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譯者注：美國復(fù)合材料網(wǎng)站主編杰夫·斯洛安（Jeff Sloan）于2020年12月撰寫長篇文章，綜述了2020年度航空航天復(fù)合材料的發(fā)展情況，分析了疫情對復(fù)合材料行業(yè)和航空航天等高端制造業(yè)的潛在影響，并展望了復(fù)合材料行業(yè)在2021以及更遠(yuǎn)的未來的發(fā)展。
文章全文：
新冠病毒大流行對于各個行業(yè)來說，都是千百年來遇到的一次的重大災(zāi)難，對于航空行業(yè)來說更是如此，疫情以前所未有的方式遏制了原本應(yīng)穩(wěn)定快速發(fā)展的民航業(yè)。這種影響從航空公司開始，逐步蔓延到了主要飛機(jī)制造商和整個航空工業(yè)供應(yīng)鏈的各個環(huán)節(jié)。
2019年底，COVID-19開始肆虐。一年多以來，新冠病毒的易傳播性、致病后引起的較高住院率和死亡率，使各國政府不得不采取關(guān)閉企業(yè)，禁止大型聚會，要求佩戴口罩，保持社交距離等措施遏制病毒的快速傳播。在疫情更為嚴(yán)重的地方的一些政府還采取了封國舉措。許多人因此完全停止了搭乘航班進(jìn)行旅行、商務(wù)出差等活動。航空商旅行業(yè)、運(yùn)輸業(yè)受到了嚴(yán)重的打擊。
在疫情爆發(fā)初期，航空商旅運(yùn)輸下降了9 0% ，成千上萬架飛機(jī)停飛。隨著各國管制的措施、法規(guī)相繼出臺，一些逐步解禁，航空商旅運(yùn)輸市場實現(xiàn)了小幅度的復(fù)蘇。航空航天行業(yè)咨詢公司蒂爾集團(tuán)（Teal Group）表示，截至2020年10月下旬，航空商旅運(yùn)輸與2019年相比同比下降了約63％。多數(shù)航空公司均受到影響，遭遇航班停運(yùn)、員工收入不足或被裁員、新飛機(jī)采購延遲或取消等情況。一些體量較小的航空公司在此次疫情風(fēng)暴中倒閉。
一、空客與波音面臨的困境
受到疫情影響，波音公司和空客公司均選擇下調(diào)了所有在產(chǎn)機(jī)型生產(chǎn)率。由于兩次墜機(jī)事件導(dǎo)致于2019年停產(chǎn)的B737 MAX，波音公司實際上于2020年5月以非常低的生產(chǎn)速度重啟了該機(jī)生產(chǎn)計劃，其目的是盡快讓該機(jī)型重新通過適航審查以便實現(xiàn)復(fù)飛。波音表示，希望到2022年能夠?qū)737 MAX的月產(chǎn)量增加至31架。其他機(jī)型中，B777/777X每月產(chǎn)量減少到5架，B767減少到6架，大量使用復(fù)合材料的B787則減少到10架（預(yù)計到2021年可能繼續(xù)減少至6架）。
空客公司將A320產(chǎn)量從2019年的平均每月53架減少到40架。A330和大量應(yīng)用復(fù)合材料的A350產(chǎn)量分別減少到每月2架和6架。此外，波音公司于2020年10月初宣布，將在2021年關(guān)閉美國華盛頓州西雅圖市的所有787裝配廠，并將其合并到公司位于美國南卡羅來納州北查爾斯頓的工廠中。波音和空客公司的一些員工業(yè)已經(jīng)休假或遭到解雇。
大多數(shù)市場分析師預(yù)測，服務(wù)于國內(nèi)和相鄰區(qū)域航線的單通道飛機(jī)，如B737、A220和A320等，將先恢復(fù)運(yùn)營，有可能在2024年前使該類型飛機(jī)生產(chǎn)和交付恢復(fù)到2019年的水平。而大型雙通道飛機(jī)的恢復(fù)速度則會更慢。咨詢公司蒂爾集團(tuán)（Teal Group）預(yù)測，如B787、B777X，A350，A330等雙通道飛機(jī)的生產(chǎn)和交付可能直到2030年之后才能恢復(fù)到2019年的水平。
