Trong lĩnh vực máy bay không người lái theo đuổi hiệu suất cực cao, trọng lượng là kẻ thù vĩnh cửu và sức mạnh cấu trúc là điểm mấu chốt của sự sống còn. Khi các kỹ sư nhìn chằm chằm trên bầu trời, thiên nhiên đã đưa ra một câu trả lời tinh tế: tổ ong. Sự sắp xếp hoàn hảo của hexagons tạo ra sức mạnh và độ cứng đáng kinh ngạc với lượng vật liệu ít nhất. Sự kết tinh của trí tuệ bionics này là bí mật cốt lõi của thiết kế nhẹ không người lái hiện đại - cấu trúc tổ ong nhôm. Khi lá nhôm nhẹ được biến thành một vật liệu cốt lõi cứng như một tảng đá dưới sự khéo léo chính xác, một cuộc cách mạng nhẹ trên bầu trời đã bắt đầu.
1. Cấu trúc tổ ong bằng nhôm: Mã cốt lõi của thiết kế nhẹ
Cấu trúc tổ ong nhôm về cơ bản là một vật liệu composite bánh sandwich:
* Lớp bề mặt (bảng điều khiển): thường được làm bằng các vật liệu mỏng và cường độ cao, chẳng hạn như tấm hợp kim nhôm (2024, 7075, v.v.), vật liệu tổng hợp sợi carbon hoặc vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh. Bảng điều khiển mang tải uốn chính và trong mặt phẳng.
* Lớp lõi: Đó là vật liệu cốt lõi của tổ ong nhôm. Nó được làm từ một số lượng lớn hình lục giác (phổ biến nhất, có các hình dạng khác như các tế bào lá hình lục giác, hình chữ nhật) quá căng được kết nối bằng cách dán hoặc hàn. Vật liệu cốt lõi chủ yếu mang tải trọng cắt và cung cấp các chức năng cốt lõi - tách hai lớp bảng, làm tăng đáng kể thời điểm quán tính của cấu trúc.
Bí mật của nó nhẹ đến từ các nguyên tắc cơ học tinh tế:
* Độ cứng đặc biệt cao và cường độ cụ thể: Độ cứng uốn của cấu trúc bánh sandwich tỷ lệ thuận với bình phương độ dày lõi của nó. Điều này có nghĩa là, với cùng một vật liệu bảng điều khiển, việc tăng độ dày của lõi tổ ong có thể cải thiện đáng kể độ cứng của cấu trúc tổng thể, trong khi việc tăng trọng lượng là tương đối nhỏ. Mật độ của lõi tổ ong nhôm là cực kỳ thấp (thường là trong khoảng 30-150 kg/m³, thấp hơn nhiều so với 2700 kg/m³ nhôm rắn), làm cho toàn bộ cấu trúc bánh sandwich có độ cứng cực cao (độ cứng/mật độ) và cường độ cụ thể (cường độ/mật độ). Đối với các thành phần như bảng thân máy bay không người lái và da cánh chịu tải trọng uốn, đây là một tính năng mơ ước.
* Điện trở nén và cắt tuyệt vời: Cấu trúc hình lục giác của tổ ong có thể phân phối hiệu quả các tải nén và tải trọng được truyền qua bảng điều khiển đến mỗi thành tế bào. Bức tường tổ ong chủ yếu mang lực dọc trục và có hiệu quả sử dụng vật liệu cao. Các lõi tổ ong được thiết kế hợp lý có thể cung cấp khả năng chống nghiền và cắt tuyệt vời.
* Hấp thụ năng lượng: Khi bị ảnh hưởng hoặc va chạm, lõi tổ ong bằng nhôm có thể hấp thụ một lượng lớn năng lượng thông qua biến dạng nghiền có thể kiểm soát của chính nó, bảo vệ hiệu quả thiết bị và cấu trúc bên trong và cải thiện khả năng sống sót của máy bay không người lái.
* Nền tảng tích hợp đa chức năng: Không gian di động kín được hình thành bởi lõi tổ ong cung cấp một kênh tự nhiên để nối dây và lắp đặt thiết bị nhỏ. Bản thân cấu trúc tổ ong cũng có một số đặc tính cách nhiệt và cách nhiệt.
