English
簡體中文
空客A320總裝線
在 2007 年接受《設(shè)計新聞》采訪時，時任波音 787 項目技術(shù)集成總監(jiān)的艾倫·米勒（Alan Miller）博士評論了航空航天行業(yè)在采用復(fù)合材料方面面臨的挑戰(zhàn)。 “（在波音 787 夢想客機問世之前）我們還沒有大規(guī)模的應(yīng)用。復(fù)合材料行業(yè)以前從未遇到過這種情況。這是我們必須攀登的一座山。” 787 是商用飛機復(fù)合材料使用的一個階段性變化。 飛機結(jié)構(gòu)的設(shè)計約為 50%的復(fù)合材料，超過了當(dāng)時任何其他大型商用飛機。因此，787 的生產(chǎn)需要在碳纖維和零部件制造能力方面進(jìn)行大量投資。它還為 777X、A350和A220等新項目的更多采用鋪平了道路。
盡管復(fù)合材料被廣泛采用，但該行業(yè)生產(chǎn)最多的兩種飛機，空客 A320 和波音 737 系列，含有的復(fù)合材料相對較少。737 MAX 是波音 737 的最新版本，于1968年首次投入使用，其飛機結(jié)構(gòu)中僅包含約10%的復(fù)合材料。 A320 大約含有 15%。這些飛機合計占全球可用座位里程的近60%。在其設(shè)計中加入更多的復(fù)合材料對航空航天和復(fù)合材料行業(yè)來說仍然是一個巨大的機會，但與當(dāng)今的雙通道計劃（如 787 或 A350）或較小的 A220 單通 道計劃（含 46%的復(fù)合材料）相比，這也是一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。
我們相信波音和空客的下一個新飛機項目將是單 通道飛機。幾乎可以肯定的是，這些項目將比當(dāng)前一代 具有更多的復(fù)合材料。雖然雙通道飛機通常以每月5-15架的速度生產(chǎn)，但新的單通道設(shè)計需要能夠達(dá)到每月 100 架飛機的工藝。這種轉(zhuǎn)變有可能成為航空航天和復(fù) 合材料行業(yè)的又一次重大變革——所有這些都對飛機的設(shè)計、引入時間和所需技術(shù)產(chǎn)生了影響。復(fù)合材料行業(yè)似乎還有另一座山要爬。
設(shè)計：物有所值
許多關(guān)于復(fù)合材料與金屬材料的討論都集中在重 量節(jié)省上；輕質(zhì)特性被視為飛機節(jié)省燃料的主要驅(qū)動因素。然而，復(fù)合材料的真正好處更為微妙。復(fù)合材料通常可以實現(xiàn)更大的設(shè)計自由度和空氣動力學(xué)優(yōu)勢，這超過了單獨的重量節(jié)省。
圖1. 787 的機翼比 767 更長、更薄。
圖1展示了一架藍(lán)色767-300，這是一種在20世紀(jì)80年代投入使用的金屬設(shè)計。上面覆蓋著灰色的是一輛787-8，它的長度和座位容量大致相似。值得注意的是，787的機翼比舊的767設(shè)計延伸得更長。如果我們檢查機翼的橫截面厚度，我們會發(fā)現(xiàn)787平均薄約 10%。更長、更薄的機翼減少了飛機的阻力，從而實現(xiàn)了更高效的空氣動力學(xué)設(shè)計。
復(fù)合材料通過其強度、剛度和輕質(zhì)特性的結(jié)合實現(xiàn)了這一設(shè)計。結(jié)合改進(jìn)的發(fā)動機，這種設(shè)計使787每座公里的燃料消耗量低得多。事實上，787的機體重量（不包括發(fā)動機）比767重30%。然而，盡管重量很大，但 由于其更高效的幾何形狀，它仍然可以實現(xiàn)可觀的燃油節(jié)約和近兩倍的續(xù)航里程。
