UAV 드론 분야에서 복합소재의 응용

적용 분야와 사용 목적의 차이로 인해 무인 항공기와 기존 운반 항공기는 제조 재료와 차체 구조 측면에서 상당한 차이가 있습니다. 운반 항공기를 설계할 때 가장 먼저 고려해야 할 사항은 인적 운반 요소이며 항공기 구조의 안전과 재료 하중 지지에 대한 해당 표준과 요구 사항이 있습니다. 그러나 드론은 인적 안전 성능 문제를 고려할 필요가 없으며 차체 구조 설계 및 제조 재료에서 더 많은 시도와 선택이 가능합니다. 복합 재료는 강성, 강도, 내진 및 피로 저항성, 열 팽창 계수 측면에서 성능이 더 좋으므로 무인 항공기 제조에 선호되는 재료입니다.

（1） 무인항공기용 복합소재의 응용부품

1. 구조적 구성 요소: 드론의 주요 구조, 날개, 꼬리 지느러미 및 기타 부분은 복합 재료로 만들 수 있습니다. 복합 재료는 가볍고 강도가 높으며 피로 저항성과 충격 저항성이 뛰어나 무인 항공기의 수명이 길고 비행 성능이 더 좋습니다.
2. 모터 컴파트먼트: 모터, 컨트롤러 등 무인 항공기의 핵심 구성 요소도 복합 소재를 사용하여 보호할 수 있습니다. 복합 소재는 우수한 전자파 차폐 성능을 제공하고 전자파 간섭을 효과적으로 줄이며 무인 항공기 전기 시스템의 안정적인 작동을 보장할 수 있습니다.
3. 방열 소재: 드론은 비행 중 많은 양의 열을 발생하며, 복합 소재를 사용하여 방열 핀을 제작하면 드론이 효과적으로 열을 발산하고 장비의 정상적인 작동을 보장하는 데 도움이 됩니다.
4. 연료 시스템: 무인 항공기 연료 시스템에 복합 재료를 적용하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 예를 들어, 복합 수소 저장 탱크는 드론의 전원으로 수소 가스를 저장하는 데 사용할 수 있습니다.
5. 센서 케이스: 드론에는 GPS, 기압계, 자이로스코프 등 다양한 센서가 장착되어야 합니다. 복합 소재를 사용하여 가볍고 고강도의 쉘을 만들어 센서를 외부 환경 영향으로부터 보호하고 정확성과 안정성을 보장할 수 있습니다.

（2） 드론 복합소재 부품 제조 공정 분석

1. 열간프레스 성형 공정

핫프레스 성형 공정은 무인 항공기용 복합재 구성품의 내부 및 외부 품질을 가볍고 우수하게 만들 수 있으며, 수지 함량이 균일하고 기계적 특성이 우수합니다. 따라서 무인 항공기의 주요 하중 지지 구성품 및 고속 요구 사항에 대한 복합재 구성품을 제조하는 데 선호되는 공정이 되었습니다. 핫프레스 성형 공정의 단점은 경제 효율성이 낮다는 점인데, 이는 주로 제조 장비, 초기 투자 및 처리 비용에 대한 높은 요구 사항에 반영되며, 이는 또한 이 기술의 대중화를 어느 정도 제한합니다. 따라서 경제적 이점을 고려하여 저온 저압 성형 기술은 종종 드론의 실제 제조 공정에서 쉽게 대체됩니다.

2. 진공백 성형 공정

진공백 성형 기술의 장점은 비용 효율성이 높고, 최소의 비용 투자로 이상적인 제조 결과를 달성하며, 공정 운영의 어려움이 낮아 대중화 및 구현이 더 쉽다는 것입니다. 단점은 성형 압력이 비교적 작아 구현 대상이 대부분 품질 표준 요구 사항이 비교적 낮은 복합 재료 구성 요소라는 것입니다. 적용 범위의 관점에서 진공백 성형 기술은 소형 저속 무인 항공기용 복합 재료 제조에서 비교적 일반적입니다. 운영 방법의 관점에서 진공백 성형 기술의 예비 작업은 주로 사전 함침 재료 배치와 습식 배치의 두 가지 방법을 포함합니다. 운영 효율성의 관점에서 사전 함침 재료 배치 공정에서 복합 구성 요소의 접착 코팅은 균일하고 안정성과 품질이 좋습니다.

