Tại sao sợi carbon là vật liệu lý tưởng để sản xuất máy bay không người lái?

Nhẹ như nhôm và bền hơn thép, sợi carbon đang thiết lập lại giới hạn hiệu suất cho drone.

Với công nghệ máy bay không người lái phát triển nhanh chóng—từ kiểm soát sâu bệnh trong nông nghiệp đến hậu cần và giao hàng, từ do thám quân sự đến cứu hộ khẩn cấp—việc lựa chọn vật liệu trực tiếp quyết định giới hạn trên của hiệu suất bay. Trong số nhiều lựa chọn hiện có, vật liệu compozit sợi carbon đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho các dòng máy bay không người lái tầm trung và cao cấp nhờ những ưu thế hiệu năng độc đáo của chúng.

Thiết kế nhẹ: Đột phá kép về tầm bay và tải trọng

Thời gian bay và khả năng tải trọng của máy bay không người lái luôn bị giới hạn bởi trọng lượng cấu trúc, và lợi thế về mật độ của sợi carbon đã trở thành chìa khóa để phá vỡ bế tắc này. Mật độ của vật liệu compozit sợi carbon chỉ ở mức 1,5–1,6 g/cm³, tương đương 54% mật độ hợp kim nhôm và 20% mật độ thép.

Những lợi ích của việc giảm trọng lượng này trở nên rõ ràng ngay lập tức: các thiết bị bay đa cánh quạt có khung thân làm từ sợi carbon nhẹ hơn 25%–30% so với các mẫu tương đương làm từ hợp kim nhôm, và thời gian bay của chúng được kéo dài thêm 20%–25% khi sử dụng pin có cùng dung lượng. Máy bay trinh sát không người lái ‘Global Hawk’ của Hoa Kỳ đã đạt được thời gian bay liên tục đặc biệt dài — lên tới 40 giờ — nhờ sử dụng sợi carbon cho hơn 65% cấu trúc thân máy bay.

Đáng chú ý hơn nữa là độ bền riêng (độ bền trên một đơn vị mật độ) của sợi carbon đạt mức 785 × 10⁷ cm, cao gấp 6,8 lần so với hợp kim nhôm và gấp 10,3 lần so với hợp kim titan. Điều này có nghĩa là, ở cùng một trọng lượng, sợi carbon có khả năng chịu đựng áp lực tải lớn hơn. Kinh nghiệm thực tế từ một công ty sản xuất thiết bị bay không người lái tại Quảng Châu cho thấy rằng khi tăng tỷ lệ vật liệu sợi carbon lên mức 92%–95%, các thiết bị bay công nghiệp của công ty này có thể chở thêm 100 kilogram hàng hóa so với các mẫu khác có cùng kích thước, đồng thời duy trì trạng thái bay ổn định khi mang tải 300 kilogram.

Độ cứng cao: Đảm bảo độ ổn định trong các môi trường khắc nghiệt

Độ tin cậy của thiết bị bay không người lái trong các môi trường phức tạp phụ thuộc phần lớn vào độ cứng cấu trúc của vật liệu thân máy bay. Độ cứng riêng (độ cứng trên một đơn vị khối lượng) của vật liệu compozit sợi carbon đạt 113 × 10⁷ cm, vượt xa nhôm (26 × 10⁷ cm) và titan (25 × 10⁷ cm).

Dữ liệu thử nghiệm cho thấy khi chịu tác động của luồng khí ở tốc độ 120 kilômét mỗi giờ, độ biến dạng tối đa của cánh làm từ sợi carbon chỉ bằng một phần ba so với cánh hợp kim nhôm, đảm bảo kiểm soát chính xác tư thế bay. Trong các môi trường ở độ cao lớn và gió mạnh, các thiết bị bay không người lái dùng để khảo sát có thân máy bay làm từ sợi carbon có thể hoạt động ổn định, trong khi các mẫu sử dụng vật liệu truyền thống bị suy giảm độ chính xác dữ liệu hơn 20% do rung động cấu trúc.

Đổi mới quy trình: Từ tùy chỉnh cao cấp sang sản xuất hàng loạt

Sự trưởng thành của các quy trình tạo hình tiên tiến đang thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi khung máy bay bằng sợi carbon. Bằng cách sử dụng máy ép 2.500 tấn, quy trình ép nhiệt có thể hoàn thành việc tạo hình nguyên khối khung máy bay không người lái chỉ trong 10 phút, nâng cao hiệu suất sản xuất gấp tám lần so với các phương pháp truyền thống.

Điều còn thú vị hơn nữa là đột phá đạt được trong công nghệ in 3D sợi carbon liên tục. FS25e—máy bay không người lái cánh composite đầu tiên trên thế giới dựa trên công nghệ này—đã hoàn thành chuyến bay đầu tiên một cách thành công. Cấu trúc bộ xương tích hợp cánh-thân-máy bay của nó đã giảm đáng kể cả chu kỳ sản xuất lẫn chi phí. Công nghệ này giải quyết thách thức mà các quy trình tạo hình composite hiện tại gặp phải khi thực hiện tạo hình tích hợp hiệu suất cao cho các cấu trúc phức tạp, đồng thời cải thiện đáng kể hiệu suất sử dụng vật liệu và rút ngắn hiệu quả chu kỳ sản xuất cũng như lắp ráp.

Trong lĩnh vực máy bay không người lái quy mô lớn, mẫu máy bay không người lái vận tải nội địa nặng 7 tấn ‘Changying-8’ sử dụng hơn 80% vật liệu composite, đạt mức cung ứng toàn bộ hệ thống composite từ nguồn trong nước. Cánh của nó áp dụng quy trình đồng trùng hợp nguyên khối (monolithic co-curing), giúp giảm đáng kể các mối nối lắp ráp và tập trung ứng suất, đồng thời nâng cao độ bền và độ ổn định kết cấu.

Tương lai đã đến: Những khả năng mới cho sợi carbon

Với việc sản xuất hàng loạt ổn định loại sợi carbon nội địa cấp T1000—có độ bền kéo vượt quá 6.600 megapascal và chịu được lực khoảng 200 kilopascal trên mét—khả năng tự chủ và kiểm soát của Trung Quốc đối với các vật liệu hàng không vũ trụ cao cấp tiếp tục được củng cố.

Hứa hẹn hơn nữa là siêu tụ điện mới có cấu trúc sợi carbon do một nhóm nghiên cứu tại Đại học Hàng không và Vũ trụ Nam Kinh phát triển, dự kiến sẽ giúp máy bay không người lái hiện thực hóa khái niệm 'thân máy bay chính là pin'. Điều này cho phép chính cấu trúc thân máy bay lưu trữ năng lượng mà không cần thêm pin, từ đó giải quyết triệt để bài toán nan giải mà máy bay không người lái đang đối mặt: sự đánh đổi giữa thời gian bay và khả năng chở tải.

Từ việc thay thế vật liệu đến đổi mới khái niệm thiết kế, các hợp chất sợi carbon đang trở thành động lực then chốt thúc đẩy đột phá hiệu năng cho máy bay không người lái, đưa ngành công nghiệp mới nổi này từ giai đoạn khám phá công nghệ sang triển khai thương mại, đồng thời cung cấp các giải pháp hàng không hiệu quả và đáng tin cậy hơn cho lĩnh vực hậu cần, nông nghiệp, ứng phó khẩn cấp và nhiều lĩnh vực khác.