导读：无人机被广泛应用于植保、巡检、侦察、航拍、测绘等多个领域，最近，随着物流业的高速发展，将无人机应用于快递已成为业内的关注焦点。此外无人机普遍具有载荷小、飞行高度低、速度慢、续航时间短等性能劣势，因为作业环境复杂，机体的毁伤频率也比较高，传统的铝合金等金属材质已经远远不能满足无人机在性能方面的发展需求。其飞行过程中的安全性，载荷能力都是一大考验，而续航能力的提升需要从轻量化和电池方面同时抓起。
快递无人机发展离不开碳纤维的应用
据物流行业发展分析，在未来的3-5年，物流的人力及交通成本将上涨20%—50%，在此情况下，无人机物流系统将有很大的应用价值。初步的设想是将快递无人机与自动基站结合使用，在整个货运过程中，自动基站负责货物挑拣、电池更换、维护，无人机则负责向外输送，可以实现24小时连续工作。通常情况下，同一单快递，快递员送货的成本是5元左右，无人机快递则可以省一半以上成本，效率可提高70%。
国内的电商水平位居世界前列，每年的销售额和包裹数量都十分惊人。国内的主打电商为了解决物流最后一站的问题，纷纷试水无人机快递技术。2017年10月31日中午，在福建省莆田市山亭镇，阿里巴巴菜鸟网络试飞了由18只无人机组成的跨海无人机快递群组，在空中呈三角形编队，迎着六七级的阵风，满载湄洲岛居民下单的六箱货品，结果仅耗时9分钟就成功飞越海峡，成功地为农村淘宝提供了多样化的物流服务。
当然，快递无人机在具体的实际应用中还存在着许多问题，比如安全问题，在无人机设计方面这就是个难题，洛桑联邦理工学院推出了一款新型无人机，一次飞行距离可达2千米，专门用来投送不超过500克的包裹。这款无人机能自动避让障碍物，能飞到不平整甚至陡峭的目的地。它最大的创新是它自带保护笼，保护笼由碳纤维复合材料构成，在飞行过程中整个无人机和包裹都处于保护笼中，如果途中遇到任何意外，保护笼都可以起到很好的防护作用；它还能保护收件人不被旋转中的螺旋桨伤到，因为整个螺旋桨结构都处于保护笼内部，而内置的电路会确保只有螺旋桨停止转动后，保护笼才会收起。保护笼的结构参考折纸概念设计，可以一步折叠、快速收起。收起后的无人机体积将缩小92%，可以轻易放入普通背包中。
上述的无人机虽然在安全上有所保障，但是荷载过小，远远不能满足绝大多数的快递运送需求。可运送10公斤以内货物，飞行高度达到300米—500米之间是国内快递对无人机的基本要求。
除了安全问题和荷载能力，还有一个续航能力的问题。目前用于物流的无人机分为油、电两种，使用较多的还是电力无人机。首先，电力无人机价格相对较便宜，售价在几千至上万元不等。燃油的无人机价格则在几万甚至十几万元之间。同时，燃油无人机体型较大、不太灵活，在物流领域中较少使用。从目前正在推广应用的电力无人机来看，平均充电一次后，10分钟可以飞行10公里左右。也就是说，考虑到回程，电力无人机的运送范围在5公里以内。如果作为使用高频率的快递无人机，这种续航能力是远远不够的，这样算来，其续航里程应该达到20公里以上才真正有价值。
针对这些问题，无人机制造商一方面通过优化设计和寄希望于更高品质的电池系统，另一方面更有赖于更大程度上使用轻量化的无人机制造材料。使用轻量化的材料，直接减轻无人机的自重，能够为荷载或者电池部分腾出更多的空间。
虽然现在还受低空物联网系统、空域管制等局限，无人机快递还不能直接应用于消费者终端环节，但是随着无人机技术的进一步发展和市场需求的日益强烈，消费者亲手从无人机上收货在未来很容易实现。
无人机外壳应用碳纤维复合材料优势突显
减轻重量是无人机研究工作中共同关注的焦点。在保证安全的情况下，只有将机体结构重量降下来，才能节约出更多的质量空间来增加燃油或安装电池，增加有效载荷，延长飞行距离和续航时间。
随着碳纤维复合材料在大型军用战斗机及民用客机上的广泛应用，其在无人机上也被认为是解决减轻重量难题的最佳材料选择。与传统的金属材料和复合材料相比，碳纤维复合材料具有比强度和比刚度高、热膨胀系数小、抗疲劳能力和抗振能力强的特点，将它应用于无人机结构中可以减重25%~30%。树脂基复合材料具有结构重量轻、复杂或大型结构易于成型、设计空间大等诸多优点。应用于无人机结构中可以大大改善和提高无人机的综合性能。目前，世界各国都在无人机上大幅度使用以碳纤维复合材料为主的先进复合材料，碳纤维复合材料的应用对无人机结构的轻质化、小型化和高性能化起到了至关重要的作用。
由于无人机在结构设计中不需要考虑人的生理承受能力限制，能更专注的针对无人机的机动性能进行设计，使其在材料选用上具有一些有别于载人飞机的新特点。再加上无人机往往被用来执行空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等特殊任务，也使得碳纤维复合材料在多个方面都体现出了其应用优势。
