科技强军!军用无人机与复合材料珠联璧合,重塑现代作战模式

时间2022-08-05

导读:

21世纪起,计算机、AI智能、大数据、自动化等高新技术产业逐渐登上世界舞台得到大众的认可,我国在生活方面应用了不少新兴技术,与此同时国防军事方面也不敢有懈怠,军事领域应用无人机得到了各国的认可,未来的发展是数据与数据,机器人与机器人之间的竞争。近些年来军用无人机已经发展到具有可进行侦察、进行电子干扰、对战场进行评估的功能。而无人机的广泛应用,也带动了无人驾驶复合材料市场的发展。

由于无人机在结构设计中不需要考虑人的生理承受能力限制,能更专注的针对无人机的机动性能进行设计,使其在材料选用上具有—些有别于载人飞机的新特点。再加上无人机往往被用来执行空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等特殊任务,也使得碳纤维复合材料在多个方面都体现出了其应用优势。

碳纤维复合材料以其特有的性能,广泛运用在国防航空领域。碳纤维质轻、强度大、刚度大、耐热耐腐蚀,因此在无人机风靡的时候,科技研发人员也在考虑把碳纤维复合材料运用到无人机的外壳当中。可以更好地减轻质量。

无人机及复合材料的市场规模

无人机市场目前已细分为无人机(UAV)、无人地面车辆(UGV)、无人水面航行器(USV)、无人水下航行器(UUV)、遥控航行器(ROV)、载人无人机等。在全球市场,无人机正在从一个消费者产品逐步渗透到各行各业的应用当中,市场规模稳步扩大。根据Drone Industry Insights公布的调研数据显示,2019年全球无人机市场规模180亿美元,其中复合材料市场规模为10.644亿美元,2020年全球无人机市场规模约为225亿美元,复合材料市场规模为12.241亿美元。复合材料市场规模预计到2027年将达到32.223亿美元,复合年增长率为14.8%。

无人机按照其应用领域的不同可以分为军用无人机与民用无人机。在发展早期,无人机行业的应用基本在军用领域,2015年以来,随着民用无人机技术的不断完善,其在农林植保、电力巡检、地理测绘、航拍等方面的应用越来越常态化,无人机行业中民用无人机市场的占比份额也逐年上升。

根据Drone Industry Insights机构发布的数据显示,2019年全球军用无人机市场规模为117.45亿美元,占比约为65.25%,民用无人机市场规模为62.55亿美元,占比约34.75%,前瞻初步统计2020年,全球军用无人机市场规模约占65%,民用无人机市场规模约占35%。

图表1:2008-2020年全球无人机行业投资规模情况(单位:亿美元。)资料来源:Drone Industry Insights


图表2:2020年全球无人机市场应用结构预测值(单位:%)资料来源:Drone Industry Insights

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Drone Industry Insights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360亿美元拔升到了23390亿美元,增幅超过了60倍。

各国无人机发展与市场占比

虽然世界各国都极其重视无人机技术的研发,并且均投入了大量资源,但总体来看,世界无人机技术的发展并不均衡。Drone Industry Insights表示,2019年,美国和中国的商用无人机市场规模占全球商用无人机市场规模的三分之二以上。此外,根据Markets Research Report公布的2019年全球军用无人机市场份额来看,当今在军事无人机领域的世界领先者为美国和以色列,分别占45%和24%的份额。

从20世纪80年代后期起,尤其是海湾战争以后,许多国家都把无人机置于优先发展的地位,竞相研制和装备无人机系统。特别是近几年来,参与研制和装备无人机的国家呈现大幅度增长的趋势。全世界装备无人机的国家和地区已由30多个增加到80个。目前,世界无人机技术最为先进的是美国、以色列和欧洲,处于第一梯队;而中国、俄罗斯等处于第二梯队。近10年中国相继研发出各款尖端无人机,目前己拥有美国所有类型的尖端无人机,追赶势头强劲。技术水平决定市场份额,从全球各国无人机制造商的市场份额来看,世界无人机的主要制造商集中在美国,以色列和欧洲。

对复合材料减重的需求是推动欧洲国家无人驾驶复合材料市场的主要因素之一;此外,欧洲对复合材料研发的投资增加是市场增长的原因。由于德国、法国、英国和俄罗斯等国家的先进生产商的存在,欧洲在2019年无人复合材料市场占比也是最大的,达到37.5%。位于这些国家的无人系统OEM增加了交付量,这反过来又支持了对复合材料的需求。由于国防部门预算分配的增加和技术的快速进步,北美地区的市场在2019年占据了第二大市场份额。