如果上述情況能夠順利實現(xiàn)，那么空客和波音公司的競爭力將發(fā)生明顯不同。空客公司能夠提供的飛機(jī)產(chǎn)品組合覆蓋所有類型的飛機(jī)，全面滿足所有航空公司的需求——從較小的單通道150座級客機(jī)A220到長途雙通道400座級客機(jī)A350-1000。而事實上，介于兩者之間的產(chǎn)品，是空客公司賺錢、成功的飛機(jī)產(chǎn)品，即單通道客機(jī)A320以及目前新的A321XLR。相反，波音公司則在三個方面充滿挑戰(zhàn)。先，由于飛機(jī)的自動飛行控制系統(tǒng)導(dǎo)致兩次致命的墜機(jī)事故，波音對標(biāo)空客A320系列的B737 MAX機(jī)型于2019年停飛。波音公司在2019年全年和2020年的大部分時間里都在修正自動飛行控制系統(tǒng)，不斷對其進(jìn)行測試，培訓(xùn)飛行員熟悉系統(tǒng)，力爭獲得美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）和歐盟航空安全局（EASA）的重新認(rèn)證。與此同時，新冠病毒大流行導(dǎo)致許多原本采購B737 MAX的客戶推遲甚至取消了訂單。波音公司的第二個挑戰(zhàn)在于旗下并沒有能夠與空客A321XLR競爭的機(jī)型。波音的第三個挑戰(zhàn)是B777X，該機(jī)型是非常成功的B777繼任者。在復(fù)合材料應(yīng)用方面，B777X引人注目，因為它具有航空航天工業(yè)史上大的碳纖維復(fù)合材料機(jī)翼，翼展達(dá)到71.8米。機(jī)翼由波音公司在其位于華盛頓州埃弗里特的復(fù)合材料機(jī)翼中心制造，并在位于美國加州巴倫西亞大型ASC工藝系統(tǒng)中的熱壓罐中進(jìn)行固化，這款熱壓罐直徑為8.5米，長為37米。不過，波音的要任務(wù)顯然是希望并且必須使B737 MAX重新投入使用，以便可以盡快產(chǎn)生回報，為此，所有其他項目似乎都是次要的。
二、高速率、高質(zhì)量成制造商要目標(biāo)
在新冠疫情發(fā)生之前，航空復(fù)合材料供應(yīng)鏈一直在緊鑼密鼓的備料，進(jìn)行技術(shù)儲備，為即將到來的1 ~2 個新飛機(jī)項目做準(zhǔn)備。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為這兩個項目將主要是設(shè)計和生產(chǎn)A320和B737單通道飛機(jī)的升級替代產(chǎn)品，計劃在2030年投入運(yùn)營。這兩款機(jī)型按照原計劃將以每月60-100架的速度制造，這將會生產(chǎn)和使用大量的復(fù)合材料。
新型單通道飛機(jī)復(fù)合材料的使用范圍目前還在討論中，但幾乎可以確定的是，機(jī)翼、翼盒和尾部結(jié)構(gòu)甚至機(jī)身，都將使用復(fù)合材料。以每天至少完成2件的速度制造如此巨大的航空結(jié)構(gòu)件，將需要利用非熱壓罐（OOA）材料和工藝，包括樹脂傳遞模塑（RTM）、液態(tài)樹脂灌注、壓縮模塑成形和熱塑性復(fù)合材料等。為此，從樹脂和纖維生產(chǎn)商到一級結(jié)構(gòu)制造商的全復(fù)合材料供應(yīng)鏈，都已經(jīng)在材料和工藝方面進(jìn)行了大量投資，以滿足上述預(yù)期需求。