2. Nhôm Honeycomb Vật liệu cốt lõi: Khắc chính xác của quy trình sản xuất
Hiệu suất của vật liệu cốt lõi của tổ ong nhôm phụ thuộc rất nhiều vào quy trình sản xuất của nó:
* Lựa chọn vật liệu: Lá hợp kim nhôm thường được sử dụng bao gồm 3003 (khả năng chống ăn mòn tốt), 5052 (cường độ trung bình, khả năng chống ăn mòn tốt), 2024, 7075 (cường độ cao). Độ dày của lá thường nằm trong khoảng 0,02mm đến 0,1mm, và nó được chọn theo mật độ và cường độ vật liệu cốt lõi cần thiết.
* Quá trình hình thành:
* Phương pháp liên kết/hàn và kéo dài và phương pháp kéo dài: Đây là phương pháp chính thống nhất. Lá nhôm được phủ bằng vật liệu kết dính hoặc hàn được xếp chồng lên nhau trong các khoảng thời gian chính xác và hóa rắn hoặc hàn ở nhiệt độ cao và áp suất để tạo thành một nút rắn. Sau đó, khối xếp chồng được kéo dài theo hướng vuông góc với lá và mở ra để tạo thành cấu trúc lõi tổ ong liên tục. Mật độ vật liệu cốt lõi được xác định bởi độ dày lá và khoảng cách nút (kích thước ô).
* Phương pháp hình thành gấp nếp: Lá nhôm được ép thành một nếp gấp liên tục, và sau đó các tấm tôn được xếp chồng lên nhau và dán lại với nhau để tạo thành cấu trúc tổ ong. Phương pháp này có tính linh hoạt thấp hơn một chút.
* Điều khiển tham số khóa:
* Kích thước tế bào: đề cập đến chiều rộng của các mặt đối diện của hình lục giác tổ ong. Kích thước phổ biến nằm trong khoảng từ 1/8 inch (khoảng 3,2mm) đến 1 inch (khoảng 25,4mm) hoặc thậm chí lớn hơn. Các tế bào nhỏ thường cung cấp cường độ và độ cứng cao hơn, nhưng mật độ có thể cao hơn một chút; Các tế bào lớn nhẹ hơn, nhưng dễ dàng biến dạng dưới áp lực cục bộ.
* Máy đo lá: ảnh hưởng trực tiếp đến độ dày và sức mạnh của bức tường tổ ong. Lá càng dày, cường độ lõi và độ cứng càng cao, và mật độ càng lớn.
* Mật độ lõi: Khối lượng của lõi tổ ong trên một đơn vị thể tích (kg/m³). Đây là chỉ số lõi để đo "trọng lượng" và "cường độ" của vật liệu lõi, được xác định bởi kích thước tế bào và độ dày lá. Một sự cân bằng cần phải được đánh giữa các tính chất cơ học nhẹ và cần thiết.
* Hướng cốt lõi (L so với W): lõi tổ ong là dị hướng trong các tính chất cơ học. Nói chung, tính chất nén và cắt song song với hướng xếp chồng lá (l) tốt hơn so với các đặc điểm vuông góc với hướng xếp chồng (W). Hướng tải chính cần được xem xét trong quá trình thiết kế.
3. Sản xuất cấu trúc bánh sandwich: Nghệ thuật và những thách thức của sự gắn kết
Liên kết mạnh mẽ vật liệu lõi tổ ong bằng nhôm với tấm mặt có độ bền cao là chìa khóa để sản xuất các cấu trúc bánh sandwich hiệu suất cao:
* Lựa chọn chất kết dính: Phim kết cấu cấu trúc hiệu suất cao, chẳng hạn như màng nhựa epoxy, chủ yếu được sử dụng. Khi chọn, cần phải xem xét nhiệt độ bảo dưỡng (đặc điểm trung bình bảo dưỡng khoảng 120 độ hoặc đặc điểm cao trong khoảng 175 độ), độ bền, khả năng chống môi trường (nhiệt ẩm, phun muối, ánh sáng cực tím), khả năng tương thích với vật liệu tấm mặt, v.v.
