无人机：复合无人机起飞

改变，更好的是，快速的改变。这最好地描述了无人机 (UAV) 设计和制造的当前状态。一大变化是术语。无人机现在是无人机 和无人机技术，一度几乎只限于军事任务，正在挑战限制性定义，并在尖端工业、商业和消费应用的主机中找到用途。无人机不再局限于地面人类的控制，也正在塑造自主技术的命运——它将是什么以及如何使用它。

雷达：用于通信、自动化的无人机

在无人机中使用复合材料的一大前景是作为持久、长期系统的推动者，提供广域 Wifi 互联网访问。理想情况下，这种无人机应该是太阳能供电的，并且能够为数周内不间断的互联网访问服务于许多平方英里的陆地区域。至少有两个项目在追求这项技术，如果混合在一起，到目前为止的结果是有希望的。

一个是社交媒体巨头 Facebook（美国加利福尼亚州门洛帕克）的成果，另一个是麻省理工学院（麻省理工学院，剑桥，美国）的产品。每个人都建造并试飞了原型机，旨在通过全新的设计实现前所未有的无人机飞行持续时间，从而最大限度地发挥先进复合材料的优势。

自 2014 年以来，Facebook 的 Aquila 在开发中 (图1), 一种全碳纤维复合材料、太阳能、四螺旋桨无人机，已经试飞了两次。 2016年在305m以下高空飞行96分钟，去年飞行约106分钟，达到914.4m高度。 天鹰座 适用于大事：Aquila's 规定的目标客户群是数个十亿 世界各地没有可靠在线访问的人。鉴于巨大的地理范围，无人机必须能够进行非常长的不间断飞行，而这反过来又会对 Aquila 产生深远的影响 飞行性能和设计参数。 Facebook 必须建造和推出能够连续飞行几个月的无人驾驶飞机 在非常高的海拔 - 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。当这项技术完善后，Facebook 首席执行官马克·扎克伯格 (Mark Zuckerberg) 表示，他打算建立一支无人机机队。

尽管这对复合材料行业来说可能是个好消息，但 Facebook 几乎没有发布关于 Aquila 的具体工程细节 或用于构造它的碳纤维材料和层压板。 连续波 据了解，经过飞行测试的版本“翼展比波音 737 还宽”，使其在 110 英尺（±34m）的范围内。 Aquila 摒弃了传统起落架的额外重量和阻力 还配备了粘合在发动机舱底部的 Kevlar“着陆垫”，这是它仅重约 1,000 磅（454 千克）的一个原因，其中大约一半的质量由电池构成。然而，扎克伯格已经明确表示，无人机需要做得更轻。

当逆风飞行时，无人机按照设计以仅 10-15 英里/小时的陆地速度飞行，使其保持在旨在接收信号的目标区域的中心。该通信系统将使用激光传输数据，其速度比陆基光纤快 10 倍左右。在无人机的第二个，最近飞行的版本中，一种未指定的涂层材料应用于机翼创造了一个“更光滑的表面”，与第一架无人机的爬升率相比，它的爬升率翻了一番，达到 54.9m/min。也就是说，Aquila 的 仅使用太阳能即可实现雄心勃勃的飞行时间目标。根据 Aquila 上的帖子，该项目下一阶段的主要挑战 Facebook 网站是太阳能电池板效率、电池存储和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、尺寸和重量”的无人机，并在下一轮试飞中飞到更高的高度。

与此同时，麻省理工学院的一个工程师团队设计、制造并测试了一架翼展为 24 英尺（7.32 米）的无人机，该无人机完全由碳纤维和凯夫拉纤维增强的复合材料制成（图 2）， 无人机开发项目的目标，称为Jungle Hawk Owl 由美国空军（Gateways Branch，AFLCMC/HNAG，Hanscom 空军基地，美国马萨诸塞州贝德福德）资助，比 Facebook 的 Aquila 要温和一些 .目标是建造一架能够在高空和低纬度地区、四季、海拔约 4,572m 的高空飞行五天或更长时间的无人机。这种无人机将被设计为通信枢纽，在发生大规模停电或服务中断的情况下，在大范围内提供临时互联网/电话连接。

无人机的设计以滑翔机为模型，具有典型的薄空气动力学外形。第一个全尺寸版本于去年在最大高度 122m 试飞，机翼厚度为 42.4 mm，逐渐变细至 20.8 mm，总空重仅为 12.7 kg。在对飞机及其汽车屋顶发射系统进行微调后， 高空飞行测试定于今年夏天进行，无人机携带通信设备和燃料满载，重达45.4公斤。

