Les cellules d'UAV font référence à la structure physique principale d'un véhicule aérien sans pilote ou d'un drone, sur laquelle tous les composants vitaux tels que les systèmes avioniques, les charges utiles, les moteurs sont installés.
La qualité des cellules dépend de la nature de la mission, du poids des charges utiles qu'elle doit transporter et de l'approche de décollage et d'atterrissage du drone. Une résistance élevée avec un poids minimum possible, une grande capacité de charge utile, une excellente maniabilité et une efficacité élevée en vol stationnaire sont les exigences essentielles de toutes les cellules. Les drones militaires nécessitent une grande endurance pour rester en l'air pendant une longue période.
Tous les drones modernes sont équipés d'un ensemble de capteurs et d'autres systèmes, augmentant inévitablement le poids total et réduisant le temps de vol.
La réduction de poids est donc essentielle, et pour construire les cellules, les fabricants utilisent aujourd'hui des matériaux non conventionnels tels que les composites (généralement fabriqués à partir de fibres et de résines), qui réduisent le poids des drones sans compromettre leur résistance.
Il existe certains des matériaux et composites couramment utilisés pour les cellules des drones :
1. Plastique
Le plastique est facile à mouler en objets solides de différentes tailles et formes. Plus léger que les alliages métalliques, le plastique a des propriétés malléables élevées et offre une grande résistance à la corrosion et aux produits chimiques. Il a également une faible conductivité électrique et thermique et une excellente durabilité et un rapport résistance/poids élevé. Le plastique est très économique. Les hélices et les patins d'un drone sont généralement en plastique.
2. Alliages d'aluminium
L'aluminium est un métal couramment utilisé pour construire des cellules de drones. Connus pour leur faible densité et leur haute résistance, les alliages d'aluminium peuvent résister à la corrosion par passivation, ce qui en fait un choix idéal pour l'industrie aérospatiale.
3. Composites
Par rapport à l'aluminium, les composites réduisent le poids de 15 à 45 %. Outre leur haute résistance, les composites résistent à la corrosion due à l'eau salée et à l'électrolyse. En cas d'impacts d'oiseaux ou d'accidents, ils absorbent l'énergie d'impact au lieu de la transférer vers les unités inférieures. Ils produisent moins de bruit ou de vibrations que l'aluminium ou tout autre métal.
Certains des composites conventionnels utilisés pour les cellules sont les polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP), les polymères renforcés de fibres de verre (GFRP), les polymères renforcés de fibres de bore (BFRP) et les polymères renforcés de fibres d'aramide (AFRP).
a. Polymères renforcés de fibre de carbone (CFRP)
La fibre de carbone est une combinaison de fibres de carbone et de résines thermodurcissables, offrant une réduction de poids, une résistance, une durabilité accrue et un faible retrait thermique. Pour créer la fibre de carbone, les atomes de carbone sont alignés parallèlement à l'axe principal du filament. Pour un usage commercial, des milliers de filaments sont enroulés ensemble. Les fibres de carbone sont économiques, plus résistantes que l'acier, plus légères que l'aluminium et plus rigides que le titane. Il peut être facilement produit en série. Hexcel Corporation est l'un des principaux acteurs du développement des fibres de carbone. Ils fabriquent la fibre de carbone HexTow en combinant tous les types de résines thermodurcissables et thermoplastiques.
b. Polymères renforcés de fibre de verre (GFRP)
Le deuxième matériau le plus utilisé dans les cellules, la fibre de verre, offre un faible allongement du matériau et une résistance élevée du matériau. De plus, il est facile à produire et nécessite peu d'entretien. La fibre de verre convient à une variété d'applications en raison de sa haute résistance, de sa flexibilité accrue, de sa longue durabilité, de son excellente stabilité et de sa haute résistance à la chaleur, à la température et à l'humidité. Il est léger et peut être moulé pour concevoir des radômes et des substrats d'antenne. Owens Corning (États-Unis) est l'un des principaux acteurs du développement de polymères renforcés de fibres de verre. Les autres principaux fabricants sont Jushi Group (Chine), Owens Corning (États-Unis), Taishan Fiberglass Inc. (Chine), CPIC (Chine), Saint-Gobain Vertex (France), Nippon Sheet Glass (Japon) et Johns Manville (États-Unis). , entre autres.
c. Polymères renforcés de fibres de bore (BFRP)
La fibre de bore est le matériau le plus solide et le plus cher disponible dans le commerce pour les cellules. Le BFRP est utilisé dans les chasseurs F-15, les bombardiers B-1, les hélicoptères Black Hawk, les navettes spatiales et Predator, en raison de son excellente résistance à la compression. Ce polymère a six fois plus de module d'élasticité que le GFRP. La fibre de bore est utilisée dans les avions militaires américains tels que les F-14 et F-15. L'application limitée de la fibre de bore est attribuée à sa nature toxique, à ses coûts élevés et à sa fragilité accrue par rapport aux autres fibres. Il n'est pas préféré pour les véhicules terrestres et sous-marins. Specialty Materials, Inc. est l'un des principaux fabricants de produits en fibre de bore.
Polymère renforcé de fibres d'aramide.
d. Polymère renforcé de fibres d'aramide (AFRP)
La fibre aramide est une fibre synthétique qui offre une résistance élevée aux chocs et une rigidité accrue. La coupe d'AFRP nécessite une précision et une précision élevées, ce qui les rend coûteuses et difficiles à utiliser. La fibre d'aramide est connue sous divers noms commerciaux tels que Nomex (un méta-aramide) ou Kevlar (un para-aramide). Il est largement utilisé pour la balistique militaire et les gilets pare-balles, en raison de sa sensibilité à la lumière, à la compression et à l'hygrométrie. Le Kevlar et le Twaron sont les deux fibres d'aramide les plus populaires. Ils sont utilisés dans les composants d'avions, les hélicoptères, les véhicules spatiaux, les missiles, les canoës, les kayaks, les bateaux à moteur, les freins, les embrayages, etc.
Voici quelques-uns des principaux avantages de l'utilisation de composites pour les cellules d'UAV, au lieu de métaux :
- léger, marquant l'efficacité énergétique du drone
- incroyablement solide et très difficile à casser
- résistance à la corrosion et à la compression
- faibles erreurs d'usinage
- flexibilité de conception. Pièces complexes faciles à fabriquer
- rigidité et résistance maximales
- moins de nombre d'assemblages et de fixations
- capacités "furtives" supérieures avec faible absorption radar et micro-ondes
- faible dilatation thermique dans les vols à haute altitude
- peu d'entretien
Les composites présentent également certains inconvénients par rapport aux métaux. Ce sont :
- coûteux à construire
- dégradation structurelle à haute température et conditions humides
- délaminage et fissures
- faible absorption d'énergie, entraînant un impact important lors d'un atterrissage brutal
- Processus de fabrication complexe et exigeant en main-d'œuvre
- coût de maintenance plus élevé