* Xử lý bề mặt: Điều cần thiết là phải thực hiện xử lý bề mặt nghiêm ngặt (như anod hóa axit photphoric, anod hóa axit cromic hoặc mồi đặc biệt) ở mặt cuối của tấm mặt hợp kim nhôm và vật liệu lõi tổ ong để loại bỏ các chất gây ô nhiễm, tăng diện tích bề mặt, tạo thành bề mặt hoạt động ổn định và đảm bảo chất dính đạt được độ bền tốt nhất.
* Quá trình dán:
* Đặt: Đặt bảng dưới, màng dính, vật liệu lõi tổ ong (thường được lắp ráp trước thành hình cần thiết), màng dính và bảng trên trên khuôn theo trình tự.
* Chữa chữa khỏi túi chân không: niêm phong các thành phần được đặt bằng túi chân không, sơ tán và áp dụng áp suất đồng đều (khoảng 1 khí quyển), sau đó gửi chúng vào nồi hấp hoặc lò nướng. Trong nồi hấp, áp suất bổ sung cao hơn (như khí quyển 3-5) có thể được áp dụng, và các đường cong sưởi ấm, cách nhiệt và làm mát có thể được kiểm soát chính xác để xử lý hoàn toàn chất kết dính và đảm bảo giao diện liên kết không có độ bền cao, không thoát ra giữa bảng và vật liệu cốt lõi. Đây là phương pháp tiêu chuẩn để sản xuất các cấu trúc tổ ong cấp hàng không chất lượng cao.
* Nhấn Curing: Đối với các bộ phận có hình dạng đơn giản hơn và kích thước nhỏ hơn, bảo dưỡng cũng có thể được thực hiện trong một máy ép với một tấm sưởi.
* Chất làm đầy lõi và xử lý cạnh: Để đáp ứng nhu cầu lắp đặt ốc vít, một hợp chất chậu bao gồm nhựa epoxy và microspheres thường được đưa vào các phần cần thiết (như điểm kết nối) để lấp đầy và gia cố. Các cạnh của các tấm bánh sandwich thường được đóng và bảo vệ bằng cấu hình nhôm, cấu hình tổng hợp hoặc dải cạnh đặc biệt.
4. Thách thức thiết kế hạng nhẹ: Tìm sự cân bằng giữa độ nhẹ và sức mạnh
Mặc dù có những lợi thế đáng kể, việc thiết kế và ứng dụng các cấu trúc tổ ong nhôm cũng phải đối mặt với nhiều thách thức:
* Độ nhạy sát thương: Các bảng cấu trúc tổ ong tương đối mỏng và nhạy cảm với các tác động cục bộ (như các công cụ bị rơi, đá bay và mưa đá). Các tác động có thể khiến các tấm bị lõm hoặc thậm chí đâm thủng, hoặc làm cho vật liệu cốt lõi nghiền nát tại điểm tác động. Thiệt hại nghiền nát có thể bị ẩn dưới các tấm và khó phát hiện trực quan (hầu như không có thiệt hại tác động, BVID), nhưng nó sẽ làm suy yếu đáng kể cường độ cấu trúc. Khi thiết kế, cần phải xem xét thêm cốt thép cục bộ hoặc chọn các vật liệu bảng chống va đập nhiều hơn (như vật liệu tổng hợp sợi carbon).
* Sự xâm nhập và ăn mòn độ ẩm: Nếu các niêm phong cạnh hoặc thiệt hại của bảng điều khiển khiến độ ẩm xâm nhập vào lõi tổ ong, sự giãn nở của băng trong môi trường nhiệt độ thấp sẽ mở rộng tổ ong, gây ra "vùi nước" hoặc "tách lõi". Giữ lại độ ẩm lâu dài cũng có thể gây ra sự ăn mòn của tổ ong nhôm. Thiết kế và bảo trì niêm phong tốt là rất cần thiết. Các công nghệ phủ kỵ nước mới đang được giới thiệu để chủ động chống lại sự xói mòn độ ẩm.
* Thiết kế kết nối: Cài đặt các thành phần khác (như giá đỡ động cơ, thiết bị hạ cánh, cảm biến) trên bảng điều khiển bánh sandwich hoặc kết nối giữa các bảng là một khó khăn thiết kế. Nồng độ căng thẳng sẽ xảy ra trong khu vực kết nối, rất dễ gây nghiền nát vật liệu cốt lõi hoặc bong tróc bảng điều khiển. Phương pháp kết nối phải được thiết kế cẩn thận (chẳng hạn như sử dụng ống lót có đường kính lớn, tăng độ dày của bảng điều khiển trong khu vực kết nối, làm đầy vật liệu bầu, sử dụng chồng chéo, v.v.).