未来全球无人机行业将迎来快速增长的阶段,据Drone Industry Insights预测2025年市场规模将达到428亿美元,年均复合增长率达到13.8%;到2025年,亚洲市场将成为全球最大的无人机市场,无人机规模将达到179亿美元,北美地区无人机规模将达118亿美元。按此复合增长率预测到2026年全球无人机市场规模有望超过480亿美元。

图表3:全球各地区无人机市场规模增长预测

复合材料在无人机中的应用市场

由于无人机(UAV)、无人水面航行器(USV)、无人地面航行器(UGV)和自主水下航行器(AUV)的应用越来越多,无人驾驶复合材料市场的需求量很大。对于无人领域的复合材料来说,轻型无人系统的需求不断增长、复合材料耐久性更好、对无人复合材料的投资增加以及通过使用复合材料提高无人系统性能等因素推动了市场需求。例如广泛用于各种军事任务的无人机,专门用于空中监视、执法、搜救、武装攻击、侦察和海上巡逻。这些无人机使用硼纤维和芳纶纤维等特殊复合材料,因此对复合材料的需求正在增加。在用于商业用途的无人机中应用复合材料的一个显著优势是支持长期、持久的系统,专业提供广域Wi-Fi网络连接。这种无人系统将是太阳能供电的,并且可以通过不间断的网络连接为更大的区域服务数周。

由于复合材料显著的优势,对于无人机用复合材料布局已经火热。根据Emergen Research的最新评估,由于对无人系统的投资增加,无人复合材料市场正在出现高需求,到2027年,全球无人复合材料市场预计价值32.223亿美元。

其中,无人驾驶碳纤维增强聚合物 (CFRP) 复合材料在2019年占无人复合材料市场的最大市场份额超过44.0%,并且预计在预测期内将以最高的复合年增长率增长。CFRP轻质高强耐用,其具有可减轻重量、提高耐用性、提高强度和降低热收缩率的特点。与钢相比,CFRP具有成本效益和弹性,与铝相比重量轻,与钛相比具有刚性(例如,CFRP的应用提供了比铝合金材料减轻至少30.0%的重量的优势),满足世界各地的原始设备制造商对轻型且具有成本效益的无人系统组件的需求,这些因素正在推动CFRP领域的增长。例如,位于以色列的Adani Defense and Aerospace and Elbit Systems Ltd. 于2018年12月在印度海得拉巴引进了50,000平方英尺的Adani Elbit无人机生产设施。该设施的开发已投资约1500万美元。该生产综合体将通过Hermes 900和Hermes 450UAV的完整碳复合材料航空结构迎合全球市场。2020年7月,Toray Industries与Lilium GmbH签署协议,为Lilium Jet提供碳纤维复合材料,这是一种无人驾驶的五座eVTOL飞机。

目前,无人复合材料市场的一些主要参与者包括 Gurit(瑞士)、Hexcel Corporation(美国)、Materion Corporation(美国)、Mitsubishi Rayon(日本)、Owens Corning(美国)、Renegade Materials Corporation(美国)、Solvay(比利时) )、Stratasys(美国)、Teijin Limited(日本)、Teledyne(美国)和 Toray Industries(日本)。Hexcel Corporation、Toray Industries 和 Gurit 拥有成熟产品组合和强大市场占有率。

军用无人机复材市场

1.军用无人机市场规模

随着无人机导航飞行控制和发动机技术的快速提升,无人机性能越来越优越,对有人机的替代动力越来越强。据Drone Industry Insights报告,2020年全球无人机市场规模为225亿美元,预计到2024年全球无人机市场规模将达428亿美元,复合增长率为13.8%。其中亚太地区是增速最快的地区,预计市场规模由86.2亿美金增长至178.9亿美金,复合增速达到15.72%。

图表4:全球军用无人机市场预测2016-2025

军用无人机市场不容忽视,据MarketsandMarkets数据,2018年军用无人机市场规模达121亿美元,至2025年市场规模将达268亿美元,2018年至2025年的复合年增长率为12.00%。小型超近程、小型近程、中空长航时等战术级无人机仍是热销产品,有望占据50%以上的市场。而随着战场环境变化和对作战效能的追求,具有高空、高速、远程、长航时和隐身等性能的高端无人机系统将会逐步挤压战术级无人机的市场,占据更大的份额。

