Applicazione dei materiali compositi nel campo dei droni UAV

A causa delle differenze nei campi di applicazione e negli scopi di utilizzo, esistono differenze significative tra i velivoli senza pilota e i velivoli da trasporto convenzionali in termini di materiali di fabbricazione e strutture della carrozzeria. Nella progettazione di un velivolo da trasporto, la prima considerazione dovrebbe essere il fattore di trasporto umano, e ci sono standard e requisiti corrispondenti per la sicurezza della struttura del velivolo e dei materiali portanti. Tuttavia, i droni non devono considerare i problemi di prestazioni in termini di sicurezza umana e possono essere oggetto di maggiori tentativi e scelte nella progettazione della struttura della carrozzeria e nei materiali di fabbricazione. I materiali compositi offrono prestazioni migliori in termini di rigidità, resistenza, resistenza sismica e alla fatica e coefficiente di dilatazione termica, e sono quindi i materiali preferiti per la produzione di velivoli senza pilota.

(1) Parti applicative di materiali compositi per veicoli aerei senza pilota

1. Componenti strutturali: la struttura principale, le ali, le pinne caudali e altre parti del drone possono essere realizzate in materiali compositi. I materiali compositi sono leggeri, altamente resistenti, hanno una buona resistenza alla fatica e agli urti, garantendo ai velivoli senza pilota una maggiore durata e migliori prestazioni di volo.
2. Vano motore: anche i componenti principali dei veicoli aerei a pilotaggio remoto, come motori, controller, ecc., possono essere protetti utilizzando materiali compositi. I materiali compositi possono fornire buone prestazioni di schermatura elettromagnetica, ridurre efficacemente le interferenze elettromagnetiche e garantire il funzionamento stabile dei sistemi elettrici dei veicoli aerei a pilotaggio remoto.
3. Materiale di dissipazione del calore: i droni generano una grande quantità di calore durante il volo e i materiali compositi possono essere utilizzati per realizzare alette di dissipazione del calore che aiutano i droni a dissipare efficacemente il calore e a garantire il normale funzionamento delle apparecchiature.
4. Sistema di alimentazione: l'applicazione di materiali compositi nei sistemi di alimentazione dei veicoli aerei senza pilota sta diventando sempre più importante. Ad esempio, i serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno in materiali compositi possono essere utilizzati per immagazzinare l'idrogeno gassoso come fonte di energia per i droni.
5. Rivestimento del sensore: i droni devono essere dotati di vari sensori, come GPS, barometro, giroscopio, ecc. I materiali compositi possono essere utilizzati per creare gusci leggeri e altamente resistenti, proteggendo i sensori dalle influenze ambientali esterne e garantendone precisione e stabilità.

(2) Analisi del processo di produzione dei componenti compositi dei droni

1. Processo di stampaggio a caldo

Il processo di stampaggio a caldo può conferire ai componenti compositi per droni una qualità interna ed esterna leggera ed eccellente, con un contenuto di resina uniforme ed eccellenti proprietà meccaniche. Pertanto, è diventato il processo preferito per la produzione di componenti compositi per i principali componenti portanti e per i requisiti di alta velocità dei droni. Lo svantaggio del processo di stampaggio a caldo è la sua scarsa efficienza economica, che si riflette principalmente negli elevati requisiti in termini di attrezzature di produzione, investimento iniziale e costi di lavorazione, che in una certa misura limitano anche la diffusione di questa tecnologia. Pertanto, per considerazioni di carattere economico, la tecnologia di stampaggio a bassa temperatura e bassa pressione viene spesso facilmente sostituita nell'attuale processo di produzione dei droni.

2. Processo di formatura del sacchetto sottovuoto

I vantaggi della tecnologia di formatura a sacco sottovuoto sono l'elevata convenienza, il raggiungimento di risultati di produzione ideali con un investimento minimo e la bassa difficoltà di processo, che ne facilitano la diffusione e l'implementazione. Il suo svantaggio è che la pressione di stampaggio è relativamente bassa, quindi gli obiettivi di implementazione sono principalmente componenti in materiali compositi con requisiti di qualità relativamente bassi. Dal punto di vista dell'ambito di applicazione, la tecnologia di formatura a sacco sottovuoto è relativamente comune nella produzione di materiali compositi per piccoli veicoli aerei senza pilota a bassa velocità. Dal punto di vista dei metodi operativi, le operazioni preliminari della tecnologia di formatura a sacco sottovuoto includono principalmente due metodi: la posa di materiale preimpregnato e la posa a umido. Dal punto di vista dell'efficacia operativa, il rivestimento adesivo dei componenti compositi durante il processo di posa di materiale preimpregnato è uniforme, con buona stabilità e qualità.

