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- 為什么復(fù)合材料現(xiàn)在很重要：到2050年，航空旅行每年增長(zhǎng)約4%，減少結(jié)構(gòu)重量和改善空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)減少排放至關(guān)重要。
- 節(jié)約背后的科學(xué)：了解碳纖維增強(qiáng)聚合物不僅可以減輕重量，還可以實(shí)現(xiàn)更具空氣動(dòng)力學(xué)效率的設(shè)計(jì)。
- 復(fù)合材料的性能：了解復(fù)合材料與金屬的不同之處，以及哪些性能推動(dòng)了其使用的好處。
- 當(dāng)前和未來(lái)的機(jī)會(huì)：探索現(xiàn)代飛機(jī)如何使用復(fù)合材料來(lái)提高效率，以及下一代和未來(lái)的概念如何從復(fù)合材料中受益。
無(wú)論您是經(jīng)驗(yàn)豐富的復(fù)合材料專業(yè)人士還是行業(yè)新手，本白皮書(shū)都將為您提供數(shù)據(jù)和見(jiàn)解，以了解為什么復(fù)合材料不再是可選的，而是實(shí)現(xiàn)下一代效率和可持續(xù)性目標(biāo)所必需的。
摘要
隨著全球航空業(yè)預(yù)計(jì)在未來(lái)幾十年將大幅增長(zhǎng)，該行業(yè)需要能夠降低碳排放和提高飛機(jī)燃油效率的技術(shù)。復(fù)合材料，已經(jīng)在空客A350和空客A350等現(xiàn)代飛機(jī)上發(fā)生了變革。波音787將在實(shí)現(xiàn)凈零排放的道路上發(fā)揮關(guān)鍵作用。本白皮書(shū)探討了如何復(fù)合材料提供了高強(qiáng)度、低重量和適應(yīng)性的令人信服的組合飛機(jī)設(shè)計(jì)師。這些特性使工程師能夠平衡潛在的權(quán)衡在空氣動(dòng)力學(xué)性能和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)之間——產(chǎn)生大量燃料減少與金屬設(shè)計(jì)相比。利用復(fù)合材料技術(shù)將是航空航天的關(guān)鍵制造商將交付下一代飛機(jī)設(shè)計(jì)，能夠顯著減少燃料消耗和碳排放。
空中客車A350機(jī)翼廣泛使用復(fù)合材料
飛機(jī)燃油效率
行業(yè)趨勢(shì)將需要更省油的飛機(jī)，而復(fù)合材料是關(guān)鍵的推動(dòng)因素
航空工業(yè)燃油效率 每位乘客/英里二氧化碳排放量
國(guó)際民航組織預(yù)測(cè)，到2050年，航空旅行將每年增長(zhǎng)4%
為了實(shí)現(xiàn)行業(yè)的脫碳目標(biāo)，該行業(yè)需要在降低飛機(jī)燃料消耗方面繼續(xù)取得進(jìn)展。國(guó)際民用航空組織（ICAO）預(yù)測(cè)，從2023年到2050年，航空旅行將以每年4%的速度增長(zhǎng)。如果不進(jìn)一步提高效率，該行業(yè)的排放量將繼續(xù)增長(zhǎng)。其他創(chuàng)新，如可持續(xù)航空燃料（SAF）或替代推進(jìn)技術(shù)，可以幫助實(shí)現(xiàn)凈零排放，但SAF的高昂成本和新推進(jìn)技術(shù)的漫長(zhǎng)時(shí)間給該行業(yè)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。首先使用現(xiàn)有技術(shù)減少燃料消耗量是一個(gè)關(guān)鍵步驟。此外，燃料通常是航空公司最大的單一支出（占航空公司運(yùn)營(yíng)支出的四分之一到三分之一），降低燃料消耗對(duì)航空公司的運(yùn)營(yíng)和盈利能力至關(guān)重要。