18年美国计划出售4架MQ-4C“全球鹰”型无人机给德国空军,总价25亿美元;19年5月印度确认将向美国采购22架“海上卫士”无人机;19年6月美国宣布将出售34架“扫描鹰”无人机给马来西亚、印尼、菲律宾和越南。据IISS数据,2008-2017年中国出口88架军用无人机,而美国和以色列分别出口351架和186架。近十年,美国一共销售292架,其中80%以上为侦察型无人机,以色列共销售265架。(参考价格:死神MQ-9A 1590W 捕食者MQ-1 403W 全球鹰RQ-4 3500W)

图表5:国际军用无人机市场份额占比情况

目前,美军无人机发展处于世界领先水平,其无人机技术先进,种类繁多,既有战略、战役、战术各层次的无人侦察机,也有能够实现察打一体的攻击型无人机和用于运输的无人机。从低空到高空、近程到远程、微型到重型,美军几乎涵盖了所有类型的军用无人机,甚至还包括垂直起降型无人机和运输用无人机。根据英国国际战略研究所(IISS)报告显示目前美军现役无人机分为16种型号,在空军、陆军航空兵和海军航空兵等领域均有较大规模部署。2021年美军装备无人机共计1040架(不包括微型无人机),其中陆军装备497架、空军装备335架,是装备无人机数量最多的军种。从无人机类型来看,大型、侦查/察打一体无人机是主要列装方向,最终构成机动联合作战体系。

然而,现阶段我国无人装备严重不足,我国无人机数量较美国差距巨大,目前我国已列装的大型无人机数量仅有数十架,相较于美国差距巨大,急需追赶。

图表7:中美无人机列装数量对比

2.军用无人机的复材市场

军用无人机市场广阔,复材用量大、电子化程度高,产业机遇广阔。

1)市场规模大:据Fortune Business Insights,2018 年全球军用无人机市场规模为79.3亿美元,预计到2026年将达217.6亿美元,CAGR为12.4%,未来需求广阔。

2)碳纤维用量大、电子化程度高:军用无人机普遍大量使用碳纤维复材作为机体结构,以充分发挥其高比强度、耐腐蚀抗疲劳和电磁屏蔽等性能。RQ-4复材用量占比 65%,MQ-1用量占比更是高达92%。此外,无人机依赖电子化的辅助手段来实现态势感知、通讯指控和任务执行,并且需求高可靠的数据链,因此电子化程度高。

在无人机领域,美国RQ-4全球鹰”机翼、尾翼、发动机短舱、后机身采用碳纤维复材,复材用量占比65%。“捕食者”MQ-1全机除机身大梁采用金属外,几乎全部采用复合材料,用量约为结构总重的92%。

复合材料在无人机应用上的优势

目前很多的无人机外壳一般采用的是工程塑料,这类材料在抗冲击强度和抗腐蚀性能方面有一定的缺点,正逐渐被重量轻、比刚度大、强度高并可以一体制作各种外形结构的碳纤维复合材料所替代,以此来提升无人机的承载能力并延长续航能力。此外,碳纤维作为一种电化学活性较低的非金属材料,在耐腐蚀和抗老化方面表现极为出色,可以有效延长无人机的使用寿命。由此可见,加快发展高性能、低成本的先进复合材料及其制造工艺将成为无人机行业的重要发展趋势。在无人机制造上采用先进复合材料的优势主要体现在以下几个方面:

1.与传统的轻质化金属如铝合金、钛合等相比,复合材料在刚度和强度性能上具有强大的优势,能够大大减轻无人机的机身重量,有效增加无人机的有效荷载量,同时黑色的编织纹路也增强了无人机的外形美观程度。

2.复合材料具有易设计成型的特点,可以极大地降低小型无人机的生产成本。通过采用模压成型、热压罐外固化成型等工艺进行大面积的一体化成型技术,满足无人机高度翼身融合的飞翼式总体气动外形的结构要求,提高了生产效率。同时,复合材料本身具有的耐腐蚀性和耐热性能,可以提高无人机耐受自然界中的水和多种介质的腐蚀,以及在长时间飞行之后的热膨胀对机身材料的影响,延长无人机的使用寿命。