但是，新冠疫情不僅減緩了現(xiàn)有飛機(jī)的生產(chǎn)速度，也推遲了新飛機(jī)的研發(fā)進(jìn)程，影響了供應(yīng)鏈中已經(jīng)部署的一些材料和工藝技術(shù)。這種影響表明，盡管對高速率，大批量復(fù)合材料制造的需求可能沒有預(yù)計迫切，但推進(jìn)和應(yīng)用相關(guān)技術(shù)同樣重要，特別是考慮到使用新材料和新工藝后進(jìn)行考核驗證，將會導(dǎo)致零部件交付時間增加。鑒于此，2020年，范圍內(nèi)有多個研發(fā)計劃正在開展，追求實現(xiàn)高速率、高質(zhì)量、非熱壓罐（OOA）工藝的航空復(fù)合材料制造解決方案。
1、“潔凈天空”2多功能機(jī)身演示驗證項目
上述的研發(fā)項目大部分都在歐洲進(jìn)行，利用歐盟公共資金的投入，人們對于正在研發(fā)的新技術(shù)有了更多的了解。歐洲受關(guān)注的計劃是“潔凈天空”2（Clean Sky 2），其中引人注目的子項目之一就是多功能機(jī)身演示驗證（MFFD）。該項目由空客公司與學(xué)術(shù)界和航空工業(yè)界的合作伙伴共同領(lǐng)導(dǎo)，其交付成果是一款長8米的熱塑性復(fù)合材料單通道商用飛機(jī)機(jī)身整體結(jié)構(gòu)，計劃于2022年生產(chǎn)。
2、“明日之翼”計劃
由空客公司牽頭的另一個備受矚目的項目則是“明日之翼”（WOT）。該項目旨在評估利用非熱壓罐工藝（OOA）制造機(jī)翼結(jié)構(gòu)（包括機(jī)翼蒙皮/縱梁，翼梁和翼肋等）的成本和技術(shù)可行性。參與該項目的主要企業(yè)和機(jī)構(gòu)包括斯普利特航空系統(tǒng)歐洲公司，英國GKN航宇公司，美國諾·格公司和英國復(fù)合材料中心。其中，斯普利特公司正在研發(fā)液態(tài)樹脂灌注工藝，以制造“明日之翼”項目中機(jī)翼下部蒙皮結(jié)構(gòu)，并在2020年闡述了項目目前取得的進(jìn)展。
機(jī)翼蒙皮中的干增強(qiáng)纖維材料由位于德國的帝人碳纖維歐洲公司提供。帝人主要提供中等模量、24k絲束的碳纖維。纖維規(guī)格包括單向（UD）織物以及雙軸和三軸非卷曲織物（NCF）。此外還包括玻璃纖維貼片，用于防止鉆孔開裂及電偶腐蝕。縱梁中也同樣使用了帝人提供的NCF增強(qiáng)材料，縱梁將通過自動化制造專家、Broetje-Automation公司（索爾維復(fù)合材料德國公司）開發(fā)的定制連續(xù)縱梁成型機(jī)制造。這款縱梁成型機(jī)能夠生產(chǎn)具有不同厚度、曲率和葉片角度的縱梁。制造機(jī)翼蒙皮的樹脂采用來自美國Alpharetta樹脂公司的單組分環(huán)氧樹脂體系。樹脂將通過“多個”注射點輸送到干增強(qiáng)材料中，這些注射點經(jīng)過精確選擇，大程度地提高注射速度和浸潤性。注射設(shè)備由英國復(fù)合材料融合公司（Composite Integration Ltd.）提供。
3、下一代擾流板項目
由空客公司和斯普利特航空系統(tǒng)公司共同牽頭的另一項先進(jìn)材料與工藝項目，更具有直接實用價值，也著眼了未來航空部件的生產(chǎn)制造。兩家企業(yè)合作致力于開發(fā)用于制造A320擾流板高度自動化的RTM生產(chǎn)線。在A320中，復(fù)合材料擾流板是手工制造而成的，每個機(jī)翼上各有5片。空客公司希望提高生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量，隨即與斯普利特公司合作，共同開發(fā)了目前斯普利特公司在其Prestwick工廠生產(chǎn)新型擾流板。