* Chi phí: Lá nhôm chất lượng cao, quy trình sản xuất chính xác (đặc biệt là chế tạo nồi hấp), kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt và các quy trình lắp ráp tương đối phức tạp làm cho chi phí sản xuất của các cấu trúc bánh sandwich bằng nhôm tổ ong thường cao hơn so với các cấu trúc kim loại tấm truyền thống. Công nghệ sản xuất tự động và thiết kế tối ưu hóa là chìa khóa để giảm chi phí.
* Mô hình hóa và phân tích độ phức tạp: Mô phỏng chính xác hành vi của các cấu trúc bánh sandwich tổ ong dưới tải trọng phức tạp (uốn, cắt, xoắn, nén, tác động) là một thách thức. Vật liệu cốt lõi thường tương đương với vật liệu đồng nhất và được cung cấp các tính chất cơ học tương đương để phân tích vĩ mô, nhưng để biết các chi tiết như khu vực kết nối và thiệt hại tác động, các mô hình tinh vi hơn (như mô hình chi tiết hoặc sử dụng các đơn vị bánh sandwich chuyên dụng) thường được yêu cầu.
5. Sao trên bầu trời: Các ứng dụng điển hình của tổ ong nhôm trong máy bay không người lái
Cấu trúc tổ ong nhôm đã trở thành giải pháp cấu trúc ưa thích cho máy bay không người lái từ giữa đến cao, đặc biệt là cánh cố định, cất cánh và hạ cánh (VTOL) và máy bay không người lái dài hạn (Hale/nam) do hiệu quả nhẹ tuyệt vời của nó:
* Thân máy bay: Nó tạo thành vỏ thân máy bay (da), vách ngăn, sàn nhà, vách ngăn, v.v. Sự kết hợp của các tấm sợi carbon + vật liệu lõi tổ ong nhôm là cực kỳ phổ biến.
* Cánh/đuôi: Skin trên và dưới, cấu trúc cạnh dẫn và đường mòn, xương sườn cánh và bề mặt điều khiển (ailerons, thang máy, bánh lái) của phần Hộp chính cánh (hộp Spar) sử dụng rộng rãi các cấu trúc bánh sandwich tổ ong. Đây là một trong những phần quan trọng nhất để giảm cân và rất quan trọng để cải thiện thời gian bay và khả năng cơ động. Một loạt các máy bay không người lái nhiếp ảnh trên không cao cấp của DJI sử dụng thiết kế bánh sandwich của các tấm lõi và sợi carbon bằng nhôm trong cấu trúc bên trong của cánh tay của nó, cung cấp độ cứng và khả năng chịu xoắn cần thiết trong việc yêu cầu điều khiển các chuyến bay trong khi giữ trọng lượng ở mức cực thấp.
* Fairings và tán cây: Được sử dụng trong các ngăn động cơ, ngăn thiết bị, vỏ radar, vv Cung cấp hình dạng và bảo vệ khí động học trong khi cần trọng lượng nhẹ. Bìa radar cũng cần đáp ứng các yêu cầu truyền sóng điện từ.
* Giá đỡ bên trong và tấm lắp thiết bị: Được sử dụng để lắp đặt chính xác các thiết bị chính như máy tính điều khiển chuyến bay, đơn vị quán tính IMU, pin, tải trọng quang điện tử, v.v., cung cấp hỗ trợ độ cứng cao để phân lập rung và đảm bảo độ chính xác của thiết bị.
6. Triển vọng trong tương lai: Biên giới đổi mới trên con đường để hạng nhẹ
Nghiên cứu và phát triển và ứng dụng các cấu trúc tổ ong nhôm vẫn đang phát triển:
* Cấu trúc vật liệu cốt lõi lai: Trong cùng một thành phần, theo sự khác biệt về phân phối tải, vật liệu cốt lõi với mật độ khác nhau, kích thước tế bào khác nhau và thậm chí các vật liệu khác nhau (như Honeycomb nhôm và bọt PMI, tổ ong Nomex) được kết hợp để đạt được tỷ lệ hiệu suất trên trọng lượng tốt hơn và hiệu quả chi phí.