3.复合材料还可以与芯片、传感器、生物复合材料、智能复合材料等融合使用,从而拓展了无人机的使用范围。军用无人机具有较低的RCS面积,广泛使用先进复合材料,使得无人机不仅结构性能优越,而且具备宽带、多向的低可观测性,可有效躲避雷达与红外探测设备,拓宽了无人机在军事设备上的应用。在配备相应的电子设备后,还可以增强无人机的电子对抗和打击难度。

碳纤维复合材料无人机的优势

1.可以一体成型

无人机往往具有翼身一体化程度较高的飞翼整体气动外形,因此在结构上需要采用大面积整体式机身成型技术。经过仿真和模拟计算,碳纤维复合材料不仅可以大面积成型,还可以通过压制、在高压釜外固化等工艺整体成型,并可以引入汽车生产线生产工艺,可以提高效率,大大降低制造成本,非常适合无人机机身结构的大规模制造。

与传统金属材料相比,复合材料具有比强度和比刚度高、热膨胀系数小、抗疲劳和抗振动能力强等特点。以诺恩复合材料为某无人机厂商定制的碳纤维无人机零部件为例,根据厂商反馈,与传统无人机材料相比,采用碳纤维材料的无人机整体重量减轻约25%-30%。

2.更大的比强度和刚度

与其他复合材料相比,在满足无人机机体相同强度和刚度的前提下,碳纤维复合材料高比强度和高比刚度的特点,可以大大降低无人机机体质量和无人机载荷成本,对无人机结构轻量化、小型化和高性能化,保证无人机有更长的飞行距离和时间具有重要意义。

复合材料的轻质、高比强度和比模量是无人机复合材料结构设计中常用的材料。主要是通过有机结合增强材料(碳纤维、玻璃纤维等)的良好力学性能。)和基础材料(树脂)的附着力。



3.良好的耐腐蚀性和耐热性

碳纤维复合材料还具有优异的耐腐蚀性和耐热性,能够承受自然界中水和各种介质的腐蚀以及热膨胀的影响,能够满足无人机在各种环境条件下长储存寿命的特殊要求,降低使用和维护的生命周期成本。

复合材料本身是可设计的,可以根据飞机的强度和刚度要求进行优化,而不改变结构重量。在设计制造技术上,满足了大部分翼身一体化结构无人机大面积整体成型的要求。

4.可植入芯片或合金导体

碳纤维复合材料还可以植入芯片和合金导体中,形成一个高科技的结构整体,可以在恶劣环境下长时间使用而不破坏植入设备的性能,并能可靠地执行特殊任务。

复合材料在无人机上的应用

纤维增强聚合物复合材料是目前无人机上应用较多的先进结构复合材料,主要包括碳纤维树脂基复合材料和芳纶纤维复合材料。这些先进复合材料在无人机中应用是由各部件的大小决定的。例如Nomex蜂窝材料被广泛应用于无人机的机体外壳、机翼蒙皮与前缘;Kevlar纤维材料应用于螺旋桨、机身、连接件等部位,可大幅提高抗疲劳强度与抗冲击能力。

1986年产英国“不死鸟”战场侦察和目标捕获无人机是最早的全复合材料无人机,从此开启了无人机研究的新方向。美国研制的‘捕食者"无人机中除主梁外,其结构几乎全部采用复合材料,复合材料的用量约为结构总重的92%。随着先进复合材料的高速发展,无人机的发展也有了新的突破。2019年6月,由慕尼黑技术大学开发的颤振机翼问世,该机翼采用玻璃纤维增强复合材料和主动后缘襟翼控制技术,与标准机翼相比,可为飞机增加20%的有效载荷或减少7%的油耗。由德宇航气动弹性研究所和代尔夫特大学共同研发的气动弹性机翼,采用碳纤维增强复合材料和新型复合材料剪裁技术,使机翼能在载荷作用下弯曲和扭转变形至理想状态,与标准机翼相比,可降低结构质量20%。

我国的无人机研制开始于20世纪60年代,主要经历了“进口—仿制—自主研发” 三个阶段。早在1985年,我国通过购进法国海豚"直升机,并取得生产专利权,由此开启了复合材料在飞机制造应用的时代。

