UAV-flygplan hänvisar till den huvudsakliga fysiska strukturen hos ett obemannat flygfordon eller drönare, på vilken alla viktiga komponenter som flygelektroniksystem, nyttolaster, motorer är installerade.
Kvaliteten på flygplan beror på uppdragets karaktär, vikten av nyttolaster som den måste bära och drönarens start och landning. Hög styrka med minsta möjliga vikt, stor lastkapacitet, utmärkt manövrerbarhet och hög svävningseffektivitet är det väsentliga kravet för alla flygplan. Militära UAV:er kräver hög uthållighet för att hålla sig i luften under en lång period.
Alla moderna drönare är utrustade med en rad sensorer och andra system, vilket oundvikligen ökar den totala vikten och minskar flygtiden.
Viktminskning är därför avgörande, och för att bygga flygplanen använder tillverkare idag icke-konventionella material som kompositer (vanligtvis tillverkade av fibrer och hartser), som minskar vikten på UAV utan att kompromissa med deras styrka.
Det finns några av de vanliga materialen och kompositerna som används för UAV-flygplan:
1. Plast
Plast är lätt att forma till fasta föremål av olika storlekar och former. Lättare än metallegeringar, plast har höga formbara egenskaper och ger hög motståndskraft mot korrosion och kemikalier. Den har också låg elektrisk och termisk ledningsförmåga och utmärkt hållbarhet och högt förhållande mellan styrka och vikt. Plast är mycket kostnadseffektivt. Propellrar och medar på en drönare är vanligtvis gjorda av plast.
2. Aluminiumlegeringar
Aluminium är en vanlig metall som används för att konstruera drönarflygplan. Känd för sin låga densitet och höga hållfasthet kan aluminiumlegeringar motstå korrosion genom passivering, vilket gör det till ett idealiskt val för flygindustrin.
3. Kompositer
Jämfört med aluminium minskar kompositer vikten med 15-45%. Förutom hög hållfasthet är kompositer resistenta mot korrosion från saltvatten och elektrolys. Vid fågelangrepp eller olyckor absorberar de stötenergin istället för att flytta den till de lägre enheterna. De producerar lägre ljud eller vibrationer i motsats till aluminium eller någon annan metall.
Några av de konventionella kompositerna som används för flygplan är kolfiberförstärkta polymerer (CFRP), glasfiberförstärkta polymerer (GFRP), borfiberförstärkta polymerer (BFRP) och aramidfiberförstärkta polymerer (AFRP).
a. Kolfiberförstärkta polymerer (CFRP)
Kolfiber är en kombination av kolfibrer och härdplaster, vilket ger viktminskning, styrka, förbättrad hållbarhet och låg termisk krympning. För att skapa kolfiber är kolatomer inriktade parallellt med filamentets huvudaxel. För kommersiellt bruk lindas tusentals filament ihop. Kolfibrer är kostnadseffektiva, starkare än stål, lättare än aluminium och styvare än titan. Den kan enkelt serietillverkas. Hexcel Corporation är en av de ledande aktörerna inom utveckling av kolfiber. De tillverkar HexTow kolfiber genom att kombinera alla typer av härdplaster och termoplaster.
b. Glasfiberförstärkta polymerer (GFRP)
Det näst mest använda materialet i flygplan, Glasfiber, erbjuder låg materialförlängning och hög materialhållfasthet. Dessutom är den lätt att tillverka och kräver lite underhåll. Glasfiber är lämplig för en mängd olika applikationer på grund av sin höga hållfasthet, ökade flexibilitet, långa hållbarhet, utmärkta stabilitet och höga motståndskraft mot värme, temperatur och fukt. Den är lätt och kan gjutas för att designa radomer och antennsubstrat. Owens Corning (USA) är en av de ledande aktörerna inom utveckling av glasfiberförstärkta polymerer. Andra ledande tillverkare är Jushi Group (Kina), Owens Corning (USA), Taishan Fiberglass Inc. (Kina), CPIC (Kina), Saint-Gobain Vertex (Frankrike), Nippon Sheet Glass (Japan) och Johns Manville (USA) bland annat.
c. Boron Fiber Reinforced Polymers (BFRP)
Borfiber är det starkaste och dyraste materialet kommersiellt tillgängligt för flygplan. BFRP används i F-15 stridsflygplan, B-1 bombplan, Black Hawk helikoptrar, rymdfärjor och Predator, på grund av dess utmärkta tryckstyrka. Denna polymer har sex gånger högre elasticitetsmodul jämfört med GFRP. Borfiber används i amerikanska militärflygplan som F-14 och F-15. Den begränsade användningen av borfiber tillskrivs dess giftiga natur, höga kostnader och ökade sprödhet jämfört med andra fibrer. Det är inte att föredra för mark- och undervattensfordon. Specialty Materials, Inc. är en ledande tillverkare av borfiberprodukter.
Aramidfiberförstärkt polymer.
d. Aramid Fiber Armed Polymer (AFRP)
Aramidfiber är en syntetfiber som erbjuder hög slagtålighet och ökad styvhet. Att skära AFRP kräver hög noggrannhet och precision, vilket gör dem dyra och svåra att använda. Aramidfiber är känd i olika handelsnamn som Nomex (en meta-aramid) eller Kevlar (en para-aramid). Det används allmänt för militär ballistik och kroppsrustningar, på grund av dess känslighet för ljus, kompression och hygroskopi. Kevlar och Twaron är de två mest populära aramidfibrerna. De används i flygplanskomponenter, helikoptrar, rymdfarkoster, missiler, kanoter, kajaker, motorbåtar, bromsar, kopplingar, etc.
Det här är några av de viktigaste fördelarna med att använda kompositer för UAV-flygplan istället för metaller:
- lätt, vilket markerar att drönaren är energieffektiv
- otroligt stark och väldigt tvungen att bryta
- motstånd mot korrosion och kompression
- låga bearbetningsfel
- designflexibilitet. Lätt att tillverka intrikata delar
- maximal styvhet och styrka
- mindre antal sammansättningar och fästelement
- högre "stealth"-kapacitet med låg radar- och mikrovågsabsorption
- låg termisk expansion vid flygningar på hög höjd
- lågt underhåll
Kompositer har också vissa nackdelar jämfört med metaller. De är:
- dyrt att bygga
- strukturell nedbrytning vid höga temperaturer och våta förhållanden
- delaminering och sprickor
- låg energiabsorption, vilket resulterar i hög stöt vid hård landning
- arbetsintensiv och komplex tillverkningsprocess
- högre underhållskostnad