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專題報告

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國內無人機市場規模將超千億,復合材料應用新藍海

波音787復合材料部件問題剖析:客機機身中的復合材料應用如何“避坑”?



無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。機上無駕駛員,但安裝有自動駕駛儀、程序控制裝置等設備。地面、艦艇上或母機遙控站人員通過雷達等設備,對其進行跟蹤、定位、遙控、遙測和數字傳輸。


近年來隨著傳感、遙感、飛控、云臺、計算式視覺、圖像傳輸等相關技術的快速完善,無人機的發展也進入了快車道。其中,無人機的輕量化需求也促使其機體材料不斷地更新換代,繼鋁合金、鈦合金等輕質化金屬材料之后,復合材料為核心的無人機結構設計、制造技術成為無人機發展的關鍵性技術。無人機領域,正成為復合材料應用的新藍海。

國內無人機市場規模將超千億,復合材料應用新藍海

2025年我國無人機市場規模將超千億

由德國無人機研究公司“無人機產業觀察”(Drone Industry Insights)發布的調研數據顯示,2020年,全球無人機市場規模約為225億美元。預計到2025年,全球無人機市場規模將達到428億美元。


無人機市場的火熱也帶動了行業的投資熱情,近年來無人機行業的投資額度大規模增加。根據“無人機產業觀察”的統計,2010-2020年10年間,國際市場無人機投資規模的年均復合增速達到了51.80%,投資額也從2010年的360億美元躍升到23,390億美元,增幅超過60倍。


按應用領域的不同,無人機可分為軍用無人機和民用無人機兩大類。軍用無人機主要包括偵查無人機、攻擊無人機、誘餌無人機以及貨運無人機,與有人機相比具有人員零傷亡、性能優越、成本低等顯著特點,已逐步成為現代戰爭重要武器。


民用無人機可進一步分為工業級無人機和消費級無人機,消費級無人機多用于個人航拍,工業無人機應用領域廣泛,主要包括:電力巡檢、應急救援、航空攝影、水利應用、農藥噴灑、航空測繪、管線巡查、海事監察、農業林業、物流運輸、交通管制、氣象監測、反恐防暴等。


根據前瞻產業研究院的數據顯示,從市場規模的變化看,2015-2019 年,我國無人機總市場規模增長迅速,年均增長速度達到49%。從細分領域市場規模來看,民用無人機市場規模增長速度更快,年均增速達72%,軍用無人機年均增速在28%左右。


隨著5G網絡的出現并普及,將解除目前無人機應用在網絡方面的限制,這將在很大程度上提升無人機全行業需求,進一步促進我國無人機產業快速增長。伴隨5G的正式商用以及5G網絡建設的快速推進,未來我國無人機市場規模有望進一步擴大。根據前瞻產業研究院數據,預計2025年,我國無人機市場總規模將會達到約1500億元,2020-2025年年均復合增速約為28.6%。



無人機復合材料化成趨勢

無人機要求結構重量輕,從而可減少電池或燃油消耗,延長航時,也可安裝更多的設備,提高無人機的綜合性能。無人機應用復合材料可以減重25%-30%,如碳纖維環氧樹脂復合材料與鋁合金相比,在同等結構強度和剛度時,可以減少25%的重量;采用泡沫夾層玻璃纖維制造小型無人機機體結構,由于泡沫密度較低,約為0.2g/cm3 ,相比于鋁合金減重更多。目前,無人機復合材料用量一般占機體結構總重的60%-80%,應用比例明顯超過有人飛機,甚至出現全復合材料無人機,比如美國“捕食者”無人機,包括碳纖維在內的復合材料用量約為結構總重的92%。


復合材料在無人機應用上具有天然優勢。一方面,復合材料具有較高的比強度和比剛度,這兩個參數越高,說明剛度和強度越大,且重量更輕。復合材料應用于無人機,能在較高的比剛度和比強度的特定要求下,減輕機身重量,同時加大了無人機的載荷量,推進了無人機往輕量化,高性能化方向的發展,也更利于減小無人機的體積。在滿足相同剛度和強度的同時,增強了無人機的續航時間和飛行距離。另一方面,復合材料具有較好的可設計性,在設計制造上,可以實現無人機翼身融合的大面積整體成型。從氣動性能來說,無人機在外形上需要高度翼身融合,這就要求在結構設計上保證主要部分一體化成型。在制造過程中,模擬和仿真計算后,可通過模壓成型、熱壓罐外固化成型或樹脂傳遞模塑成型等工藝進行大面積一體化整體成型;另外,還可以引入自動化流水線生產工藝,提高效率,大大降低生產制造成本,非常適合大規模制造無人機的機身結構。


成本及維修阻礙批量應用
高昂的制造成本是限制復合材料批量應用的關鍵因素之一。與有人機相比,無人機一個重要的優勢就是成本相對較低,因此,無論哪種類型的無人機要大面積采用復合材料,都必須降低制造成本。

此外,如何對無人機上復合材料結構進行維修,也是一個較為突出的問題。美國國家航空航天局認為,阻礙復合材料進一步發展應用的主要問題之一就是復合材料的維修問題,包括維修方法、維修成本、維修用料的供應和貯存等具體問題。復合材料無人機在加工和使用過程中,不可避免地會出現各類損傷,如何對無人機上復合材料結構件進行進行維修,成為復合材料在無人機領域應用的一大阻礙。

雖然近30年來,國內外許多學者已在復合材料結構維修方面開展了一系列有益的工作,然而仍有很多不如人意的地方,比如工藝復雜不利于外場維修、快速維修技術成熟度不高、維修強度恢復率低、維修結構評定標準不統一等。這些障礙的逾越有賴于材料、設計和制造技術的共同進步,但可以預見的是,隨著復合材料的應用越來越廣泛,復合材料結構維修技術一定會得到長足的發展。

總之,無人機復合材料化已是目前和今后的一個發展趨勢,國外無人機在機體結構上大量采用低成本、輕質高強度復合材料,并在材料、機體結構整體化設計、分析和制造技術等方面取得了快速發展與提高,使得無人機結構設計和制造技術已發生了深刻的變革,這也將大力推動復合材料無人機產品的普及。


本文由中國復合材料工業協會綜編,文章不用于商業目的,僅供行業人士交流。轉載請注明來自中國復合材料工業協會。


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