近两年航空航天复合材料发展短暂停滞
来源：国际航空 2022-03-01 10:03:00
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原文：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-11843.html 热塑性复合材料、非热压罐成型、3D打印等未来复合材料技术正逐渐走向舞台中央，氢储罐、城市空中交通飞行器也将成为应用复合材料的新市场。
商用飞机复合材料的未来
波音787和空客A350中使用的复合材料占单机重量的50%以上，它们也代表着复合材料在主承力结构中应用的里程碑。然而，对这两型飞机需求的不足，抑制了市场对用于制造飞机的复合材料——包括纤维、树脂、胶粘剂等材料的需求。此外，由于航空复合材料供应链相对比较集中，因此对于需求端的这种变化非常敏感。在这种现实条件下，这两年的疫情爆发给服务于航空复合材料行业的材料供应商和制造商带来了诸多挑战。
2020年4月30日，第二架波音777X首飞成功。从复合材料的角度来看，777X具有航空航天工业中最大的碳纤维复合材料机翼，翼展长达71.8m。
“明日之翼”计划的首款全尺寸机翼原型件
疫情可能推迟新款单通道飞机研发的时间，但并没有改变空客和波音对未来单通道客机基本材料和工艺技术的要求。尤其是空客一直在与供应商积极沟通，要求加快复合材料技术的成熟，并为飞机高速生产做好准备。
想要实现这个目标并非易事，因为航空航天工业目前已经存在很多高品质且经过数十年应用验证过的材料。主机或者一些零部件制造商不会主动放弃这些物美价廉的成熟材料，只是其中大部分材料均需要采用热压罐固化。如果彻底摆脱热压罐固化过程，以目前的技术水平，需要使用液态树脂灌注、树脂传递模塑(RTM)、压制模塑或索性更换使用热塑性复合材料，无论是哪种方式，都需要对材料进行一定程度的鉴定，而材料鉴定是一个既耗时且成本高昂的过程。不过，如果主机制造商的最终回报是高效且具有成本效益的高质量机身结构或部件结构，那么就拥有足够的理由去完成相应的材料鉴定。
GKN航宇公司设计的翼肋成为“明日之翼”演示验证件上的第14号翼肋部件
能够让厂商付诸这种努力，在航空复合材料行业中的一些项目中体现的最为明显。目前最引人注目的项目就是空客发展多年的“明日之翼”计划，该项目由一系列一级供应商组成的团队共同参与，旨在研发出用于制造单通道飞机机翼的非热压罐复合材料用材体系和工艺技术。“明日之翼”项目的合作伙伴包括美国势必锐航空系统公司（下机翼蒙皮灌注成型）、英国GKN航宇（翼梁、翼肋设计制造）、法国大合公司（翼梁、翼肋设计制造）、奥地利FACC公司（襟翼制造）和空客（上机翼蒙皮制造）自身。
空客于2021年9月22日宣布，已经开始组装第一个“明日之翼”的原型件。在整个项目完成过程中，将共制造三个全尺寸机翼原型件。第一个将主要用于了解系统集成；第二个将进行结构测试，并与计算建模结果进行比对；第三个将完全装配；并测试规模化生产可行性，并与工业建模结果进行比较。
值得注意的是，“明日之翼”项目目前正在评估使用热塑性复合材料制造翼肋。这项工作是非常值得关注的，因为即使在波音787和空客A350中，翼肋也是采用铝合金制成的。翼肋转向复合材料将是行业的重要里程碑，两家一级航空航天制造商已开发出用于制造翼肋的复合材料和工艺。GKN航宇公司已经完成了机翼第14翼肋部件的演示验证件，该部件使用索尔维复合材料公司提供的碳纤维/聚醚酮酮单向预浸带压制成型工艺。法国大合公司也使用类似工艺开发了5个翼肋演示验证件，主要采用了东丽先进复合材料公司提供的碳纤维/聚芳醚酮单向预浸带。
大合集团在“明日之翼”项目中负责的五个翼肋和1个翼梁所在的位置
大合集团同时还使用真空袋非热压罐热固性复合材料为“明日之翼”制造了一款2m长的内翼梁结构。该结构使用美国赫式公司的177℃非热压罐固化M56环氧树脂，预浸入赫式公司的AS4碳纤维织物和IM7单向碳纤维带制造而成。翼梁制造的过程使用法国科里奥利复合材料公司的自动纤维铺放（AFP）系统，这套系统目前支持材料的阳模制造。铺层后，翼梁部件利用非热压罐工艺固化而成。
大合集团为空客“明日之翼”项目开发的内翼梁结构
为飞机结构开发新的复合材料和工艺的另一项重要工作，就是“洁净天空2”（Clean Sky 2）计划。这是一项针对使用复合材料和非复合材料的各类飞机零部件和系统技术的欧盟计划。“洁净天空2”中，与复合材料相关项目主要包括热塑性复合材料在机身结构中的应用、热塑性复合材料焊接技术、翼盒灌注工艺、3D打印技术、热隔膜成型（HDF）等发展和应用。
氢动力相关研究处于上升期
2020年6月，当法国政府宣布推行总价值170亿美元的新冠疫情救助计划与“洁净天空2”计划中发布的“氢动力航空”研究报告中的目标挂钩时，氢动力商用飞机的发展前景突然变得非常明确，需求也变得迫切。法国航空公司也就此表态，希望到2024年，能够将国内航班执飞过程中的二氧化碳排放量减少一半。
2020年9月，空客宣布启动ZEROe计划，该计划包括三种飞机概念，每一种都由氢能源提供动力：
空客ZEROe计划的三种飞机概念
