Le cellule degli UAV si riferiscono alla struttura fisica principale di un veicolo aereo senza pilota o drone, su cui sono installati tutti i componenti vitali come sistemi avionici, carichi utili, motori.
La qualità delle cellule dei velivoli dipende dalla natura della missione, dal peso dei carichi utili che deve trasportare e dall'approccio di decollo e atterraggio del drone. Elevata resistenza con il minimo peso possibile, grande capacità di carico del carico utile, eccellente manovrabilità e alta efficienza al volo sono i requisiti essenziali di tutte le cellule dei velivoli. Gli UAV militari richiedono un'elevata resistenza per rimanere in aria per un lungo periodo.
Tutti i moderni droni sono dotati di una serie di sensori e altri sistemi, aumentando inevitabilmente il peso complessivo e riducendo il tempo di volo.
La riduzione del peso, quindi, è fondamentale e per costruire le cellule dei velivoli, i produttori oggi utilizzano materiali non convenzionali come i compositi (generalmente realizzati con fibre e resine), che riducono il peso degli UAV senza comprometterne la resistenza.
Ci sono alcuni dei materiali e compositi comuni utilizzati per le cellule degli UAV:
1. Plastica
La plastica è facile da modellare in oggetti solidi di diverse dimensioni e forme. Più leggera delle leghe metalliche, la plastica ha elevate proprietà malleabili e offre un'elevata resistenza alla corrosione e agli agenti chimici. Ha anche una bassa conduttività elettrica e termica, un'eccellente durata e un elevato rapporto resistenza-peso. La plastica è molto conveniente. Le eliche e gli skid di un drone sono solitamente realizzati in plastica.
2. Leghe di alluminio
L'alluminio è un metallo comune utilizzato per costruire le cellule dei droni. Conosciute per la loro bassa densità e alta resistenza, le leghe di alluminio possono resistere alla corrosione attraverso la passivazione, il che le rende la scelta ideale per l'industria aerospaziale.
3. Compositi
Rispetto all'alluminio, i compositi riducono il peso del 15-45%. Oltre all'elevata resistenza, i compositi sono resistenti alla corrosione dell'acqua salata e all'elettrolisi. In caso di bird strike o incidenti, assorbono l'energia dell'impatto, invece di spostarla nelle unità inferiori. Producono rumore o vibrazioni inferiori rispetto all'alluminio o a qualsiasi altro metallo.
Alcuni dei compositi convenzionali utilizzati per le cellule dei velivoli sono polimeri rinforzati con fibra di carbonio (CFRP), polimeri rinforzati con fibre di vetro (GFRP), polimeri rinforzati con fibre di boro (BFRP) e polimeri rinforzati con fibre aramidiche (AFRP).
a. Polimeri rinforzati con fibra di carbonio (CFRP)
La fibra di carbonio è una combinazione di fibre di carbonio e resine termoindurenti, che offre riduzione del peso, resistenza, maggiore durata e basso ritiro termico. Per creare la fibra di carbonio, gli atomi di carbonio sono allineati parallelamente all'asse principale del filamento. Per uso commerciale, migliaia di filamenti sono avvolti insieme. Le fibre di carbonio sono economiche, più resistenti dell'acciaio, più leggere dell'alluminio e più rigide del titanio. Può essere facilmente prodotto in serie. Hexcel Corporation è uno dei principali attori nello sviluppo di fibre di carbonio. Realizzano la fibra di carbonio HexTow combinando tutti i tipi di resine termoindurenti e termoplastiche.
b. Polimeri rinforzati con fibra di vetro (GFRP)
Il secondo materiale più utilizzato nelle cellule dei velivoli, la fibra di vetro, offre un basso allungamento del materiale e un'elevata resistenza del materiale. Inoltre, è facile da produrre e richiede poca manutenzione. La fibra di vetro è adatta per una varietà di applicazioni grazie alla sua elevata resistenza, maggiore flessibilità, lunga durata, eccellente stabilità ed elevata resistenza al calore, alla temperatura e all'umidità. È leggero e può essere modellato per progettare radome e substrati di antenne. Owens Corning (Stati Uniti) è uno dei principali attori nello sviluppo di polimeri rinforzati con fibra di vetro. Altri produttori leader sono Jushi Group (Cina), Owens Corning (Stati Uniti), Taishan Fiberglass Inc. (Cina), CPIC (Cina), Saint-Gobain Vertex (Francia), Nippon Sheet Glass (Giappone) e Johns Manville (Stati Uniti) , tra gli altri.
c. Polimeri rinforzati con fibra di boro (BFRP)
La fibra di boro è il materiale più resistente e costoso disponibile in commercio per le cellule dei velivoli. BFRP è utilizzato in caccia F-15, bombardieri B-1, elicotteri Black Hawk, navette spaziali e Predator, grazie alla sua eccellente resistenza alla compressione. Questo polimero ha un modulo di elasticità sei volte maggiore rispetto al GFRP. La fibra di boro è utilizzata negli aerei militari statunitensi come F-14 e F-15. L'applicazione limitata della fibra di boro è attribuita alla sua natura tossica, ai costi elevati e alla maggiore fragilità rispetto ad altre fibre. Non è preferito per veicoli terrestri e subacquei. Specialty Materials, Inc. è un produttore leader di prodotti in fibra di boro.
Polimero rinforzato con fibra aramidica.
d. Polimero rinforzato con fibra aramidica (AFRP)
La fibra aramidica è una fibra sintetica che offre un'elevata resistenza agli urti e una maggiore rigidità. Il taglio dell'AFRP richiede un'elevata accuratezza e precisione, il che li rende costosi e difficili da usare. La fibra aramidica è conosciuta in vari nomi commerciali come Nomex (un meta-aramide) o Kevlar (un para-aramide). È ampiamente utilizzato per la balistica militare e le armature, grazie alla sua suscettibilità alla luce, alla compressione e all'igroscopia. Kevlar e Twaron sono le due fibre aramidiche più popolari. Sono utilizzati in componenti di aeromobili, elicotteri, veicoli spaziali, missili, canoe, kayak, motoscafi, freni, frizioni, ecc.
Questi sono alcuni dei principali vantaggi dell'utilizzo di compositi per le cellule degli UAV, invece dei metalli:
- leggero, che segna l'efficienza energetica del drone
- incredibilmente forte e molto da rompere
- resistenza alla corrosione e alla compressione
- Bassi errori di lavorazione
- flessibilità progettuale. Parti complesse facili da fabbricare
- massima rigidità e resistenza
- numero ridotto di assiemi e dispositivi di fissaggio
- maggiori capacità "stealth" con basso assorbimento di radar e microonde
- bassa espansione termica nei voli ad alta quota
- bassa manutenzione
I compositi presentano anche alcuni svantaggi rispetto ai metalli. Sono:
- costoso da costruire
- degrado strutturale ad alta temperatura e condizioni umide
- delaminazione e crepe
- basso assorbimento di energia, con conseguente impatto elevato durante l'atterraggio duro
- processo di fabbricazione ad alta intensità di lavoro e complesso
- maggiori costi di manutenzione