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无人机行业将进入黄金发展轨道

发布日期:2014-10-28我要投稿我要评论

 无人机相对有人机拥有不受载人限制、尺寸小、成本低等一系列优点。世界武器资深专 家斯蒂芬·泽罗格认为,当前航空装备发展面临着一个全新的转型期,传统有人作战飞机注定会走进历史,未来属于装备有灵敏侦察设备和精确武器的无人机系统, 这一趋势就如100年前飞机、坦克等新技术装备掀起的机械化战争革命一样。

  无人机近百年缓慢发展,未来10~20年将进入黄金增长期

  1、无人机近百年发展缓慢。

  靶机起步,奠定基础。世界上第一架无人机1917年诞生于美国,斯佩里等人在军方支持下,将一架有人驾驶飞机改装成无人机并进行试飞,虽然当年 实验都失败,但取得的经验和资料为16年后第一架无人靶机的研制成功奠定了基础;20世纪20、30年代欧洲一些军事强国在空军致胜理论的基础上,大力发 展无人驾驶作战飞机;1933年英国在吸取斯佩里等人经验的基础上,成功研制出著名的“蜂后”靶机,随即投入批量生产。随着英国靶机的投入使用,无人机作 为靶机开始被人们认识和发展;二战结束前后陆续有30多家公司投入无人机研制,较有名的包括全球生产最多的“火蜂”系列靶机、“石鸡”系列靶机、CT- 20和CT-22靶机。

  初步参战,崭露头角。二战后各国开始尝试在靶机上安装一些传感装置,使其具有战场侦测、目标探测能力,并开始应用于实战。20世纪60-70年 代的越南战争、70-80年代的中东战争时无人机开始在战场上崭露头角,也促使无人机性能和技术进一步拓展。越南战争中瑞安公司的“火蜂”-147D表现 出色,先后出动3400多架次,获取情报占当时总情报量80%,而坠毁率仅16%。但越战后美国并没进一步发展无人机,无人机技术发展又一次放缓。直到中 东战争以色列通过综合使用侦察、诱饵和电子干扰等多种无人机与有人作战机配合使用,使叙利亚各种防空武器系统遭到毁灭性打击,在战争初期就消灭了叙军 80%精锐武装,最取得了战争胜利。以色列成功运用无人机的经验使得无人机声名鹊起,进入了迅速崛起阶段。

  战场牵引,迅速崛起。20世纪80年代以来,各国军方深刻认识到利用无人机在战时执行侦察、干扰、欺骗和电子支援等任务非常有效,不仅可降低人 员损失的风险,且作战成本比有人驾驶飞机低很多。20世纪90年代后,海湾战争、科索沃战争、阿富汗反恐战争、伊拉克战争、阿以冲突这些局部战争,又给无 人机提供了进一步展示其作战能力的舞台。在面向现代和未来战场作战需求的牵引下,无人机进入快速发展阶段,出现了“捕食者”、“猎人”、“先锋”、“全球 鹰”等著名机型,各国在无人机研制和投入方面的支出也越来越大。以美国为例,美国专家认为到2025年美军90%战机将是无人机。

  逐渐运用到非军事领域。无人机相关技术不断成熟,成本也快速下降,民用市场开始发酵。应用领域包括航拍、农用植保、地质勘探、电力巡检、油气管路巡查、高速公路事故管理、森林防火巡查、污染环境勘察、反恐维稳、公安执法、应急救援与救护、抢险救灾、海岸线巡查等。

  2、无人机未来10~20年即将进入黄金发展轨道。

  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。军机市场预测机构蒂尔集团在2013年无 人系统国际协会(AUVSI)会议上公布最新全球预测:未来10年全球无人机花费将翻番,由2014年52亿美元增至2023年116亿美元,总规模达 840亿元,年均复合增长10.8%。其中,无人航空系统研发投入将从2014年19亿美元增至2023年40亿美元,采办费用从33亿美元增至76亿美 元。