每個擾流板長約1.8米，寬約0.7米。其前端厚度約為50毫米，后緣的錐度面長度約為5毫米。每個擾流板在其前緣的中間還具有一個200x100毫米的金屬支架，A 320 桿端的機(jī)械作動器連接到該金屬支架上。此外，在每個擾流板前緣的拐角處，還有較小的金屬固定點。
斯普利特公司的RTM生產(chǎn)線包括在6臺德國Schmidt＆Heinzmann切割平臺上對來自日本帝人公司和美國赫氏公司提供的碳纖維織物進(jìn)行自動切割和拼裝，并在法國Pinette Emidecau工業(yè)公司提供的預(yù)成型機(jī)上進(jìn)行預(yù)成型，將預(yù)成型件手動載入RTM模具中，然后在比利時Coexpair公司提供的7臺RTM模壓機(jī)中的一臺上，對赫氏提供的RTM 6環(huán)氧樹脂進(jìn)行模制。每臺模壓機(jī)旁邊的樹脂泵系統(tǒng)，也由Coexpair提供。
當(dāng)生產(chǎn)線開啟全速生產(chǎn)時，這條生產(chǎn)線能夠以前所未有的速度、質(zhì)量和優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品一致性生產(chǎn)擾流板。這一效率在航空復(fù)合材料制造過程中也是前所未有。按照原計劃每月生產(chǎn)65架空客 A320 系列的速度（包括空客公司的新型A321 XLR），斯普利特公司的生產(chǎn)線每年將生產(chǎn)近6500個擾流板。假如按照每月100架飛機(jī)制造完成的理論速度計算，擾流板的制造效率將飆升至10000件 / 月。空客公司表示，與傳統(tǒng)工藝的擾流板相比，斯普利特設(shè)計制造的全新A320擾流板在保持重量不變的情況下，將成本降低了30%。
三、氫能越來越受到航空應(yīng)用的關(guān)注
燃燒氫能驅(qū)動的商用飛機(jī)，發(fā)展前景在2020年突然變得十分“迫切”。2020年6月，法國政府出臺的總價值170億美元的新冠疫情救助計劃，與歐洲潔凈天空2發(fā)布的“氫動力航空”研究報告的總目標(biāo)掛鉤。法國航空公司也表示，到2024年，將致力于將法國境內(nèi)航班的CO2排放量減少為目前的一半。7月，空客公司席執(zhí)行官Guillaume Faury在接受《航空周刊》的采訪時確認(rèn)，架“零碳”飛機(jī)EIS將在2035年問世。根據(jù)它的預(yù)計，該項目將于2027-2028年正式啟動，2025年前將使必要的技術(shù)快速成熟。
2020年9月，空客公司宣布啟動其ZEROe計劃，該計劃包括三種飛機(jī)概念，均由氫驅(qū)動。不過，氫作為主要燃料的可行性，極大程度上取決于新興的各類運(yùn)輸、傳送及存儲技術(shù)的迅速發(fā)展。將這類技術(shù)完全實現(xiàn)商業(yè)化并非易事，目前工程人員已經(jīng)進(jìn)行了各種嘗試。如果以氫能源為動力的航空飛行真正實現(xiàn)，那么它可能先在支線飛機(jī)中實現(xiàn)。之后是單通道飛機(jī)，如A220和A320等。晚實現(xiàn)氫動力飛行的飛機(jī)將會是以A350為代表的遠(yuǎn)程寬體機(jī)型。
復(fù)合材料在儲氫系統(tǒng)中使用的大挑戰(zhàn)之一是貯存液態(tài)氫燃料時需要面對的極低溫要求，空客公司稱這是其在ZEROe計劃要解決的要問題。另一大挑戰(zhàn)是在飛機(jī)飛行過程中，隨著飛機(jī)高度的升高和降低，外部環(huán)境壓力發(fā)生變化，對儲氫容器的壓力也發(fā)生了潛在變化。因此，若要在2035年前使氫動力飛行成為現(xiàn)實，都必須消除以上述兩大挑戰(zhàn)為代表的重大技術(shù)障礙。
四、熱固性與熱塑性復(fù)合材料展開競爭