777X對其復(fù)合材料機翼采用了類似的策略，將機 翼跨度從 777-300ER 的 64.8 米延長到777-9 的 71.8 米。 據(jù)波音公司稱，這將使燃料消耗減少約 10%。較長的機 翼非常有效，因此該設(shè)計可以證明折疊翼尖是合理的， 以確保飛機與現(xiàn)有 777 飛機保持在相同的機場代碼內(nèi)， 并可以進(jìn)入現(xiàn)有的機場大門。
一些高級計算可以深入了解這些程序的權(quán)衡（圖 2）。 如果我們考慮一架空客A321neo，由于復(fù)合材料，其機翼重量降低了20%，但與當(dāng)前設(shè)計的幾何形狀相同，我 們的計算估計，典型任務(wù)的燃料消耗將減少1.5-2%。相反，假設(shè)我們將機翼替換為全復(fù)合材料設(shè)計，其重量與金屬機翼相同，但跨度更長，橫截面更薄。如果這樣的 機翼將平均巡航升阻比從 18 提高到 19，我們估計這將相當(dāng)于燃料消耗減少5-7%，盡管沒有節(jié)省重量。這些空氣動力學(xué)的改進(jìn)比重量的節(jié)省有更大的影響，但它們只能通過轉(zhuǎn)向復(fù)合材料來實現(xiàn)。
因此，我們相信，下一代單通道飛機幾乎肯定會有復(fù)合材料機翼。潛在的燃料節(jié)約太大了，無法考慮金屬結(jié)構(gòu)。
圖2. 表示性燃油燃燒改善。使用復(fù)合材料的空氣動力學(xué)變化可能比單獨節(jié)省重量產(chǎn)生更大的影響。
然而，對于機身來說，這種權(quán)衡并不那么明確。機 身本身不像機翼那樣具有任何空氣動力學(xué)優(yōu)勢。在機身壁板相對較厚的寬體飛機上，復(fù)合材料往往具有更大的優(yōu)勢。窄體飛機更頻繁的起飛和降落周期往往需要額外的材料，這降低了改用復(fù)合材料的好處。我們估計，使 用復(fù)合材料將機身重量減少20%，將使油耗下降1.5%。 隨著氣候變化的影響，每一滴節(jié)省的燃料都很重要。但在機身中使用復(fù)合材料還有其他缺點，包括成本和可制造性。原始設(shè)備制造商是否選擇復(fù)合材料機身可能取決于兩個相互關(guān)聯(lián)的因素：時機和技術(shù)。
時機：當(dāng)明天變成今天
也許下一代單通道最大的未知數(shù)是它的到貨日期。 波音公司的 737 MAX 項目于2017年投入使用。空客的 A320neo 自2016年開始服役，A321XLR 機型預(yù)計將于 今年晚些時候交付。
A321neo（以及 LR-長航程和 XLR-超航程變體）多年來一直是波音公司的問題；該飛機滿足了許多航空公司在航程、運力和經(jīng)濟性方面的關(guān)鍵需求。盡管波音公 司試圖使用 MAX 進(jìn)行競爭，但空客的機型在續(xù)航里程 方面表現(xiàn)出色。截至 2024 年 3 月底，空客積壓了 7177 架 A320 系列飛機，其中 4947 架為 A321。相比之下，整 個波音 737 家族積壓了 4828 架飛機。
在疫情之前，波音公司應(yīng)對空客挑戰(zhàn)的解決方案是 “新型中型飛機”（NMA），有時被稱為市場中的中型飛機或 797。據(jù)了解，這架飛機是一架小型雙通道飛機， 但由于疫情和737 MAX的挑戰(zhàn)，該項目最終被擱置。對 波音公司來說，新的單通道飛機提供了一個更好地與空 客產(chǎn)品競爭的機會，尤其是 A321XLR。由于 737 是基于 20 世紀(jì) 60 年代的設(shè)計，即使與最新型號相比，設(shè)計新 機型可以提供顯著的改進(jìn)。
