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国内无人机市场规模将超千亿,复合材料应用新蓝海

波音787复合材料部件问题剖析:客机机身中的复合材料应用如何“避坑”?



无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。机上无驾驶员,但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备,对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。


近年来随着传感、遥感、飞控、云台、计算式视觉、图像传输等相关技术的快速完善,无人机的发展也进入了快车道。其中,无人机的轻量化需求也促使其机体材料不断地更新换代,继铝合金、钛合金等轻质化金属材料之后,复合材料为核心的无人机结构设计、制造技术成为无人机发展的关键性技术。无人机领域,正成为复合材料应用的新蓝海。

国内无人机市场规模将超千亿,复合材料应用新蓝海

2025年我国无人机市场规模将超千亿

由德国无人机研究公司“无人机产业观察”(Drone Industry Insights)发布的调研数据显示,2020年,全球无人机市场规模约为225亿美元。预计到2025年,全球无人机市场规模将达到428亿美元。


无人机市场的火热也带动了行业的投资热情,近年来无人机行业的投资额度大规模增加。根据“无人机产业观察”的统计,2010-2020年10年间,国际市场无人机投资规模的年均复合增速达到了51.80%,投资额也从2010年的360亿美元跃升到23,390亿美元,增幅超过60倍。


按应用领域的不同,无人机可分为军用无人机和民用无人机两大类。军用无人机主要包括侦查无人机、攻击无人机、诱饵无人机以及货运无人机,与有人机相比具有人员零伤亡、性能优越、成本低等显著特点,已逐步成为现代战争重要武器。


民用无人机可进一步分为工业级无人机和消费级无人机,消费级无人机多用于个人航拍,工业无人机应用领域广泛,主要包括:电力巡检、应急救援、航空摄影、水利应用、农药喷洒、航空测绘、管线巡查、海事监察、农业林业、物流运输、交通管制、气象监测、反恐防暴等。


根据前瞻产业研究院的数据显示,从市场规模的变化看,2015-2019 年,我国无人机总市场规模增长迅速,年均增长速度达到49%。从细分领域市场规模来看,民用无人机市场规模增长速度更快,年均增速达72%,军用无人机年均增速在28%左右。


随着5G网络的出现并普及,将解除目前无人机应用在网络方面的限制,这将在很大程度上提升无人机全行业需求,进一步促进我国无人机产业快速增长。伴随5G的正式商用以及5G网络建设的快速推进,未来我国无人机市场规模有望进一步扩大。根据前瞻产业研究院数据,预计2025年,我国无人机市场总规模将会达到约1500亿元,2020-2025年年均复合增速约为28.6%。



无人机复合材料化成趋势

无人机要求结构重量轻,从而可减少电池或燃油消耗,延长航时,也可安装更多的设备,提高无人机的综合性能。无人机应用复合材料可以减重25%-30%,如碳纤维环氧树脂复合材料与铝合金相比,在同等结构强度和刚度时,可以减少25%的重量;采用泡沫夹层玻璃纤维制造小型无人机机体结构,由于泡沫密度较低,约为0.2g/cm3 ,相比于铝合金减重更多。目前,无人机复合材料用量一般占机体结构总重的60%-80%,应用比例明显超过有人飞机,甚至出现全复合材料无人机,比如美国“捕食者”无人机,包括碳纤维在内的复合材料用量约为结构总重的92%。


复合材料在无人机应用上具有天然优势。一方面,复合材料具有较高的比强度和比刚度,这两个参数越高,说明刚度和强度越大,且重量更轻。复合材料应用于无人机,能在较高的比刚度和比强度的特定要求下,减轻机身重量,同时加大了无人机的载荷量,推进了无人机往轻量化,高性能化方向的发展,也更利于减小无人机的体积。在满足相同刚度和强度的同时,增强了无人机的续航时间和飞行距离。另一方面,复合材料具有较好的可设计性,在设计制造上,可以实现无人机翼身融合的大面积整体成型。从气动性能来说,无人机在外形上需要高度翼身融合,这就要求在结构设计上保证主要部分一体化成型。在制造过程中,模拟和仿真计算后,可通过模压成型、热压罐外固化成型或树脂传递模塑成型等工艺进行大面积一体化整体成型;另外,还可以引入自动化流水线生产工艺,提高效率,大大降低生产制造成本,非常适合大规模制造无人机的机身结构。


成本及维修阻碍批量应用
高昂的制造成本是限制复合材料批量应用的关键因素之一。与有人机相比,无人机一个重要的优势就是成本相对较低,因此,无论哪种类型的无人机要大面积采用复合材料,都必须降低制造成本。

此外,如何对无人机上复合材料结构进行维修,也是一个较为突出的问题。美国国家航空航天局认为,阻碍复合材料进一步发展应用的主要问题之一就是复合材料的维修问题,包括维修方法、维修成本、维修用料的供应和贮存等具体问题。复合材料无人机在加工和使用过程中,不可避免地会出现各类损伤,如何对无人机上复合材料结构件进行进行维修,成为复合材料在无人机领域应用的一大阻碍。

虽然近30年来,国内外许多学者已在复合材料结构维修方面开展了一系列有益的工作,然而仍有很多不如人意的地方,比如工艺复杂不利于外场维修、快速维修技术成熟度不高、维修强度恢复率低、维修结构评定标准不统一等。这些障碍的逾越有赖于材料、设计和制造技术的共同进步,但可以预见的是,随着复合材料的应用越来越广泛,复合材料结构维修技术一定会得到长足的发展。

总之,无人机复合材料化已是目前和今后的一个发展趋势,国外无人机在机体结构上大量采用低成本、轻质高强度复合材料,并在材料、机体结构整体化设计、分析和制造技术等方面取得了快速发展与提高,使得无人机结构设计和制造技术已发生了深刻的变革,这也将大力推动复合材料无人机产品的普及。


本文由中国复合材料工业协会综编,文章不用于商业目的,仅供行业人士交流。转载请注明来自中国复合材料工业协会。


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