* GROGHIENT HONDOIENT Honeycomb: Kích thước tế bào hoặc độ dày giấy bạc thay đổi liên tục trong không gian để phù hợp hơn với sự phân bố ứng suất của thành phần.
* Cấu trúc thông minh và giám sát sức khỏe: nhúng cảm biến sợi quang, cảm biến áp điện, v.v.
* Ứng dụng các vật liệu tiên tiến: Khám phá lá hợp kim nhôm có độ bền cao hơn, tổ ong hợp kim titan (đối với các khu vực nhiệt độ cao) và sự phát triển liên tục của vật liệu bảng (như vật liệu tổng hợp sợi carbon hiệu suất cao hơn và vật liệu tổng hợp dựa trên gốm).
* Sản xuất phụ gia (in 3D): Công nghệ in 3D kim loại cung cấp các khả năng mới cho các vật liệu cốt lõi sản xuất với các cấu hình tối ưu hóa tôpô phức tạp (như cấu trúc mạng bionic) hoặc các chức năng tích hợp, dự kiến sẽ vượt qua các hạn chế của hình dạng tổ ong truyền thống và đạt được độ nhẹ hơn và đa năng.
* Công nghệ sản xuất và kết nối hiệu quả hơn: Phát triển các quy trình bảo dưỡng lát nền tự động, ngoài tự động (OOA), công nghệ thử nghiệm không phá hủy trực tuyến (NDT) đáng tin cậy hơn và các giải pháp kết nối sáng tạo để giảm chi phí và cải thiện hiệu quả sản xuất.
Cấu trúc tổ ong nhôm, sự kết tinh của cảm hứng từ tổ ong, đã trở thành một nền tảng nhẹ không thể thiếu để máy bay không người lái bay lên bầu trời. Nó đạt được một cấu trúc mạnh mẽ với sự nhẹ nhàng của lá, và viết thẩm mỹ kỹ thuật trên bầu trời trong sự đan xen chính xác của vật liệu và cơ học. Mỗi lần giảm cân đều mang lại thời gian bay dài hơn, sự nhanh nhẹn cao hơn và phạm vi dài hơn cho máy bay không người lái; Mỗi tối ưu hóa cấu trúc mở rộng ranh giới của việc khám phá bầu trời của con người. Khi tổ ong nhôm nhẹ thì thầm ở cốt lõi của máy bay không người lái, nó không chỉ mang theo các thiết bị tinh vi, mà còn cả khao khát và chinh phục bầu trời không bao giờ kết thúc của nhân loại.
>Tài liệu tham khảo chính:
>1. Gibson, LJ, & Ashby, MF (1997). * Chất rắn tế bào: Cấu trúc và tính chất* (tái bản lần 2). Nhà xuất bản Đại học Cambridge. *(Nền tảng lý thuyết cổ điển của vật liệu tổ ong)*
>2. Tập đoàn Hexcel. (2023). *Công nghệ thiết kế bánh sandwich tổ ong hexweb*. *(Hướng dẫn kỹ thuật của nhà sản xuất vật liệu cốt lõi hàng đầu thế giới, thiết kế, lựa chọn và ứng dụng)*
>3. Vinson, Jr (2001). *Cấu trúc bánh sandwich: Quá khứ, hiện tại và tương lai*. Trong Jr Vinson & T . - w. Chou (eds.), * Cấu trúc bánh sandwich 7: tiến bộ với các cấu trúc và vật liệu bánh sandwich * (trang . 3-12). Springer. *(Đánh giá về lịch sử phát triển và triển vọng của các cấu trúc bánh sandwich)*
>4. Zenkert, D. (chủ biên). (1995). *Giới thiệu về xây dựng bánh sandwich*. Dịch vụ tư vấn tài liệu kỹ thuật Ltd. (Hướng dẫn thực tế về thiết kế kỹ thuật của các cấu trúc bánh sandwich) *
>5. * Cấu trúc tổng hợp * (tạp chí). Elsevier. *(Một tạp chí quốc tế có tác động cao liên tục xuất bản các kết quả nghiên cứu mới nhất về cấu trúc bánh sandwich, vật liệu tổ ong và thiết kế nhẹ)*