都差不多，但一臺無人機的定位和總體體驗由無數細節組成，而差別就在這些細節上。另外，對那些相對成熟的無人機制造企業而言，每家的技術和設計方案其實無所謂好壞，關鍵在于從企業要做個什么產品出發，所做的取舍和平衡。”挪恩復材的陳工介紹說。

消費無人機制造過程里要考慮的第一個平衡點：續航與安全。

在理論上，一款無人機一定是在足夠輕的情況下兼顧結實，因為機身太重一定會影響續航時間。而一款無人機的重量構成通常分為三個部分：電池、電機、機身。以某款航拍無人機為例，其整體重量為1266克，電池(5400毫安鋰聚合物電池)和電機重量占據一半以上。電池技術突破是目前整個IT制造業面對的難題，事實上即便該無人機把整機做到1公斤，其飛行時間也只在15-23分鐘。因此，在電池、電機、云臺重量幾乎沒有下降空間的前提下，從減重角度，機身基本成了企業唯一可以發揮的地方。

不過挪恩復材的李工也介紹道，當上升到商用領域，除了考慮續航外，還必須考慮載重量，因為只有載重量上去了，才能有效率地實現各種功能。

在機身重量做“減法”包括兩個途徑：

首先是材料選擇。國內消費級無人機通用的材料多為一種高強度復合型的工程塑料，兼顧韌性和強度。而業界公認制造無人機非常理想的材料是碳纖維的復合材料。

碳纖維復合材料結構構型設計靈活多變，三明治夾芯結構也是一種重要的結構減重方法。三明治夾芯結構就是在相對較厚的芯材兩側貼附薄卻有足夠剛度的面板，這種結構在承受彎曲載荷時，上下面板之間存在一定的距離，結構上反而能獲得更大比例的剛性。以碳纖維增強復合材料作為蒙皮，芯材可選用XPS、EPP、PMI等具有一定硬度和抗壓能力的輕質泡沫塑料，使之形成碳纖維-芯材-碳纖維的復合夾芯結構。這種三明治夾芯結構在保持力學性能的同時還能顯著減輕重量，尤為重要的是還可以在一定程度上降低成本。這種方法多用于較為大型的無人機機體部件，在碳纖維醫療床板中也較為常見，在小型無人機中也是一種可以考慮的方案。

此外，工藝和設計上的改進也能幫助機身降低重量。

碳纖維復合材料的成型工藝包括：編織纏繞、真空輔助成型、RTM、真空熱壓罐、模壓等等。無人機需要高度翼身融合的飛翼式總體啟動外形，所以在氣動外形上要盡量做到精準。因此，蘇州挪恩復材建議，使用碳纖維復合材料制作無人機機體時，盡可能地采用大面積的一體化成型工藝。因為一體化整體成型還可以避免因分片制備部件、拼接組裝等帶來的連接問題和連接贅重，從而實現結構減重。