  我们认为,蒂尔集团的预测基本忽略了民用无人机的发展潜力,推测其预测以国防开支增速为基础,再添加替代有人机进行增速调节。观察全球前两大经 济体:2004~2013年美国GDP由12.3万亿美元增至16.8万亿美元,CAGR为4.0%,军费开支2013年6258亿美元,占GDP比重 4%;中国同期GDP由16.0万亿人民币增至56.9万亿人民币,CAGR达15%,2013年军费开支7411亿人民币,占GDP比重1.3%。中美 两国GDP总和复合增速为8.1%,占世界GDP32%(中国12%,美国20%),而蒂尔集团预测未来10年无人机增速为10.8%,预测增速基本与全 球军费增速相同,低估了民用市场的发展潜力。

  民用无人机需求广泛且经常性,潜在市场规模巨大,打破行业天花板。军用无人机投入的增长受到军费支出的制约,而军费支出的增长又由经济增长和军 费支出比例决定,所以军用无人机除对有人机替代外,无法出现放量增长空间。而民用无人机需求领域广泛(如农用植保、森林防火、电力巡检、石油管道巡检、防 恐救灾、地质勘探和海洋遥感),且几乎每个领域的需求都是经常性,潜在市场空间极大。

  据2013中国无人机系统峰会数据统计,目前全球民用无人机市场空间达1000亿美元,中国GDP占世界比重12%(占比在不断上升),简单地按12%比重测算,中国民用无人机潜在市场空间超100亿美元,而当前我国民用无人机市场仅几亿人民币,增长潜力巨大。

  全球竞争格局:美、欧、以色列第一梯队,中国迎头赶上

  无人机作为军机未来发展方向,各国都很重视其研发的投入。但由于技术基础和经济基础的不同,全球无人机发展情况并不均衡。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,目前已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。其中美国份额高达69%,遥遥领先于其他国家;中国无人机由于性价比优势明显,占据约10%份额。

  发动机、飞控和有效载荷铸造技术壁垒,各类无人机对技术要求迥异

  发动机、飞控和有效载荷铸造无人机技术壁垒

  飞机应用领域包括民用和军用,民用飞机又分为公共飞机(客机)和通用飞机。无人机作为有人机的替代,主要有军用无人机和通用无人机(后面称为“民用无人机”)。

  完整的无人机系统包括:地面系统、飞机飞行系统、任务载荷和使用保障人员。其中有效载荷系统和飞机飞行系统最为重要。

  无人机系统涉及到的技术主要包括:发动机技术、飞行控制技术、有效载荷技术、通信技术和信息处理技术。其中,通信和信息处理相关技术较成熟,技术壁垒主要体现在发动机、飞控和有效载荷方面。

  军用、民用、微型无人机,不同需求决定各异核心技术壁垒

  按照机翼构造,无人机可分为固定翼、旋翼(直升机、多旋翼)及扑翼等。1)固定翼型无人机通过动力系统和机翼滑行实现起降和飞行,抗风能力较 强,起飞方式有滑行、弹射、车载、火箭助推和飞机投放等,降落方式有滑行和伞降等。2)旋翼无人机能够定点起飞、降落,对起降场地条件要求不高,飞行通过 无线电遥控或机载计算机实现程控。而固定翼无人机存在容易失速、无法空中悬停等问题,所以在民用和军用领域中对旋翼无人机需求非常大,特别是中大型旋翼无 人机。3)扑翼无人机模仿鸟或昆虫翅膀,振动翅膀产生升力,一般作为微型飞行器。这是鉴于微型无人机在15厘米时螺旋桨还可产生需要的效率,但7.62厘 米以下就需要采用翅膀。而扑翼是一种可行办法,它可利用不稳定气流的空气动力学,及利用肌肉一样的驱动器代替电动机。但目前扑翼无人机相关技术还非常不成 熟,几乎没有进入实用市场。

  故按照实用性,把无人机分为三类:

  1)固定翼(fixedwing)无人机:全球鹰、捕食者无人机等都是固定翼飞机。顾名思义就是翅膀形状固定,靠流过机翼的风提供升力。动力系 统包括桨和助推发动机。优点是三类飞行器里续航时间最长、飞行效率最高、载荷最大,缺点是起飞时必须要助跑,降落时必须要滑行,不能空中悬停。