1、比强度和比刚度大
相比于其他复合材料，在满足无人机机体相同强度和刚度的前提下，碳纤维复合材料高比强度和高比刚度的特性能够大大减轻无人机的机身质量，降低无人机的载荷成本，对无人机结构的轻质化、小型化和高性能化意义重大，以确保无人机拥有更长的飞行距离和飞行时间。
2、可整体一体化成型
无人机往往具有高度翼身融合的飞翼式总体气动外形，需要在结构上采用大面积整体一体化成型技术。而碳纤维复合材料在模拟和仿真计算后，不仅可以通过模压成型、热压罐外固化成型等工艺进行大面积一体化整体成型，可以引入自动化流水线生产工艺，提高效率，大大降低生产制造成本，非常适合大规模制造无人机的机身结构。
3、耐腐蚀和耐热性好
碳纤维复合材料还具有优异的耐腐蚀和耐热性能，能够耐受自然界中的水和多种介质的腐蚀以及热膨胀的影响，可满足无人机各种环境条件下长储存寿命的特殊要求，降低使用维护的寿命周期成本。
4、可植入芯片或合金导体
碳纤维复合材料还可以植入芯片活合金导体，形成具有智能的结构整体，可在恶劣环境下长期使用，且不会破坏植入的设备性能，能够可靠执行特殊任务。
无人机应用碳纤维复合材料减重的几种方法
从材料本身来说，使用碳纤维复合材料至少能比铝合金材料减重30％以上，但是在实际的应用中，要想最大化地体现出碳纤维复合材料的轻量化优势还需从以下几个方面着手。
利用铺层设计减重：
碳纤维复合材料具有高度的各向异性，复合材料纵向（纤维方向）的弹性模量和强度较强，横向（垂直纤维方向）的弹性模量和强度则相对较弱。可以通过铺层结构的合理设计，利用复合材料的非对称和非均衡铺层产生的耦合效应，把复合材料结构刚度和结构弹性完美结合起来，使碳纤维复合材料的优势力学性能方向沿结构的传力路径布置，从而有效利用了每一丝束的承载能力，最大限度地发挥出其力学性能优势。
以无锡智上新材为一款重载四旋翼无人机提供的碳纤维部件为例，这款无人机最大起飞重量为25kg，最大有效载荷为11kg，轴距为1700mm，空载续航为40min，满载续航为20min，客户要求该款无人机的结构强度和结构稳定性安全系数都要达到2.0。这款无人机整体结构主要包括中心板、机臂和起落架这三部分。无锡智上新材主要负责碳纤维机臂和中心板部分的制作。其中，机臂尺寸长610mm，宽37mm、高47mm。
无锡智上新材发现当机臂在使用碳纤维复合材料【0°】7的铺层方案时，机臂的结构强度及稳定性均高于设计强度及稳定性系数2.0的要求。而强度及稳定性过剩必然导致结构材料冗余，增加了无效机重，给飞行效率及成本带来负面影响。因此，必须通过碳纤维复合材料的铺层优化，使机臂既能满足设计强度和稳定性的要求，又能保持相对最低的机体重量。无锡智上新材通过多次实验比较，选择采用碳纤维复合材料【0°】4的铺层方案，这样，单根机臂重量仅有130g，相比【0°】7的铺层减重了60g，整机实现减重240g。同样，在碳纤维复合材料优异的抗拉压性能保证下，中心板也采用碳纤维铺层优化方案，采用上中心板【0°/45°/90°/45°】s，下中心板铺层为【0°/45°/90°】s。这样，整个中心板的重量仅为377g，实现了能满足设计强度及稳定性要求下的最轻重量。
利用夹芯结构减重：
碳纤维复合材料结构构型设计灵活多变，三明治夹芯结构也是一种重要的结构减重方法。三明治夹芯结构就是在相对较厚的芯材两侧贴附薄却有足够刚度的面板，这种结构在承受弯曲载荷时，上下面板之间存在一定的距离，结构上反而能获得更大比例的刚性。以碳纤维增强复合材料作为蒙皮，芯材可选用XPS、EPP、PMI等具有一定硬度和抗压能力的轻质泡沫塑料，使之形成碳纤维-芯材-碳纤维的复合夹芯结构。这种三明治夹芯结构在保持力学性能的同时还能显著减轻重量，尤为重要的是还可以在一定程度上降低成本。这种方法多用于较为大型的无人机机体部件，在碳纤维医疗床板中也较为常见，在小型无人机中也是一种可以考虑的方案。
利用一体化成型工艺减重：
碳纤维复合材料的成型工艺包括：编织缠绕、真空辅助成型、RTM、真空热压罐、模压等等。无人机需要高度翼身融合的飞翼式总体启动外形，所以在气动外形上要尽量做到精准。因此，无锡智上新材建议，使用碳纤维复合材料制作无人机机体时，最好采用大面积的一体化成型工艺。而且，一体化整体成型还可以避免因分片制备部件、拼接组装等带来的连接问题和连接赘重，从而实现结构减重。
从目前情况看，在无人机上使用碳纤维复合材料是减轻机体重量和增强机身机翼结构强度的有效途径，但是这也需要适用于无人机的碳纤维复合材料在材料设计及工艺体系方面进行配合，才能最大化地体现和利用碳纤维复合材料的特殊优势。
主要内容由Carbontech 2018团队调研整理，仅供参考。
了解更多热门应用，关注
联系客服
