碳纖維在NASA無人機中的新應用

美國宇航局(NASA)的“機智”號太陽能小型雙旋翼無人機于于美東時間2021年4月19日凌晨3時34分在火星上升空,本次飛行高高度達10英尺,并保持穩定盤旋30秒,之后開始下降,并在火星表面著陸,飛行共經歷39.1秒。根據美東時間當日上午6時46分,通過“毅力”號火星探測器向地球傳回的數據顯示,該架無人機順利完成了次飛行任務,這也是架在其他星球上完成動力飛行的旋翼飛機。
機
  “機智”號無人機能夠順利完成火星上的飛行任務,這與碳纖維復合材料優異的材料性能密切相關。國內碳纖維零部件制造商智上新材料為眾多無人機品牌提供碳纖維零部件的來圖定制服務,其就碳纖維無人機零部件的基本特征對NACA雙旋翼無人機進行了相關解讀:
  1.強度高、負荷大,保證超大裝載。
  碳纖維復合材料的抗拉強度是鋼的7-9倍,比強度和比模量也遠遠優于鋼材這類金屬材料,在很多領域一直都被用作增強體。此次的“機智”號無人機肩負著極為復雜的火星勘測任務,其機身內裝載了微型計算機、鋰電池、傳感器和攝像頭等基礎設備,以及慣導、激光測高計、傾斜計、加速度計、陀螺儀等儀器,此外,還附帶一塊太陽能電池板為鋰電池進行充電,總得說來,荷載壓力是比較大的。該無人機的共軸反向雙旋翼螺旋槳是由碳纖維泡沫夾心結構制成,四根支撐腿選用的也是碳纖維復合材料。得益于碳纖維復合材料的高強度,能夠有效保證所有機載物體的安全。
 
  2.極輕的自重,大程度節省動力,延長飛行時長。
  碳纖維材料密度小,其比重還不到鋼的四分之一,作為先進的航空材料,其也是現代工業制造中的“減重利器”?;鹦谴髿饷芏戎挥械厍虻?.6%,雖然火星引力偏低,僅為地球的38%,但無人機仍然需要有足夠動力才能離開火星表面,所以無人機機體必須更加輕巧。據官方公布的資料顯示,NASA飛赴火星的這架雙旋翼無人機直徑為1.2 米,高0.5米,但無人機自重僅約1.8千克,速度可達到2277轉/分鐘以上。碳纖維賦予該無人機更輕的自重,從而成就了理想的續航能力。據悉,該無人機的動力源主要來自于太陽能充電,因此可以在每個火星日飛行一次,每次持續約90秒,飛行距離長300米,飛行高度高可達5米。
 
  3.耐候性好,有極強的環境適應能力。
  碳纖維復合材料在較大溫差中蠕變小,耐腐蝕,適宜在惡劣的工作環境中使用?;鹦堑拇髿鈱臃浅O”?,只有地球密度的1%,非常干燥,溫度低,表面平均溫度為零下55℃,水和二氧化碳易凍結,地表沙丘、礫石遍布,可以說是沙漠行星。在這顆紅色星球上飛行并不容易,無人機的機體材料不僅要面對低溫還要應對其它不可抗的未知氣候因素。據悉,“機智”號的設計規格不僅符合航天器標準,還能夠承受火箭發射過程中產生的重力和振動,特有的抗輻射系統和優良的材料性能保障了它在嚴寒的火星環境中的正常運行。