復(fù)合材料通常被認(rèn)為是金屬材料的競爭者，但在航空航天領(lǐng)域，復(fù)合材料也會與自身展開競爭。其中典型的一個例子就是熱固性復(fù)合材料與熱塑性復(fù)合材料。熱固性復(fù)合材料已經(jīng)證明了其在航空航天領(lǐng)域中具有廣泛可靠的成功應(yīng)用經(jīng)驗；而熱塑性復(fù)合材料，盡管在工業(yè)界十分常見，但在大型航空一級結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用歷程并不長。近年來的一些研究對兩種材料及其相關(guān)工藝進(jìn)行了詳細(xì)的對比。
在德國奧格斯堡，德國航空航天中心（DLR）結(jié)構(gòu)與設(shè)計研究所下設(shè)的輕質(zhì)產(chǎn)品技術(shù)中心（ZLP），對比了雙通道空客A350液態(tài)模制的熱固性后壓力隔板（RPB）與單通道A320的熱塑性后壓力隔板。兩個項目均與一級結(jié)構(gòu)供應(yīng)商德國PAG公司（Premium Aerotec Group）合作，并在評估生產(chǎn)周期與制造成本的同時，還驗證了其自動化生產(chǎn)制造能力。
兩個項目的終成果尚未出爐，但卻非常具有應(yīng)用前景。熱固性樹脂灌注工藝在降低成本方面顯示出了巨大潛力，不過這種潛力需要一定程度上部署自動化生產(chǎn)制造能力以承擔(dān)先期成本，才能夠兌現(xiàn)。熱塑性復(fù)合材料的制造工藝使結(jié)構(gòu)重量從41千克減少到35千克，工藝和裝配時間減少了75%，部件總成本減少了10%以上，不過該技術(shù)需要進(jìn)一步成熟才會被更多的應(yīng)用到大型航空結(jié)構(gòu)部件生產(chǎn)中。
五、城市空中交通（UAM）成為全新戰(zhàn)場
城市空運(yùn)交通（UAM）目前正處于起步階段，不過這一領(lǐng)域?qū)τ诤娇諒?fù)合材料行業(yè)而言可能極其重要。按照目前的發(fā)展趨勢，城市空運(yùn)交通正在迅速崛起，成為復(fù)合材料制造業(yè)中自動化和工業(yè)化的重要驅(qū)動力。UAM飛行器一般指準(zhǔn)乘2-6人的小型的旋翼飛行器或固定翼飛機(jī)，由電池驅(qū)動，能夠垂直起降，可人力駕駛，也可自動駕駛。UAM飛行器一般被設(shè)計作為城際間的空中貨運(yùn)交通工具，此外也可成為一種全新的客運(yùn)交通工具，提供空中出租車服務(wù)。
如今已經(jīng)有超過100家公司正專注于開發(fā)用于空中出租車或空中貨運(yùn)服務(wù)的UAM飛行器，但是只有少數(shù)公司獲得了充足的資金生產(chǎn)原型機(jī)或演示驗證機(jī)。幾個典型的公司分別是：美國Beta科技（BetaTechnologies），億航（EHang），美國Joby航空（Joby Aviation），德國Lilium，斯洛文尼亞Pipistrel，德國Volocopter和美國威斯克（Wisk）。上述廠商都在其工藝中廣泛使用了復(fù)合材料，但是鑒于每家廠商都還仍處于原型機(jī)制造階段，因此制造工藝主要還是傳統(tǒng)的手工鋪放成型。不過隨著產(chǎn)品的迭代發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，自動化的生產(chǎn)方式終將應(yīng)用其中。
六、超聲速飛行取得進(jìn)展