3. 압축 성형 공정

압축 성형 공정의 장점은 높은 생산 효율성, 쉬운 조작, 우수한 경제성, 높은 성형 압력, 드론 제조의 비용 투입과 품질 산출의 균형을 이룰 수 있는 능력입니다. 적용 범위 측면에서 성형 공정은 주로 UAV 폼 샌드위치 구조의 복합 구성 요소 제조에 사용됩니다. 작업 공정의 관점에서 성형 공정은 ① 폼 코어 생산 및 스킨 포장, ② 성형, 압착 및 경화의 두 단계로 나뉩니다. 구현 효과에서 드론 날개 패널의 복합 재료 구성 요소에서 이 공정을 사용하면 드론 날개의 미학과 정확성이 크게 향상되었습니다. 또한 압축 성형 공정의 최적 효과를 보장하기 위해 압축 기계의 합리적인 선택에 주의해야 합니다.

4. 저온성형기술

저온 성형 기술의 장점은 비교적 낮은 공정 비용과 제어 가능한 에너지 소비입니다. 60-80도에서 저온 폴리머 수지를 경화시켜 현재의 핫프레스 성형 공정을 효과적으로 보완할 수 있습니다. 적용성 측면에서 저온 성형 기술은 복합 구성 요소에 대한 강력한 치수 허용 오차를 가질 뿐만 아니라 실온 및 압력에서 복합 재료를 직접 경화하고 성형할 수 있습니다. 따라서 다양한 유형의 드론에 널리 사용됩니다. 운영 효율성 측면에서 고온 성형 기술 제품과 비교할 때 저온 성형 기술은 무인 항공기의 제조 비용을 크게 줄이는 동시에 복합 구성 요소의 우수한 품질을 보장할 수 있습니다. 또한 저온 성형 기술에서 좋은 성과를 거두려면 수지 및 저온 성형 프리프레그의 지속적인 개선에 주의를 기울여야 합니다.

（3） 무인기용 복합소재 비중

드론의 주요 구조 및 날개 구성 요소는 일반적으로 복합 재료, 알루미늄 합금 등과 같은 가볍고 고강도 재료로 만들어집니다. 이러한 재료는 비교적 비싸지만 가벼워 드론의 비행 성능을 개선하는 데 유익합니다. 드론 비용에서 구조 재료의 비율은 약 20%-30%입니다.

드론 구조에서 복합 재료의 중량 비율은 드론의 유형, 크기 및 적용 시나리오에 따라 다릅니다. 일반적으로 드론 구조에서 복합 재료의 중량 비율은 50% 이상에 도달할 수 있습니다. 대략적인 추정치는 다음과 같습니다.

소형 무인 항공기: 소형 무인 항공기의 경우 복합 재료의 사용 비율이 비교적 높아서 본체 중량의 70%-80%에 이를 수 있습니다. 이는 소형 ​​드론이 비행 성능을 개선하기 위해 경량 재료를 사용하는 경우가 많은 반면 복합 재료는 강도와 강성이 높아 소형 드론의 구조적 요구 사항을 충족할 수 있기 때문입니다.

중형 드론: 중형 드론의 구조적 재료 비율은 비교적 낮으며, 복합 재료가 무게의 약 50%-60%를 차지합니다. 이는 중형 드론이 연료, 센서, 탑재물과 같은 더 많은 하중을 실어야 할 수 있기 때문에 구조적 재료 선택은 성능과 무게의 균형에 더 중점을 두기 때문입니다.

대형 무인 항공기: 대형 무인 항공기 구조에서 복합 재료의 중량 비율은 비교적 낮을 수 있으며, 약 30%-40%입니다. 이는 대형 무인 항공기가 주로 알루미늄 합금, 티타늄 합금 등과 같은 무거운 구조 재료를 사용하여 더 큰 하중과 풍하중을 견뎌내기 때문입니다. 또한 대형 드론은 종종 연료, 장비 및 인력을 수용할 수 있는 공간이 더 많기 때문에 사용되는 복합 재료의 비율이 비교적 낮습니다.