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經過近年戰爭的實際驗證,無人機已成為新一代的關鍵性武器,而也因戰爭樣態的改變,使得科技成為衡量軍事強度的重要指標。在地緣政治的影響下,美國對於非紅供應鏈的關注度日漸上升,身處其中核心的台灣,如何搶占無人載具產業的先機、再造「國家隊」奇蹟,成為國內產業未來的重要課題之一。同時,面對中國超量供應、長期低價搶市的情況,國內化工、複合材料等產業面臨極為艱困的處境。如能以無人機材料的角度切入,利用地緣政治的紅利,規劃新的戰略布局,打開傳統產業的新出海口,將會是國家產業轉型的契機。
【內文精選】
無人機對複材的追求
目前無人機分成兩大領域,一是商用/民用領域(Commercial),主要有農業植保、物流運輸、橋樑巡檢等功能,須具備極致輕量化、抗化學腐蝕、高CP值、批量生產等特性;二是軍用/特種領域(Military),主要有偵查監視、電子戰、戰場補給等功能,須具備高強度抗疲勞、耐極端氣候、電磁遮蔽、低雷達截面積(RCS)等特性。
基於各領域對於無人機的嚴格要求,複合材料的比強度和比勁度皆須達到一定的標準,如圖一所示。比強度指的是每公克的複材之抗拉強度,比勁度則是指每公克的複材之剛性阻力,也就是在彎折測試中能承受不變形的極限。舉例來說,儘管在同等重量下,碳纖複材與鋁合金的比勁度並無太多差異,但碳纖複材的比強度則遠高於鋁合金,甚至可達傳統鋼鐵的5至9倍,且密度僅有1.7 g/cm³。
圖一、主要航空材料性能分析
由此可見,在追求極致輕量化之際,複材能提供傳統材料無法比擬的防斷裂與防變形能力。載重與續航是無人機的關鍵指標,在電池或其他推進動力技術出現革命性的突破之前,透過碳纖複材可減少機身約25%至30%的重量,是目前提升無人機載重與續航力的唯一解方。
構型與部件的不同需求
無人機的技術規格必須由構型切入,常見的構型如下:
(一)定翼型無人機(Fixed-wing)
定翼型的優點在於擁有長續航力和優秀的載重能力,但由於機翼本身的限制,定翼型無人機需要足夠的起降空間,才能使升力達到足以克服地心引力。此外,其機翼須具備極高的勁度,才能承受長時間飛行帶來的壓力。
(二)多旋翼型無人機(Muti-rotor)
多旋翼型彌補了定翼型的缺點,可在空中懸停的特性使其無需廣闊空間亦可順利起降,擁有極佳的機動性。然而,這種類型的無人機不論是續航力或是移動速度皆略遜一籌,而多馬達的配置更創造了高頻震動環境,須解決微小變形與輕量化等問題,才能改善先天不足之處。
(三)單旋翼型無人機(Single-rotor)
單旋翼型結構類似於直升機,有著良好的載重能力、機體堅固等優點。然而旋翼葉片的大小與機身本身的震動效應強度成正比,進而使單旋翼型的無人機存在著穩定性問題,因此,旋翼葉片需有極佳的抗疲勞特性與減震效果,才能吸收震動效應帶來的影響。
在上述機體構型的差異之外,無人機的各個部件亦適用於不同的技術規格。以機翼與機身框架而言,其追求能穩定支撐整體的結構,與得以增加載重的輕量化,因此碳纖維、尼龍、聚碳酸酯等複合材料可滿足其需求。螺旋槳部分,則強調抗拉強度與動態平衡---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。