麻省理工学院航空和航天学教授约翰汉斯曼和监督学生研究的工作人员之一，麻省理工学院和麻省理工学院林肯实验室（美国马萨诸塞州列克星敦）的合作报告说，机翼包括一个核心三明治，模制成两层步骤过程。为了达到必要的空气动力学精度，机翼的上表面蒙皮通过真空灌注从一层单向碳纤维织物向翼展长度方向成 90° 单独成型。为了制作底部机翼蒙皮，不同厚度的翼梁帽由单向织物模制而成，并放入模具中。然后在梁帽周围和之间放置泡沫聚苯乙烯，并将底部表皮真空袋装到结构上。然后将顶部蒙皮安装到底部并用 12K 丝束包裹。所有织物都注入了 West Systems 105，这是一种由 Gougeon Bros. Inc.（美国密歇根州贝城）提供的低粘度环氧树脂。所有模具均采用由 Freeman Manufacturing &Supply Co.（美国俄亥俄州雅芳市）提供的 RenShape 440 聚氨酯泡沫进行 CNC 加工。

为了制造装有汽油发动机的机身（见外传“无人机：麻省理工学院软件对太阳能无人机产生怀疑”）和燃料箱，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，一层在 90° 和 45° 处，与管子的内径成 90° 角，然后使用穿过管子并围绕管子放置的环形真空袋对织物进行真空灌注，层压板的外层紧靠着管子的内壁管子。为了制造包含通信电子设备的鼻锥，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（已粘合在一起）上并真空注入。

无人机——行业的新参与者

无人机正在工业领域产生影响，从空中飞到工人和包括机器人在内的传统机械更困难和更昂贵的地方。

一个具有潜在巨大未来的应用是老化风力叶片的安全检查。配备有用于军事监视的摄像头的无人机是该技术最早的用途之一。今天，配备特殊摄像头并由极其复杂的软件自动操作的无人机可以在短短 15 分钟内检查一个巨大的风力涡轮机的转子叶片（人工检查可能需要一整天），并将损坏的视觉证据转发给供检查员在更舒适的环境中进行屏幕查看的 Web 门户。 连续波 在其 5 月刊中报道了这种不断增长的基于无人机的商业现象（参见“服务和维修：优化风电对电网的影响”）。

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新颖而巧妙的方法，将无人机与工业机器人结合使用，通过以下方式制造大跨度复合结构一种纤维缠绕工艺。所谓协作缠绕，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“中间人”，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，制造布局建立了一个有利的分工，充分利用了两台机器的优势——机器人用于将浸渍树脂的粗纱精确地放置在卷绕架上，而无人机则将纤维从线轴穿梭到每个线轴上。机械臂，从而规避了机器人末端执行器的可达范围对零件尺寸的限制。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法是通过模块化构建零件，这种方法不太理想，特别是如果制造的结构是承重的。

该项目是该大学八名研究人员的工作，并在 2017 年 11 月版Acadia 上发表的论文“多机制造”中进行了总结。 ，室内建筑和空间设计杂志。工作单元包括两台 6 轴 KUKA（德国奥格斯堡）KR 210 R3100 Ultra 机器人，配备钢制加长件、一个用于抓取无人机缠绕效应器的液压夹具，以及一个用于将机器人位置与无人机同步的红外摄像头.定制的张力机制基于挤出和轧制应用中使用的张力装置，在纤维从纤维源传递到无人机或机器人时提供对纤维张力的控制。

项目研究人员之一詹姆斯·索利（James Solly）表示，定制无人机的最终设计源自四个早期原型，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。无人机机身的零件由标准碳板加工而成，而飞行器的手臂则由 20 毫米碳管制成。其他较小的部件，例如连接器和垫片，是由聚乳酸 (PLA) 3D 打印的。无人机尺寸约为 92 x 92 x 31 厘米，车辆可携带约 2 公斤的有效载荷。

为了缠绕单个锚点，机器人手臂围绕缠绕框架移动，浸渍纤维高于层压板。到达锚点后，机器人将纤维缠绕在其周围，然后将缠绕效应器返回到无人机等待的着陆平台。交换确认后，张力机构切换到低张力，无人机将解绕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单元制造了一个 12m 长的演示悬臂，作为传统自动化纤维缠绕装置无法生产的零件形状和尺寸的示例（图 4）。该部件包括Lange+Ritter GmbH（德国格尔林根）捐赠的单端连续玻璃粗纱SE1500-2400tex和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，该环氧树脂由 Hexion（美国俄亥俄州哥伦布市）提供，该环氧树脂由 EPIKURE MGS LH 138 固化剂配制而成。该部件是使用浸渍在纤维浸渍树脂浴中的预浸纤维和干纤维制造的。 Solly 报告说，该项目展示的过程最适合生产垂直支撑之间具有大跨度的水平结构，例如舞厅屋顶或人行天桥，其中自重的减少可以显着减少材料使用和成本。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团队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，需要改进库存会计实践。手动扫描费力、成本高且容易出错。例如，沃尔玛在 2013 年报告称，由于其库存记录与实际库存不匹配，收入损失超过 30 亿美元。

麻省理工学院团队成功开发了一种原型，该原型使带有柔性塑料转子的小型轻型无人机——唯一获准在人类附近使用的无人机——能够在数十米外读取 RFID 标签，同时以平均误差识别标签位置约 19 厘米。

