现代无人机背后的材料：从碳纤维到锂离子电池

无人机主要材料：

• 碳纤维增强复合材料(CRFCs)
• 聚酯、尼龙、聚苯乙烯等热塑性塑料
• 铝
• 锂离子电池

仿佛昨日无人机还是新奇事物、公司和极客爱好者制作的原型。如今似乎无人机已占领世界。 无处不在，服务于工业、艺术、甚至儿童玩具角色。人们常忽略这些小型飞行机器近年才普及。无人机仍处婴儿期，随材料和微控制器技术进步，未来无人机将以近乎科幻方式演进。

通过考察无人机设计方式及构成材料，可理解这项关键技术发展历程，洞察近未来演进方向。

什么是无人机？如何设计？是什么驱动其激增成普及技术？

让我们探寻。

什么是无人机？

对大多数人，“无人机”指特定类型无人驾驶飞行器(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更多电机驱动螺旋桨向下导向推力飞行。

最流行消费级是四旋翼(4旋翼)，商业型含六旋翼(6旋翼)和八旋翼(8旋翼)提供更大升力。虽存在各类军用民用无人机，我们聚焦常见多旋翼无人机及其材料。

为飞行，无人机须产生足够向上推力克服自重，故无人机材料选择以最小化质量为主导。

每克材料举升消耗能量，每克减重提升性能：

• 增加载荷能力
• 延长飞行时间
• 降低惯性、改善机动性

此选材设计组件最小化质量过程称“轻量化”。给出最重要材料性能选择标准：选用低密度材料最小化质量。

分部件拆解

无人机是不同组件协同工作的复杂设备。每组件履行不同功能，选材时不同考量生效。但每个部件必须考量材料密度以最小化重量、最大化性能。

机身：整合一切

机身赋予无人机形状，固定所有子系统。因承担机械功能，机身最重要材料性能是强度。商用无人机常用尼龙、聚酯、聚苯乙烯等热塑性塑料变体，因注塑工艺制复杂件成本低。

热塑性塑料也提供良好强度和低密度，多种品种抗拉强度超100 MPa、密度<2 g/cm³。许多热塑性塑料有丝材可3D打印定制件，成实验无人机热门组件。

商用无人机可牺牲些重量换取经济性，工业无人机优先性能。高强度材料可用量更少，造出更轻、更高性能无人机。

用Matmatch搜最低密度最高强度材料，发现高性能无人机机身首选：碳纤维增强复合材料。此类复合材料提供高强度、低密度、高刚度，制造轻量刚性机身。

电机与螺旋桨：起飞动力

无推力源无人机永远起飞不了。驱动无人机的电机是常规电动机含铜绕组和永磁体。电机外壳可选材最小化重量，热塑性塑料或铝合金呈现良好比强度。

但电机产生显著热量。故高导热材料如铝可用于外壳辅助散热。

无人机旋翼叶片高速旋转，往往飞行(或坠毁)时承受最大磨损。同机身材料，选最优旋翼叶片材料是在最小化重量前提下最大化强度。

部分旋翼叶片用碳纤维增强复合材料。但旋翼叶片常损坏更换，多用热塑性塑料降低更换成本。

因旋翼叶片常高速旋转撞击损坏，寻求设计耐用叶片的工程师可按冲击强度和密度筛选材料选合适材料。

电池：飞行动力源

无人机所有组件中，电池技术改进或是成就现代多旋翼无人机最重要突破。同机械部件考量比强度，电池性能可按电池重量衡量。

比能量(J/kg)和比功率(W/kg)描述电池按质量存储释放能量能力。

旧式铅酸和镍镉电池太重，为其供电的无人机难长久飞行，甚至难离地。但现代锂离子电池以轻量封装提供足够能量功率，成就今日多旋翼无人机。未来电池电容技术进步将实现更轻、更高性能无人机。

传感器：无人机神经系统

多旋翼无人机每次飞行都在进行微妙平衡术。若一电机推力过大，无人机倾斜甚至翻转。如人体用复杂感知神经网络走路平衡，多旋翼无人机用令人印象深刻的传感器和反馈机制保持飞行。

无人机“神经系统”最关键是倾斜传感器。融合陀螺仪和加速度计，倾斜传感器与无人机电机形成反馈回路。

飞行中无人机持续微调电机推力保持水平，从而从气流和极限机动中恢复。部分先进无人机可独立倾斜每个旋翼，控制每个旋翼推力方向和大小。

无人机还可用多种其他传感器监测内部系统和外部世界。电流电压传感器帮无人机追踪功率储备消耗，告知飞手何时降落充电。

GPS和磁力传感器通过测位置朝向辅助导航。气流传感器探测空速或风流，信息反馈平衡回路让飞行更稳。

微控制器与相机：更智能无人机

造就现代智能手机的微芯片技术进步使无人机成为飞行计算机。许多智能手机同款芯片(Intel、Nvidia、高通、Arm等)也现身无人机。

随无人机变聪明，能以更少人工控制承担更复杂任务。目前指按预设路径无人驾驶飞行、记录更大阵列传感器测量值。但研究者学习编程无人机无人协助执行日益复杂任务。

对大多数人，无人机全部目的是搭载相机达到人类无法企及高度。甚至基础消费级无人机也带相机，回传视频到手机或存图像到内存。

电影工作室用高端无人机拍大片。但“计算机视觉”领域进步将相机变为不只是载荷或人工飞行辅助。未来无人机将用相机看世界并据此自主驾驶。

无人机越来越能无需人工飞手甚至GPS导航自主飞行，催生强大新能力：无人机协同作业。无人机蜂群前由团队用GPS和中央控制器通信确定个体群内位置。

但前沿研究产出无人机用自载传感器甚至相机识别其他无人机编队飞行。不久可能常见自主无人机队充当救生员、照料农作物、搜索编队飞行助灾害救援。

影响全球的技术

无人机似乎无处不在。拍电影、演电影、卖房产、转播体育、创造新运动、农场工厂作业、猎杀其他无人机、不久可能送包裹。随材料、AI、微控制器改进，无人机将持续革新广泛行业。

无人机未来

无人机日益普及，改变世界运作娱乐方式。无人机用材选取旨在高强度机身和大电池容量前提下最小化重量。

最小化无人机重量最大化性能，无论让电影无人机拍摄更久、让竞速无人机更灵活。无人机持续变聪明，自主无人机不久或成日常生活固有部分。