從歷史上看，飛機(jī)制造商通過(guò)四個(gè)主要手段提高了燃油效率（就每乘客英里燃油而言）：改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、提高座椅和乘客密度、改善空氣動(dòng)力學(xué)和降低結(jié)構(gòu)重量。2022年的一項(xiàng)研究考察了這些杠桿隨著時(shí)間的推移對(duì)節(jié)省燃料的貢獻(xiàn)，如頁(yè)面底部的圖表所示。到目前為止，現(xiàn)有車隊(duì)的大部分改進(jìn)都來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。座位和乘客密度也是主要因素，特別是在21世紀(jì)初低成本航空公司擴(kuò)張期間。麥肯錫的一項(xiàng)分析使用了不同的方法，發(fā)現(xiàn)2005年至2019年間近一半的燃油效率節(jié)省是由于座椅密度和乘客載客率，而不是飛機(jī)的改進(jìn)。
隨著空中客車A380、波音787和空中客車A350的推出，空氣動(dòng)力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)重量實(shí)現(xiàn)了飛躍。A380在中央機(jī)翼結(jié)構(gòu)中引入了碳纖維復(fù)合材料。波音787的機(jī)翼和機(jī)身都采用了復(fù)合材料，將復(fù)合材料融入了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的50%。空中客車公司與A350遵循了類似的道路，復(fù)合材料占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的53%。這遵循了飛機(jī)項(xiàng)目比早期設(shè)計(jì)采用更多復(fù)合材料的更廣泛趨勢(shì)?？湛偷腁220采用復(fù)合材料機(jī)翼，波音的777X也是復(fù)合材料機(jī)翼。
盡管結(jié)構(gòu)重量迄今為止發(fā)揮的作用較小，但未來(lái)可能會(huì)發(fā)生變化。乘客密度正在接近自然極限。突破發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的界限將需要重大的設(shè)計(jì)變革，例如開(kāi)放式轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，這將需要時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證改進(jìn)和減輕結(jié)構(gòu)重量，這在下一代項(xiàng)目中比我們歷史上看到的更為重要。對(duì)于飛機(jī)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料在改善空氣動(dòng)力學(xué)和減輕結(jié)構(gòu)重量方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用——我們將在下一節(jié)探討這一折衷方案。飛機(jī)燃油效率的來(lái)源。
1960年至2019年間對(duì)飛機(jī)效率提高的相對(duì)貢獻(xiàn)
優(yōu)化重量和阻力
重量和阻力在飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)中有固有的權(quán)衡，飛機(jī)巡航阻力的約40%與飛機(jī)重量有關(guān)
飛機(jī)巡航阻力的約40%與飛機(jī)重量有關(guān)
對(duì)于飛機(jī)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，重量和氣動(dòng)性能形成復(fù)合體平衡行為。這兩個(gè)因素密切相關(guān)，通過(guò)關(guān)系連接在升力和阻力之間。當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定、水平飛行，作用在其上的力—升力、重量、推力和阻力—是平衡的。機(jī)翼必須產(chǎn)生足夠的能量提升以平衡飛機(jī)的重量，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)必須產(chǎn)生足夠的推力以克服空氣動(dòng)力阻力。飛機(jī)的阻力越大，所需的發(fā)動(dòng)機(jī)推力越大，導(dǎo)致燃油消耗增加、碳排放增加。
飛機(jī)上的阻力來(lái)自幾個(gè)方面。這些來(lái)源的比例隨著飛機(jī)燃燒燃料，但通常飛行中大約一半的阻力是由空氣和飛機(jī)表面之間的摩擦。大約40%的阻力是升力引起的阻力，由機(jī)翼下方的高壓空氣從翼尖周圍溢出到低壓引起這種氣流產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)的空氣，就像剎車一樣，使飛機(jī)減速。