  2)无人直升机(helicopter):特点是靠一个或者两个主旋翼提供升力。如只有一个主旋翼,还必须要有一个小尾翼抵消主旋翼产生的自旋 力。为能往前后左右飞,主旋翼有极其复杂的机械结构,通过控制旋翼桨面的变化来调整升力的方向。动力系统包括发动机、整套复杂的桨调节系统、桨。优点是可 垂直起降、空中悬停,但续航时间较中庸,载荷也较中庸。缺点是极其复杂的机械结构导致制造和后续维护费用高昂。

  3)多旋翼(multi-rotor)无人机:四个或更多旋翼的直升机,也能垂直起降。机械结构非常简单,动力系统只需电机直接连桨。优点是机械简单,能垂直起降、空中悬停,缺点是续航时间相对最短,载荷也最小。

  综合应用领域和机翼特点,我们把无人机分为军用无人机、民用无人机和微型无人机:微型无人机指翼展1米以下、有效载荷5kg以下的无人机。有些 六旋翼或八旋翼有效载重最大已提升到10kg(翼展也较大),可进行农业植保或遥感作业,但我们将这类无人机划分为民用无人机,这是因为这类大载重多旋翼 无人机价格和固定翼无人机或无人直升机价格相近,相互替代性较强;相反,载重5kg以下的多旋翼无人机,不仅可空中悬停、垂直起降,且价格仅几万元甚至最 低时仅4000元左右,这是固定翼或直升机无法企及的高性价比(且如此体积小的固定翼或直升机制造难度很大)。也即,只有微型无人机才能占据这些低载重应 用市场,所以划分出微型无人机类别十分重要。当前微型无人机主要以多旋翼航拍无人机为主(扑翼无人机技术尚未成熟)。军用、民用无人机指的是固定翼无人 机、无人直升机或载荷在5kg以上的多旋翼无人机。

  飞控技术要求高低排序:多旋翼>直升机>固定翼(微型>军用>民用)

  固定翼是自稳定系统,即飞上天、助推发动机稳定工作后,不需怎么控制就能自身抵抗气流的干扰保持稳定;飞行器姿态控制角度看,固定翼是完整驱动系统,任何姿态下可调整到任意姿态且保持住。

  直升机是不稳定系统,飞上天后如不施加控制,气流吹过就可能发生侧翻。但直升机也是完整驱动系统,可自由调整姿态,主要鉴于直升机的桨面不但可 产生相对机身向上的推力,也可产生向下的推力。且直升机没有失速问题,何时都能调整姿态,可在天上自由运动。所以直升机虽不稳定、很难控制好,但姿态翻时 完全可控制回到正常姿态。

  多旋翼是不稳定系统,也不是完整驱动系统(欠驱动系统)。它的桨只能产生相对机身向上的升力,不能产生相对向下的推力,所以它不稳定、很难控制好,飞行器侧翻后基本没办法控制回来,容易坠机。

  自稳定和驱动差异决定飞行控制难度。固定翼和直升机控制难度相对不高,其自动控制器相对容易研制,而多旋翼不稳定且欠驱动,其自动控制器性能要 求极高。飞行器自动控制器通常需要惯性导航系统获取自身的姿态,但20世纪90年代前,惯性导航系统一般重达十几公斤。为把这么重放到多旋翼飞行器上,飞 行器载荷必须很大,可不管是用油机还是电机做多旋翼飞行器的动力系统,都很难得到足够载荷,这使得多旋翼无人机很长一段时间内发展缓慢。直到2005年, 仅几克重的MEMS(微机电系统)惯性导航系统技术才开始成熟,微型多旋翼无人机才开始进入快速发展期,也开始广泛应用于航拍。但由于还是较前沿的技术, 飞行控制技术成为了微型无人机(多旋翼机)竞争的焦点,军用无人机由于对飞行器机动性要求高,飞控系统要求相对复杂,而民用无人机则不需要很高端的飞控系 统。

 
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