2020年，有兩家公司正在開發(fā)全新的超聲速客機(jī)的公司備受矚目。其一是美國Boom Supersonic公司，另一家是美國Aerion公司。2020年10月7日，Boom推出了XB-1超聲速飛機(jī)，這是其主打產(chǎn)品“序幕”（Overture）超音速噴氣機(jī)的三分之一縮比演示驗證機(jī)。大量使用復(fù)合材料的XB-1將展示和驗證“序幕”的多項關(guān)鍵技術(shù)。Aerion則正在開發(fā)AS2公務(wù)機(jī)。該機(jī)可容納8-10名乘客，其超聲速巡航速度為1.4馬赫。該機(jī)有望實現(xiàn)4小時內(nèi)從紐約飛抵倫敦，在短短7個小時內(nèi)實現(xiàn)從倫敦飛往北京。2020年7月，Aerion與斯普利特航空系統(tǒng)公司簽署了一項備忘錄協(xié)議，擴(kuò)大斯普利特公司在AS2項目研發(fā)中的作用，包括前機(jī)身等部件的生產(chǎn)等。作為協(xié)議的一部分，斯普利特公司承諾對AS2進(jìn)行更多的投資，并增加了用于AS2復(fù)合材料前機(jī)身設(shè)計的工程資源。
譯者結(jié)語：
縱覽2020年，復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的市場發(fā)展情況，大致可以總結(jié)為幾點：
，堅持加強(qiáng)未來技術(shù)儲備。以航空航天工業(yè)為代表的高端復(fù)合材料制造業(yè)，依然是技術(shù)推動型產(chǎn)業(yè)。無論是波音、空客等航空工業(yè)主承包商，還是斯普利特、GKN航宇等復(fù)合材料制造商，都不遺余力的加強(qiáng)在復(fù)合材料新技術(shù)方面的投入。雖然疫情影響了投入的力度，但廠商們似乎達(dá)成了共識，在新技術(shù)的研發(fā)和投入方面沒有放慢腳步，反而由于疫情的影響擴(kuò)大了合作，為共同維持復(fù)合材料制造技術(shù)能力和供應(yīng)鏈完整性做出努力，以期厚積薄發(fā)，在疫情緩解后的市場中占據(jù)優(yōu)勢。
第二，堅持低成本制造技術(shù)的應(yīng)用。疫情帶來的影響是顯而易見的，高端制造業(yè)頗受打擊。昂貴的、低效的制造技術(shù)很可能在重大災(zāi)難面前“不堪一擊”，高效率、高質(zhì)量、低成本的制造技術(shù)必然是復(fù)合材料制造業(yè)的發(fā)展趨勢。自動化制造技術(shù)的大面積應(yīng)用、非熱壓罐技術(shù)（OOA）的進(jìn)步，還是熱塑性復(fù)合材料及制造技術(shù)的推廣，疫情的爆發(fā)讓上述技術(shù)的應(yīng)用、發(fā)展和推廣進(jìn)程進(jìn)一步加快。
第三，新能源、新材料、新應(yīng)用加大了對復(fù)合材料的需求。航空航天領(lǐng)域?qū)?fù)合材料的應(yīng)用，帶動了一些新興技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。這些新興領(lǐng)域同樣需要大量應(yīng)用復(fù)合材料，這就形成了一種產(chǎn)業(yè)循環(huán)。例如，不斷追求綠色航空的需求，推動了以氫能為代表的清潔能源在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，氫能的貯存問題，推動了壓力儲能容器行業(yè)的發(fā)展，而這一領(lǐng)域恰恰是對于高端復(fù)合材料的應(yīng)用需求較為迫切。再比如城市交通的擁堵和航空民用技術(shù)的低成本化，推動了城市空中交通的發(fā)展，無論是應(yīng)用于貨運(yùn)還是客運(yùn)，城市空中交通飛行器也已經(jīng)成為了近年來航空行業(yè)發(fā)展的新市場，這類小型的載荷飛行器屬于典型的“復(fù)合材料密集型”產(chǎn)品。
（翻譯：航空工業(yè)發(fā)展中心 陳濟(jì)桁）