Bebop-2 用于研究的无人机由 Parrot Corp.（法国巴黎）制造。该无人机专为在摄影等应用中表现出低振动而设计，其机身由 EMS-CHEMIE AG（瑞士 Domat/Ems）提供的玻璃填充 Grilamid TR 尼龙制成。每架无人机重约 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 阅读器发出的信号中继到 RFID 标签。当信号到达标签时，标签会在信号上编码其标识符，然后再将其发送回无人机。无人机将信号转发给阅读器，阅读器解码标识符，从而解码物品和物品的位置。该团队目前正在努力提高长距离定位机制的精度，以及提高过程速度和可扩展性的方法。

创新催生新的无人机应用

材料供应商、合同 3D 打印制造商和打印设备供应商报告说，无人机制造商的业务不断增长，并正在开发新产品和新功能来为该业务提供服务。

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，其供应给工业设备、机器人、航空航天、体育用品和无人机制造商。各种形状的管材主要通过将单向碳纤维环氧预浸料卷缠绕在心轴上制成，并在 250°C 下固化。这些管子由标准、高和超高模量等级制成，后者由沥青纤维制成。该公司使用类似材料通过压缩成型或真空灌注制造各种厚度的板材，板厚可达 1.2m x 2.4m。总裁 Jeff Engbrecht 表示，其无人机客户通常是北美公司，这些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，Clearwater 正在为其客户之一，UAV/无人机设计商和制造商提供由 Toray Industries 公司（日本东京）制造的定制锥形薄壁（0.03 英寸/0.76 毫米）管高模量 M46J 碳纤维。对于未指定的新应用，管子的一端是圆形的，然后在另一端逐渐变细成椭圆形。

Stratus Aeronautics（加拿大不列颠哥伦比亚省本那比）制造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力和航空测量。这些勘测无人机采用固定翼和多旋翼配置设计和制造，与有人驾驶的飞行器相比具有显着的成本优势。

公司的固定翼Venture r UAV（图 5）是一种小型轻型飞机，由 100 cc 二冲程燃气发动机提供动力，能够执行长时间（> 10 小时）的任务——这是无人驾驶飞机不可能完成的任务。

这架飞机的机身由碳纤维预浸料成型，机翼由带有泡沫芯的半硬壳式车身和无芯的硬壳式机身组成。

该公司首席技术官柯蒂斯·马伦 (Curtis Mullen) 表示，一种新型电动多旋翼无人机的设计和测试已接近完成。它长 3m，重约 15 kg，除电子设备外，完全由碳纤维复合材料制成。 “底盘是一种自对准、硬壳式结构，由 CNC 布线的碳板制成，”马伦报告说。取决于局部载荷，不同纤维取向和模量的管状碳构成结构的其余部分。在CW 7 月截稿时，公司计划在 6 月/7 月完成建造和试飞，并引进Venturer 2018 年晚些时候上市。

无人机与 3D 打印相吻合

鉴于无人机技术的快速发展，无人机制造商为复合材料的增材制造提供了动力也就不足为奇了。无人机设计师不仅使用大幅面 3D 打印机进行最初构思流程的快速原型制作，而且随着这些流程的发展，还提供工具和成品零件，以满足无人机 OEM 要求的快速周转时间.

Impossible Objects（伊利诺伊州诺斯布鲁克）最近与 Aurora Flight Sciences（弗吉尼亚州马纳萨斯）合作，用 25.4 毫米切碎的高密度聚乙烯 (HDPE) 3D 打印了一个 76 x 38 毫米的后稳定器支架碳纤维，使用其基于复合材料的增材制造 (CBAM) 技术。该部件安装在当时正在开发的一架新飞机上，取代了一个由未增强尼龙制成的破损部件。尽管增材制造技术经常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 (Larry Kaplan) 表示，该公司目前正致力于确保无人机零件的几个商业化、大批量应用。目前尚无法详细说明这些应用的细节，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型 PEEK 材料的复合材料添加剂制造商，”Kaplan 声称，并指出零件和模具对耐高温材料的需求越来越大。

打印机供应商 Stratasys Inc.（美国明尼苏达州伊甸草原）正在与材料供应商和航空航天/无人机制造商合作，持续开发和商业化其用于成型复合零件的 3D 打印模具技术。 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出大多数工具，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 是一种由 SABIC（美国马萨诸塞州匹兹菲尔德市）制造的聚醚酰亚胺 (PEI)，是一种通用的未填充材料，适用于制造所有叠层工具，包括经过高温高压灭菌处理的工具到 300°F。

Swift Engineering Inc.（美国加利福尼亚州圣克莱门特）使用 FDM 和 Ultem 1010 为无人机的碳纤维增强环氧树脂螺旋桨叶片制造匹配的压缩模具的一半。 356 x 102 x 51 毫米工具需要 30 小时的构建时间，并用两部分环氧树脂手动研磨和密封，产生约 0.4 微米的表面光洁度 Ra（平均粗糙度）。

Rock West Composites（美国犹他州西乔丹）正在与 Stratasys 合作，通过成型测试零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，与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。 “这使您能够以打印工具的速度制造零件，”他说。

简而言之，一个新的无人机多产时代已经出现并且已经到来。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。