典型單通道飛機(jī)的阻力組成。
巡航時(shí)作用在飛機(jī)上的總阻力百分比
這樣，飛機(jī)的重量對(duì)碳排放有直接影響。較重的飛機(jī)需要更大的升力→ 產(chǎn)生更多的升力誘導(dǎo)阻力→ 需要發(fā)動(dòng)機(jī)提供更大的推力→ 消耗更多的燃料來(lái)產(chǎn)生推力→ 通過(guò)更高的燃料消耗產(chǎn)生更大的碳排放。飛機(jī)不僅在起飛時(shí)感受到這種效果，而且在飛機(jī)飛行的每一英里中都會(huì)感受到這種影響。這種關(guān)系可能會(huì)產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)—如果飛機(jī)需要更多的燃料來(lái)承載額外的重量，那么這些燃料也會(huì)產(chǎn)生阻力損失，需要更多的燃油。飛機(jī)設(shè)計(jì)師可以通過(guò)兩種主要方式減少升力引起的阻力：
?降低飛機(jī)重量
通過(guò)減少必須提升的質(zhì)量，航空公司可以減少燃料消耗。即使飛機(jī)重量發(fā)生相對(duì)較小的變化，也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。例如，2014年，美國(guó)航空公司用1.2磅（0.5公斤）的平板電腦取代了5磅（2.3公斤）的空乘手冊(cè)，每年為航空公司節(jié)省了約65萬(wàn)美元的燃料。同樣，在飛機(jī)設(shè)計(jì)中使用更輕的材料可以減少誘導(dǎo)阻力并提高效率。
?優(yōu)化機(jī)翼設(shè)計(jì)
工程師可以優(yōu)化機(jī)翼的特性以降低誘導(dǎo)阻力。一種選擇是使用更長(zhǎng)、更細(xì)的機(jī)翼。對(duì)于固定翼區(qū)域，較長(zhǎng)的翼展可以減少誘導(dǎo)阻力，因?yàn)樗梢允箼C(jī)翼更有效地產(chǎn)生升力。然而，這并非沒(méi)有權(quán)衡；較長(zhǎng)的機(jī)翼通常會(huì)增加重量。設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)是取得適當(dāng)?shù)钠胶?，確保任何額外的重量都不會(huì)抵消空氣動(dòng)力學(xué)的好處。
機(jī)翼設(shè)計(jì)比較。
復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)更寬的翼展，從而減少升力引起的阻力
同樣，與前幾代777飛機(jī)的金屬機(jī)翼相比，波音即將推出的777X系列采用了復(fù)合材料機(jī)翼。777X具有細(xì)長(zhǎng)的機(jī)翼，提高了空氣動(dòng)力學(xué)效率。盡管比前幾代稍大，但777X需要一個(gè)功率較小的發(fā)動(dòng)機(jī)，這反映了這些空氣動(dòng)力學(xué)變化所需的較低推力。這種機(jī)翼的優(yōu)點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，飛機(jī)具有可折疊的翼尖，以確保飛機(jī)可以使用與早期777相同的機(jī)場(chǎng)設(shè)施。
空中客車公司也采取了類似的做法。該公司的A350和A220飛機(jī)都采用了細(xì)長(zhǎng)的復(fù)合材料機(jī)翼，提高了空氣動(dòng)力學(xué)性能。下一節(jié)將詳細(xì)介紹復(fù)合材料的特性，使設(shè)計(jì)師能夠?qū)⒖諝鈩?dòng)力學(xué)的這些改進(jìn)融入現(xiàn)代飛機(jī)。
復(fù)合材料的性能
復(fù)合材料具有高強(qiáng)度和剛度，可以根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行定制
