无人机是由什么制成的？

无人机使用的主要材料：

• 碳纤维增强复合材料 (CRFC)
• 热塑性塑料，例如聚酯、尼龙、聚苯乙烯等。
• 铝
• 锂离子电池

就像昨天一样，无人机是新奇事物，由公司和有进取心的爱好者制造的原型。 现在似乎无人机已经占领了世界。 他们无处不在，在工业、艺术甚至儿童玩具中扮演角色 .人们常常忽略这些小型飞行器 最近才开始流行。无人机仍处于起步阶段，随着材料和微控制器技术的进步，未来的无人机将以科幻小说的方式发展 .

通过研究无人机的设计方式和它们所用的材料 ，我们可以了解这项重要的技术是如何发展起来的，并了解它在不久的将来会如何发展。

无人驾驶飞行器 (UAV) 正在迅速取代传统的陆地监视方法。它们的普及速度如此之快，以至于有些人甚至放弃了经典的“鸟瞰”表达方式，改为“无人机视角”。

那么，什么是无人机？它们是如何设计的？是什么促使它们迅速成为一种广泛使用的技术？

一起来了解一下吧。

什么是无人机？

对于大多数人来说，“无人机”是一种特定类型的无人驾驶飞行器 (UAV) ：多旋翼或多旋翼飞行器。顾名思义，这些机器通过从两个或多个电机驱动的螺旋桨向下引导推力飞行 .

最受欢迎的消费机型是四轴飞行器 （4 个旋翼），但商业变体包括 六轴飞行器 （6 个转子）和 八旋翼 （8 个转子）以提供更大的升力。虽然有各种各样的军用和民用无人机 在那里，我们将专注于常见的多旋翼无人机及其制造材料。

为了飞行，无人机必须能够产生足够的向上推力 为了克服自身的重量，所以无人机中的材料选择主要是通过最小化无人机的质量 .

用于制造无人机的每一克材料都需要消耗能源来提升，而可以节省的每一克材料都会提高性能：

• 增加货物容量
• 延长飞行时间
• 减少惯性并提高机动性

这种选择材料和设计组件以最小化质量的过程称为“轻量化 ”。这为我们提供了最重要的材料特性选择标准：通过选择低密度材料来最小化质量 .

逐个细分

无人机是复杂的设备由不同的组件组成 一起工作。每个组件实现不同的功能 ，因此在为每个部分选择材料时会考虑不同的因素 .但是，对于每件无人机，必须考虑材料密度，以减轻重量并提高性能 .

框架：将它们结合在一起

框架 赋予无人机形状并将所有子系统固定到位 .因为它具有机械功能，所以框架最重要的材料特性是强度 .对于商用无人机，热塑性塑料（例如尼龙、聚酯和聚苯乙烯的变体）是受欢迎的选择，因为它们制成复杂部件的成本低廉 使用注塑成型工艺 .

热塑性塑料还提供良好的强度和低密度 , 有几个品种的抗拉强度超过 100 MPa，密度低于 2 g/cm3。许多热塑性塑料也可制成细丝，可用于3D 打印定制零件 ，使热塑性塑料成为实验无人机的流行组件。

虽然商用无人机可以牺牲一些额外的重量以获得更实惠的价格，但工业无人机 优先考虑性能 . 强度高的材料 可以小批量使用，制造出更轻、性能更高的无人机。

如果我们使用 Matmatch 搜索来查找密度最低和强度最高的材料，我们会发现高性能无人机框架的首选：碳纤维增强复合材料 .这些复合材料具有高强度、低密度和高刚度，可用于制造轻质、刚性的无人机框架。

电机和螺旋桨：起飞

如果没有推力源，无人机将永远无法起飞。驱动无人机的电机是传统电动机 带有铜绕组和永磁体 .可以选择电机外壳以最大限度地减轻重量，热塑性塑料或铝合金具有良好的强度重量比。

但是，电机会产生大量热量。因此，具有高导热性的材料，如 铝 , 可用于外壳帮助冷却电机。

未来十年，由中国制造商主导的全球非军用无人机市场规模将增加两倍，达到 143 亿美元。 （路透社）

转子叶片 的无人机高速转动，因此它们往往在无人机飞行时吸收最大的磨损 （或崩溃）。就像框架材料一样，选择最佳转子叶片材料 是在最大程度地提高强度的同时最小化重量的问题。

一些转子叶片由碳纤维增强复合材料制成 .然而，转子叶片经常损坏和更换，为了降低更换成本，很多都是由热塑性塑料制成的 当它们破裂时。

由于转子叶片在旋转时通常会在高速冲击中受损，因此寻求设计耐用转子叶片的工程师可以通过冲击强度和密度过滤材料以选择合适的材料。

电池：飞行的动力

在无人机的所有组件中，电池技术的改进 可能是最重要的突破 这使现代多旋翼无人机成为可能。与设计机械部件时考虑强度重量比的方式相同，可以根据电池的重量来衡量电池性能 .