然而，在 2022 年 11 月，波音公司首席執(zhí)行官大 衛(wèi)·卡爾霍恩（David Calhoun）表示，他預(yù)計要到 2030 年中才會有新的計劃，并表示“我認(rèn)為我們甚至不會在 這十年內(nèi)開始繪圖。”對于 2035 年投入服務(wù)，業(yè)界預(yù)計 將在 2028 年左右宣布新計劃，距離下一個計劃開始還 有大約四年的時間。 此外，今年 3 月，卡爾霍恩宣布，他將于2024 年底與董事會主席一起卸任。雖然不能保證戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)變，但波音公司有可能重新評估其產(chǎn)品決策，并在幾年內(nèi)推進(jìn)新飛機的計劃。盡管波音公司可能沒有立即制定新項目 的計劃，但我們知道，研發(fā)項目將繼續(xù)確保公司做好準(zhǔn)備。
對于空中客車公司，行業(yè)評論傳統(tǒng)上認(rèn)為，空中客 車公司可能會等待波音公司宣布決定，然后再宣布自己的決定。然而，最近，我們認(rèn)為空客的決定越來越與波 音脫鉤，它很可能會推進(jìn)自己的議程。例如，該公司已經(jīng)在其“明日之翼”項目上投資了近十年。這些發(fā)展可 能會轉(zhuǎn)化為A320neo系列飛機，我們認(rèn)為這可能是對波音公司任何新的單通道計劃的回應(yīng)。
航空航天供應(yīng)基地似乎渴望下一代飛機。幾年來， 該行業(yè)本身的盈利能力一直很低，新項目為差異化和增 長創(chuàng)造了機會。除了經(jīng)濟方面，許多供應(yīng)商的工程人才利用不足，一項新計劃可以幫助重振員工隊伍。
技術(shù)：擴大規(guī)模
在 2019 年的高峰期，波音 787 的產(chǎn)量達(dá)到了每月 14 架。空中客車公司計劃在 2028 年將A350的產(chǎn)量提高 到每月12架。然而，對于 A320 家族來說，產(chǎn)量要高得 多。空中客車公司宣布計劃到 2026 年將 A320neo 系列飛機的產(chǎn)量提高到每月 75 架。
如此高的生產(chǎn)率給復(fù)合材料帶來了許多挑戰(zhàn)。787 航空結(jié)構(gòu)是使用碳纖維預(yù)浸料的自動膠帶疊層（ATL） 制造的，這需要熱壓罐。例如，787 中央翼盒的固化時間為 8-9 小時。在非常高的生產(chǎn)率下，這些零件將需要 非常大的熱壓罐資本支出，再加上工廠空間來支持這么龐大的工業(yè)設(shè)施。
存在非熱壓罐（OOA）解決方案，這形成了“明日 之翼”和類似項目背后的大部分研究。然而，以這種飛 機的規(guī)模和生產(chǎn)速度來看，很少有例子。A220 比 A320 小，采用全復(fù)合材料機翼，依靠樹脂注入。盡管該計劃 的初衷是在沒有高壓釜的情況下生產(chǎn)機翼，但由于灌注 過程的缺陷，最終固化仍然需要熱壓罐。我們預(yù)計，為 了經(jīng)濟地生產(chǎn)這些飛機，機翼需要 OOA 工藝。
對于機身，技術(shù)開發(fā)仍然活躍。作為“清潔天空 2” 項目的一部分，歐盟目前有多功能機身演示器（MFFD） 計劃，該計劃展示了幾種新型熱塑性復(fù)合材料技術(shù)。日 本“HondaJet”公務(wù)機也采用了復(fù)合材料機身，其目標(biāo) 是在 2028 年獲得認(rèn)證，使飛機能夠在更高的高度飛行， 燃燒更少的燃料。值得注意的是，這種設(shè)計采用了熱塑 性塑料，Spirit AeroSystems 和 GKN Aerospace 幫助開創(chuàng) 了該飛機的許多工藝。如果從質(zhì)量和生產(chǎn)經(jīng)濟的角度來 看，這一計劃被證明是成功的，這將進(jìn)一步增強人們對 使用熱塑性復(fù)合材料航空結(jié)構(gòu)的信心。