2021年4月，空客宣布了一项全新的ASCEND计划，意在通过结合液氢和超导技术，演示验证纯电或混合电力推进系统。空客表示，将在其德国子公司UpNext建造一台地面演示验证机，其目标是与传统推进技术相比，动力系统重量和电力损失至少减少50%，同时将效率提高5%～6%。使用超导技术带来的挑战是需要长时低温。ASCEND计划演示验证机搭载的动力系统将包含低温冷却系统、超导电机、低温冷却电机控制单元和超导配电系统（包括电缆和保护结构）等。ASCEND计划将2022—2023年选择演示验证概念方案，2025年制造出演示验证机，并在2025—2026年确定最终飞机方案，以便完成其2035年前投入使用的目标。
随着氢燃料推进系统的发展，无论氢燃料是气态或是液态，复合材料在氢储存和输送中将扮演至关重要的角色。用于储存氢能源的复合材料压力容器主要为IV型——全复合材料结构，通常具有聚合物（通常是高密度聚乙烯）衬里以及碳纤维或碳纤维/玻璃纤维混合复合材料内部结构，复合材料承担全部结构载荷。碳纤维IV型容器强度高、重量轻，由于所用纤维类型要求较高，因此往往比金属储罐成本更高。碳纤维在低温储罐中的使用更为受限，预计未来的主要研发工作将集中在这一领域。
美国环球氢能公司使用氢燃料电池推进系统改装超过15架ATR 72 和德·哈维兰公司的冲-8区域涡轮螺旋桨飞机
从事储氢的科技公司美国环球氢能，正在开发用于商用飞机的干碳纤维外包裹储氢模块。该公司在2021年7月宣布与冰岛航空集团、诺斯特姆航空公司和阿拉斯加海盗航空公司签署了意向书，推广使用氢燃料电池推进系统改造超过15架ATR 72和加拿大德·哈维兰公司的冲-8（Dash 8）系列区域涡轮螺旋桨飞机。
除了航空航天外，氢动力的发展所涉及领域非常广泛，包括汽车/卡车运输行业和轨道运输行业等。受此影响，储氢技术和产品目前也得以迅速发展。
城市空中交通
城市空中交通(UAM)有时也称为先进空中交通(AAM)，该领域正在不断发展和成熟过程中。纵览全球，目前全球有100多家公司致力于开发用于空中出租车或货运服务的UAM飞行器，但只有少数公司获得了足够的资金来生产飞行器原型机或概念验证机。比较有代表性的有美国贝塔科技公司、乔比航空、德国Lilium、德国Volocopter公司、英国垂直航空公司等。
英国垂直航空公司是一家专注于零排放航空的全球航空航天和技术公司，已获得超过2亿美元的外部融资，用于支持VA-X4 eVTOL飞行器的生产和认证
尽管从技术上讲，UAM的数量可能不会像汽车那样多，但预期的市场总量代表了航空航天复合材料行业前所未有的变化，即使是每年增加1000架UAM飞行器，航空结构所需的复合材料也将要求高产能。正因为如此，复合材料行业预计对更高效、一致性更好、自动化程度更高、成本效益更好的航空结构制造需求更加迫切，整个行业也将面临范式转变。复合材料制造迈向上述真正的“工业化”，被认为是该行业整体成熟的必要条件，但由于缺乏强大的市场驱动力，这使工业化进程变得虚幻而不切实际。不过，随着UAM领域的发展，复合材料行业目前拥有了实现工业化的潜在驱动力。
所有UAM飞行器制造商都必须在设计制造中大量使用复合材料。鉴于制造商目前大多是仍处于原型机设计或演示验证阶段，使用的材料和工艺都主要专注于使用合格技术，包括人工铺放和热压罐固化。如果每年UAM飞行器的市场需求为数百架数量级，那么这种技术已经足以满足需求。但随着市场的增长和年产量的扩张，必须开发使用其他材料和工艺技术才能实现产量扩张需求。非热压罐材料和工艺，包括热塑性复合材料等，几乎肯定会因为UAM的发展而加速成熟和应用。
为应对UAM领域每年可能需要的大量高模量/高强度碳纤维，整个复合材料行业需要做到：通过自动纤维/纤维带铺放工艺提高自动化程度，扩大压缩和拉挤工艺的使用，战略性地使用纤维增强增材制造工艺、自动粘合和焊接工艺、实时在线检测技术，增加使用低能耗材料，大量使用回收材料，大力开发和采用可持续能源、材料和工艺策略，尽量少或者不产生废物等。乔比航空也在其公开声明中也发表过类似观点。
复合材料供应链显然正在密切关注UAM市场。整个2021年，一些纤维、树脂和预浸料供应商已显着转向UAM领域，特别是在商用航空需求因新冠疫情影响持续下降的现状下。UAM有望在未来几年甚至几十年成为复合材料和工艺创新与发展的主要驱动力。
结束语
与2020年相比，2021年全球航空航天复合材料行业的发展略显平淡。其主要原因还是新冠疫情的影响导致航空航天市场产生较大波动，增涨放缓，加上波音等头部厂商分心解决737MAX系列复飞、787系列质量问题，新需求迫切性降低，新技术发展放缓，因此航空航天业对于复合材料行业发展的推动力有所减弱。
总的来看，航空航天领域依然对复合材料技术发展具有重要的牵引作用。技术发展虽然出现短暂停滞，但正是这样的机会让已经形成共识的先进工业技术拥有了成熟的窗口期，热塑性复合材料、非热压罐成型、3D打印等未来将在复合材料行业扮演重要角色的核心技术正逐渐走向舞台中央。此外，氢储罐、城市空运交通正飞速发展，复合材料将在未来几年收获更多的市场机遇和份额空间。
凛冬即将过去，复合材料技术发展依然值得期待。
作者：陈济桁，航空工业发展研究中心
文章来源：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-11843.html