比能量等测量 (J/kg) 和比功率 (W/kg) 描述电池根据电池质量存储和释放能量的能力 .

较旧的铅酸和镍镉电池 太重了 对于他们驱动的无人机来说，如果它可以完全脱离地面的话，它可以飞行很长时间。然而，现代锂离子电池 在轻巧的包装中提供足够的能量和动力，使当今的多旋翼无人机成为可能。未来电池和电容器技术的进步将使无人机更轻、性能更高。

传感器：无人机的神经系统

多旋翼无人机每次飞行时都会进行微妙的平衡动作 .如果一个电机提供的推力太大，无人机会倾斜甚至翻转。就像人体在行走时如何使用复杂的感官和神经网络来平衡自身一样，多旋翼无人机使用一组令人印象深刻的传感器和反馈机制来停留在空中 .

警察和执法部门使用无人机进行交通事故现场调查、寻找失踪人员、嫌​​疑人定位、救援行动、侦查与公共安全或对民众造成不便的非法活动或行动、保护敏感区域和犯罪现场调查。

无人机“神经系统”中最重要的部分是其倾斜传感器 .将陀螺仪传感器和加速度计组合在一起，倾斜传感器与无人机的电机连接到反馈回路中。

飞行中的无人机不断对电机推力进行微小调整以保持水平，使其能够从气流和极端机动中恢复。一些高级无人机 还可以独立倾斜每个转子 ，允许无人机控制从每个转子获得的推力的方向和强度。

无人机还可以使用各种其他传感器 监控他们的内部系统和他们周围的世界。 电流和电压传感器 帮助无人机跟踪从其电力储备中汲取的能量 ，帮助其飞行员知道何时该着陆和充电。

GPS 和磁传感器 通过测量无人机的位置和方向来帮助导航。 气流传感器 允许无人机检测其空速或风流，并将这些信息反馈到其平衡电路中，使无人机的飞行更加稳定。

微控制器和相机：更智能的无人机

微芯片技术的相同进步 创造了现代智能手机的人使无人机成为飞行计算机成为可能 . 智能手机中可以找到许多相同的芯片 （英特尔、英伟达、高通、Arm等）也出现在无人机中。

随着无人机变得越来越智能，它们变得能够在较少人工控制的情况下承担更复杂的任务 .目前，这意味着无人机可以在没有人类飞行员的情况下遵循预定的路径，或者记录来自更大传感器阵列的测量结果。但是研究人员正在学习如何为无人机编程 无需人工帮助即可执行日益复杂的任务。

对于大多数人来说，无人机的全部目的是将相机带到人类无法达到的高度 .即使是基本的消费级无人机也带有一个摄像头，可以将视频回传到智能手机或将图像记录到内存中。

电影制片厂使用高端无人机 拍摄他们的大预算电影。然而，“计算机视觉”领域的进步正在将相机转变为不仅仅是人类飞行员的有效载荷或辅助工具。未来的无人机将使用摄像头观察周围的世界 并使用这些信息进行自我驾驶。

无人机变得越来越有能力在没有人类飞行员帮助的情况下飞行 或 甚至 GPS 导航 ，这产生了一种强大的新功能：无人机协同工作。 无人机群以前由使用 GPS 并与中央控制器通信以确定每个人适合该组的位置的无人机团队组成。

然而，尖端研究已经生产出使用自己的机载传感器甚至摄像头的无人机，可以识别其他无人机并编队飞行 .很快，自动无人机团队充当救生员可能会变得很普遍 , 照顾庄稼 ，或编队飞行以帮助救灾工作 .

具有全球影响力的技术

无人机现在似乎无处不在。他们正在拍摄电影、主演电影、帮助销售房地产、播放体育节目、创造新的体育项目、在农场和工厂工作、狩猎其他无人机，并且很快他们可能会运送包裹 .随着材料、人工智能和微控制器的改进，无人机将继续彻底改变广泛的行业 .

无人机的未来

无人机日益流行，并彻底改变了世界的工作和娱乐方式。 无人机使用的材料 采用高强度框架和高电池容量来提高性能，同时最大限度地减轻重量。

尽量减少无人机的重量可以最大限度地提高其性能 ，无论是使电影无人机能够进行更长的拍摄还是使赛车无人机更具机动性。 无人机也在不断变得更智能， 不久之后，自主无人机就会成为日常生活的一部分。