空中客車公司和波音公司越是深入推進(jìn)這些新項 目，我們就越有可能相信包括機身在內(nèi)的熱塑性復(fù)合材 料將被納入這架飛機的設(shè)計中。如果波音公司在 2030 年 代上半年宣布飛機計劃，我們相信它很可能會有復(fù)合材 料機翼和鋁制機身。或者，如果這種情況發(fā)生在下一個十年末，它更有可能采用復(fù)合材料機身和熱塑性技術(shù)。
圖3. 年碳纖維需求量。復(fù)合材料單通道可能是 航空航天行業(yè)碳纖維需求的最大驅(qū)動因素之一。
下一座要攀登的山
對于復(fù)合材料行業(yè)來說，兩個大型單通道項目的影 響可能是顯著的（圖 3）。假設(shè)兩個全面升級的復(fù)合材料機翼單通道項目每月交付 100 架飛機（或總共 200 架）， 我們估計每年對超過 10000 公噸碳纖維的需求。包括機身在內(nèi)，這一數(shù)字上升到 13000 多公噸。這占目前航空 航天碳纖維需求量的90%以上，占所有細(xì)分市場每年消.11. 耗的 130000 多公噸碳纖維的近 10%。然而，碳纖維增長 的美元價值將遠(yuǎn)高于10%，因為航空航天消耗的碳纖維 在碳纖維行業(yè)的整體價值中所占比例要高得多。
然而，為了給航空航天領(lǐng)域一種規(guī)模感，我們最樂觀的城市空中交通（UAM-urban air mobility）預(yù)測為每年10000臺，預(yù)測整個行業(yè)只需要4000公噸碳纖維。因此， 盡管無人機被宣傳為航空航天復(fù)合材料的下一個前沿領(lǐng)域，但我們的分析表明，下一個單通道項目將對復(fù)合材料行業(yè)產(chǎn)生更大的影響。
除了滿足材料生產(chǎn)要求外，該行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn) 將是以可行的成本實現(xiàn)復(fù)合材料零件的質(zhì)量和一致的生產(chǎn)率。盡管自動化取得了進(jìn)步，但今天的大部分航空結(jié)構(gòu)活動仍然是勞動密集型的。復(fù)合材料尤其需要熟練 的勞動力。為了應(yīng)對這些飛機帶來的速率挑戰(zhàn)，航空航 天復(fù)合材料技術(shù)必須從一個工藝行業(yè)發(fā)展到一個以更自動化和高速率工藝為主的行業(yè)。
在下一代機身中采用復(fù)合材料需要新技術(shù)、先進(jìn)的 供應(yīng)鏈和原始設(shè)備制造商的領(lǐng)導(dǎo)。在航空航天復(fù)合材料 領(lǐng)域，下一個要攀登的高峰不僅僅是一次升級，而是一 次重新定義航空航天和復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)邊界的機會。
簡 評
空客“新 A320”機翼采用環(huán)氧熱固性碳纖維復(fù)合材料、機身采用高溫?zé)崴?性碳纖維復(fù)合材料，已經(jīng)是板上釘釘，毫無懸念了。
波音“新型中型飛機”（NMA），機身、機翼都采用復(fù)合材料。但是沒有提到用高溫?zé)崴苄蕴祭w維復(fù)合材料。 它的新特點是，客艙是雙通道；而貨艙是單通道設(shè)計。
到 2030 年波音推出代替現(xiàn) 737MAX 的新方案，飛機一但投入市場，C919 就更難與波音、空客競爭了！
原文見，《 The next-generation single-aisle: Implications for the composites industry 》 2024.6.14
楊超凡 2024.6.14