2006年,中航工业哈飞与北京航空航天大学联合设计无人侦察机,其蒙皮与整流罩采用玻璃纤维、碳纤维与蜂窝材料,机翼由全复合材料制成。2011年,中航工业成功推出翔龙”高空高速无人侦察机,机翼设计采用菱形联翼布局,将结构复合材料与功能复合材料连用,有效增强了无人机的强度和刚度。2012年,我国研发的翼龙”中低空长航时多用途无人机,采用大量先进复合材料并改进制造工艺,大大降低了无人机的生产成本。同年,大疆创新科技发布消费级无人机,引爆了民用无人机市场,此时大部分的无人机均使用了先进复合材料。

随着太阳能无人机的问世,对于机身材料的使用有了新的要求,相比于其它类型无人机,太阳能无人机受可用功率限制,对飞行质量更为敏感。航天十一院大量使用碳纤维等先进复合材料,结合超轻质复合材料结构的设计与制造工艺方法,初步解决了总体、气动、结构等关键技术难题,使得新型太阳能无人机成功完成临近空间飞行试验。

中国首款高空高速外贸无人机”云影的全机复合材料应用率达到60% ,同时整体机翼油箱的设计,可以装配自重一半的燃油,大大提升了飞机的航程。2018年亮相的天鹰无人机在气动设计、智能化控制、可靠性和安全性、机载设备的性能等四个方面处于世界领先地位。由于机体采用了碳纤维复合材料,因此机体结构质量只有450kg左右,装载燃油和任务设备的质量可以达到650kg以上,最大起飞重量可以达到11.5t。2019年研发的AV500B/C无人机采用了我国自主研制的碳纤维复合材料,具有优异的巡航能力和机动灵活性。

我国无人机“四大明星”

1.“翼龙”无人机

“翼龙”无人机是一种集中空、长航时、侦察打击一体的多用途无人机,它代表了我国无人攻击机研制的最新水平,可谓中国无人机制造领域的“当家明星”。

“翼龙”无人机机身尺寸与美国空军的MQ-1B“捕食者”无人机相似,它具备全自主平轮式起降和飞行能力,最大起飞重量达1100公斤。机重1.1吨,长9米,航程超过4000公里,升限5000米,最大续航时间约为20小时。可携带国产KD-10激光制导导弹、LS-6GPS制导炸弹等,对地面目标进行精确打击,被称为中国版的“捕食者”攻击型无人机。

2.“彩虹四号”(CH-4)中空长航时无人机

“彩虹四号”(CH-4)中空长航时无人机是一款察打一体大型军用无人机,是国内同级别无人机系统中挂载能力最强、飞行能力最优的无人机,被称为中国军用航空的领秀之作、中国版的“死神”。

它既可以执行战场侦察任务,搜集敌方作战信息,进行超视距预警,也可以执行电子战任务,还能对地面固定目标和低速移动目标实施精确打击。

“彩虹四号”有三大特点:首先是平台出众。它最大起飞重量1330公斤,最大载荷345公斤,最大升限8000米,最大续航时间38小时,最大航程3500公里,各项指标均超过“捕食者”。其次是察打一体。该无人机实现了侦察与打击功能的二合一,机腹下装有雷达,使之具有较强的全天候作战/探测能力,它能在5000米高空发射导弹,攻击地面和海面目标,不需要降低飞行高度即可实施攻击。最后是高度智能。它实现了全自主起降,可靠性大为提高。无人机在飞行中可对目标进行定位,随后发射导弹或制导炸弹实施攻击。

3.“攻击-1”型无人机

“攻击-1”型无人机是中国空军现役的察打一体无人机,被誉为信息化战场的“新宠”。

该机采用单发、大展弦比、平直翼、v型尾翼气动布局设计,可担负低威胁环境下战场重点区域持久侦察、监视和攻击、毁伤效能评估等任务。机上配备有激光指示器等光电侦察监视设备,不仅可以为自己发射的反坦克导弹进行制导,也可以为其他飞机或地面武器制导提供目标指示。该无人机已形成战斗力。

4.WJ-600型高空高速无人机

WJ-600型高空高速无人机是一种大型无人机,外形类似巡航导弹,既可以装载各种先进的光电侦察、合成孔径雷达等电子侦测设备,也可以在机翼下方挂载KD-2等空对地导弹,使之变成“空中杀手”。

WJ-600还可以充当通信中继站,让地面指挥中心通过它控制SH-1隐形无人机和“刀锋”系列战术无人机作战,从而将侦察、通信、指挥和攻击等多种作战功能融合在一起,实现“侦—控—打—评”一体化作战。