下一頁(yè)的表格顯示了與常見(jiàn)航空航天金屬相比，碳纖維的選定性能。顯示了特定等級(jí)的纖維（Hexcel的HexTow®IM7）和這些纖維與樹(shù)脂基質(zhì)結(jié)合成單向（UD）帶時(shí)的性能。材料選擇取決于除此處所示因素之外的一系列因素，但該表顯示了沿這些尺寸的高性能碳纖維。這些特性使得復(fù)合材料在現(xiàn)代機(jī)翼設(shè)計(jì)中不可或缺。制造更長(zhǎng)、更薄的機(jī)翼而不相應(yīng)增加重量的能力不僅提高了空氣動(dòng)力學(xué)效率，而且直接轉(zhuǎn)化為節(jié)省燃料。在上述示例中，與767相比，787的燃油效率提高了約25%，預(yù)計(jì)777X的燃油效率將比777-300ER高出10-15%。這兩種飛機(jī)都配備了更新的發(fā)動(dòng)機(jī)，這有助于這些改進(jìn)，但空氣動(dòng)力學(xué)和輕質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有助于提高效率。
常見(jiàn)航空航天材料的性能
相對(duì)于鋁2024-T4的重量強(qiáng)度和重量剛度
學(xué)術(shù)研究也可以讓人感覺(jué)到復(fù)合材料比金屬設(shè)計(jì)的好處。密歇根大學(xué)的一項(xiàng)優(yōu)化研究比較了金屬機(jī)翼與復(fù)合材料機(jī)翼，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料機(jī)翼輕30-40%，可節(jié)省5-8%的燃料。13同樣，美國(guó)國(guó)家航空航天局對(duì)下一代單通道飛機(jī)的一項(xiàng)研究估計(jì)，使用機(jī)翼和機(jī)身中的最新復(fù)合材料技術(shù)，新飛機(jī)項(xiàng)目的空氣動(dòng)力學(xué)效率可以提高7%，飛機(jī)的空重可以提高9%。綜合起來(lái)，該研究估計(jì)燃料消耗可節(jié)省7%。對(duì)于一架典型的單通道飛機(jī)，這相當(dāng)于飛機(jī)每小時(shí)運(yùn)行約275加侖（1041升）的燃料4或600美元的成本。在飛機(jī)的整個(gè)生命周期內(nèi)，這些改進(jìn)產(chǎn)生了巨大的影響。根據(jù)麻省理工學(xué)院航空公司數(shù)據(jù)項(xiàng)目4的大型窄體（單通道）飛機(jī)2019年的平均輪擋飛行時(shí)數(shù)和燃料消耗，這相當(dāng)于在假設(shè)的25年飛機(jī)壽命內(nèi)節(jié)省了600萬(wàn)加侖的燃料。由于每磅燃料產(chǎn)生超過(guò)3磅的二氧化碳排放，每架飛機(jī)的二氧化碳排放量減少了6萬(wàn)噸。為了給人一種規(guī)模感，60000噸二氧化碳相當(dāng)于1500輛中型乘用車在其生命周期內(nèi)產(chǎn)生的排放量。
受益于復(fù)合材料技術(shù)的不僅僅是機(jī)翼。飛機(jī)設(shè)計(jì)師越來(lái)越多地將復(fù)合材料應(yīng)用于垂直和水平穩(wěn)定的機(jī)艙、機(jī)身（如波音787和空客A350）以及風(fēng)扇葉片和外殼等發(fā)動(dòng)機(jī)部件。在這些應(yīng)用中，主要優(yōu)點(diǎn)仍然是減輕重量。然而，與機(jī)翼部件不同，這些區(qū)域中的許多都沒(méi)有額外的空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)師還必須仔細(xì)評(píng)估復(fù)合材料是否是應(yīng)用的最佳材料。在這些決策中，次要的好處，如更好的抗疲勞性和耐腐蝕性是一個(gè)重要的考慮因素，因?yàn)閺?fù)合材料還可以通過(guò)延長(zhǎng)壽命來(lái)降低維護(hù)成本。例如，在經(jīng)過(guò)例行維護(hù)檢查的700架波音787中，沒(méi)有一架顯示出機(jī)身疲勞的跡象。
在一架飛機(jī)上使用復(fù)合材料節(jié)省的燃料，可能相當(dāng)于從道路上減少1500輛乘用車。
下一代飛機(jī)設(shè)計(jì)
先進(jìn)的概念依賴于先進(jìn)的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)