3. Processo di stampaggio a compressione

I vantaggi del processo di stampaggio a compressione sono l'elevata efficienza produttiva, la facilità d'uso, la buona economicità, l'elevata pressione di stampaggio e la capacità di bilanciare i costi di input e la qualità del prodotto finale nella produzione di droni. In termini di ambito di applicazione, il processo di stampaggio è utilizzato principalmente nella produzione di componenti compositi per la struttura sandwich in schiuma per UAV. Dal punto di vista operativo, il processo di stampaggio si divide in due fasi: 1) produzione del nucleo in schiuma e stesura della superficie, 2) stampaggio, pressatura e polimerizzazione. Dal punto di vista dell'implementazione, l'uso di questo processo nei componenti in materiale composito dei pannelli alari dei droni ha migliorato significativamente l'estetica e la precisione delle ali dei droni. Inoltre, è necessario prestare attenzione alla scelta oculata della macchina di compressione per garantire l'effetto ottimale del processo di stampaggio a compressione.

4. Tecnologia di formatura a bassa temperatura

I vantaggi della tecnologia di stampaggio a bassa temperatura sono i costi di processo relativamente bassi e il consumo energetico controllabile. Può polimerizzare la resina polimerica a bassa temperatura in forma a 60-80 gradi, rendendola un'efficace integrazione all'attuale processo di stampaggio a caldo. Dal punto di vista dell'applicabilità, la tecnologia di formatura a bassa temperatura non solo offre un'elevata tolleranza dimensionale per i componenti compositi, ma può anche polimerizzare e formare direttamente i materiali compositi a temperatura e pressione ambiente. Pertanto, è ampiamente utilizzata in vari tipi di droni. Dal punto di vista dell'efficacia operativa, rispetto ai prodotti realizzati con tecnologia di formatura ad alta temperatura, la tecnologia di formatura a bassa temperatura può ridurre significativamente i costi di produzione dei velivoli senza pilota, garantendo al contempo un'eccellente qualità dei componenti compositi. Inoltre, per ottenere buoni risultati nella tecnologia di stampaggio a bassa temperatura, è necessario prestare attenzione al continuo miglioramento della resina e del preimpregnato per stampaggio a bassa temperatura.

(3) Proporzione di materiali compositi per UAV

La struttura principale e i componenti alari dei droni sono solitamente realizzati in materiali leggeri e ad alta resistenza, come materiali compositi, leghe di alluminio, ecc. Questi materiali sono relativamente costosi, ma leggeri, il che contribuisce a migliorare le prestazioni di volo dei droni. La quota dei materiali strutturali nel costo dei droni è di circa il 20%-30%.

La percentuale in peso dei materiali compositi nelle strutture dei droni varia a seconda del tipo, delle dimensioni e dello scenario applicativo del drone. In generale, la percentuale in peso dei materiali compositi nelle strutture dei droni può raggiungere il 50% o anche di più. Ecco una stima approssimativa:

Piccoli droni: per i piccoli droni, la percentuale di materiali compositi utilizzati è relativamente elevata, arrivando a raggiungere il 70-80% del peso del corpo. Questo perché i droni di piccole dimensioni utilizzano spesso materiali leggeri per migliorare le prestazioni di volo, mentre i materiali compositi presentano elevata resistenza e rigidità, che possono soddisfare i requisiti strutturali dei piccoli droni.

Droni di medie dimensioni: la percentuale di materiali strutturali nei droni di medie dimensioni è relativamente bassa, con i materiali compositi che rappresentano circa il 50%-60% del peso. Questo perché i droni di medie dimensioni potrebbero dover trasportare carichi maggiori, come carburante, sensori e carichi utili, quindi la selezione dei materiali strutturali si concentra maggiormente sull'equilibrio tra prestazioni e peso.

Grandi droni: la percentuale di peso dei materiali compositi nella struttura dei grandi droni può essere relativamente bassa, circa il 30%-40%. Questo perché i grandi droni utilizzano principalmente materiali strutturali pesanti come leghe di alluminio, leghe di titanio, ecc. per resistere a carichi maggiori e al vento. Inoltre, i droni di grandi dimensioni hanno spesso più spazio per ospitare carburante, attrezzature e personale, quindi la percentuale di materiali compositi utilizzata è relativamente bassa.