隨著航空航天工業(yè)努力實(shí)現(xiàn)凈零排放，復(fù)合材料在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的作用將進(jìn)一步擴(kuò)大。在下圖中，圖表中的每個(gè)堆疊條表示一架飛機(jī)的空重，條數(shù)表示根據(jù)制造商的預(yù)測(cè)每月生產(chǎn)的飛機(jī)數(shù)量。波音和空客目前的單通道飛機(jī)是業(yè)內(nèi)生產(chǎn)率最高的。這些飛機(jī)基于幾十年前的設(shè)計(jì)，使用的復(fù)合材料比最近的項(xiàng)目少得多。在這些飛機(jī)的下一代設(shè)計(jì)中加入更多的復(fù)合材料仍然是提高該行業(yè)燃油效率的最大機(jī)會(huì)之一。
該行業(yè)正在積極研究如何在這些設(shè)計(jì)中增加復(fù)合材料的使用?？罩锌蛙嚬镜?ldquo;明日之翼”計(jì)劃是一項(xiàng)合作倡議，專注于輕質(zhì)材料、改進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)和自動(dòng)化制造。同樣，空中客車公司多功能機(jī)身演示器（MFFD）是一項(xiàng)研究倡議，專注于改進(jìn)飛機(jī)機(jī)身設(shè)計(jì)。目標(biāo)是整合先進(jìn)的復(fù)合材料、模塊化結(jié)構(gòu)和多功能組件。
單通道飛機(jī)的機(jī)遇。
根據(jù)2027年預(yù)測(cè)的月平均交付量交付的飛機(jī)累計(jì)空重
先進(jìn)概念
JetZero的全復(fù)合材料混合翼身設(shè)計(jì)進(jìn)一步降低了空氣動(dòng)力阻力
在公司2025年峰會(huì)上談到下一代單通道時(shí)，空中客車公司的Karim Mokkadem表示：“一切都將轉(zhuǎn)向更長(zhǎng)、更窄、更薄的機(jī)翼，以增加升力并減少阻力。與此同時(shí)，這些機(jī)翼將由新材料制成——更輕的材料、復(fù)合材料。”
先進(jìn)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)理念也大量使用了復(fù)合材料。美國(guó)國(guó)家航空航天局和其他組織對(duì)高縱橫比和超高縱橫比機(jī)翼的研究旨在進(jìn)一步突破機(jī)翼技術(shù)的界限，以減少誘導(dǎo)阻力。
更具革命性的設(shè)計(jì)將飛機(jī)的機(jī)翼和機(jī)身平滑地融合成一種形式。幾家制造商已經(jīng)探索了這種“混合翼身”，如美國(guó)國(guó)家航空航天局和波音公司的X-48演示機(jī)。航空初創(chuàng)公司JetZero的目標(biāo)是將250名乘客的版本推向市場(chǎng)。他們的設(shè)計(jì)依賴于復(fù)合材料20來(lái)提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和生產(chǎn)靈活性，以創(chuàng)造這些光滑、復(fù)雜的形狀。
盡管有性能優(yōu)勢(shì)，但復(fù)合材料的初始成本可能高于金屬，某些制造工藝可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間?？紤]到整個(gè)生命周期的成本，復(fù)合材料的性能通常優(yōu)于金屬—材料的初始較高價(jià)格被燃料和維護(hù)的服務(wù)節(jié)省所抵消—但這些權(quán)衡對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)是復(fù)雜的決定。創(chuàng)新繼續(xù)尋找以更高的速度更具成本效益地生產(chǎn)復(fù)合材料部件的方法。
復(fù)合材料不再僅僅是一種優(yōu)勢(shì)，而是實(shí)現(xiàn)未來(lái)航空效率和可持續(xù)性目標(biāo)的必要條件。通過(guò)使設(shè)計(jì)師能夠優(yōu)化飛機(jī)結(jié)構(gòu)以減輕重量和增強(qiáng)空氣動(dòng)力學(xué)，復(fù)合材料提供了可測(cè)量的減排和改進(jìn)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。復(fù)合材料的影響已經(jīng)在現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)中顯現(xiàn)出來(lái)，并將在未來(lái)變得越來(lái)越重要。