复合材料的机会:电动垂直起降飞行器(eVTOL)
来源:杨超凡 2023-02-07 11:10:24
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原文:http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-12883.html 随着 eVTOL 原始设备制造商寻求推进项目认证、生产规模扩大和轻量化,未来空中交通(AAM- advanced air mobility)对复合材料市场的渗透正在向上发展。
电动垂直起降飞行器(eVTOL)并不是复合材料应用于移动行业的第一个机会。复合材料在航空航天、汽车和船舶终端市场的成功已不是秘密。但使 eVTOL 行业与复合材料行业的黄金一样好的是渗透程度。
例如,波音 787 作为飞机复合材料使用的火炬手,其结构的约50%由复合材料制成。对于汽车行业,这一数字明显更低,轻型车辆中复合材料占车辆重量的 8-12%。然而,对于 eVTOL 而言,无论制造商如何,相同的数据平均高达约 70%的材料混合物。
由于大多数 eVTOL 将由电池供电,因此需要在多种方式中实现轻量化(即,制造更轻的组件,并选择需要更少组件的设计)。除此之外,eVTOL 还提出了严格的结构要求。因此,复合材料是 eVTOL制造商的一个明显解决方案。
从机翼和机身等主要外部结构到夹子和支架等小型次要部件,复合材料将在每立方米 eVTOL 中找到应用。下图突出了复合材料在该机型中的一些主要应用。
复合材料在 eVTOL 中的主要应用部位
根据 Stratview Research 的数据,任何 eVTOL 项目中使用的复合材料中,约有 75-80%将用于结构部件和推进系统,其次是梁、座椅结构等内部应用,占 12-14%。电池系统、航空电子设备和其他小型应用组合起来将占剩余的 8-12%。
eVTOL 中 90%以上的复合材料将是碳纤维。大约 10%的复合材料将以保护膜的形式使用玻璃纤维增强材料。
半汽车销量的航空航天质量
任何复合材料零件的材料选择和制造工艺通常取决于性能要求、零件尺寸和复杂性以及生产量等因素。然而,在 eVTOL 的情况下,选择材料还有一个额外的参数:易于认证。
原始设备制造商的首要任务是尽快获得飞机认证,他们正在通过挑选经过测试的材料来实现这一目标,而不是专注于创新。由于迄今为止,热固性树脂一直是航空航天行业中使用最多的树脂类型,而且监管机构最熟悉热固性基质,因此超过 90%的 eVTOL 原始设备制造商正在通过热固性丰富平台进行认证。
另一方面,热塑性树脂系统仅用于第一代 eVTOL 的较小部分。
然而,随着生产量增加到每年几千架飞机,向热塑性密集型结构的过渡成为不可避免的,并且应用可以超越小部件。尽管如此,预计这一转变将是渐进的,并且可能在 2030 年之前占 eVTOL 中复合材料使用总量的 10%以下。
在那些成功登上头条的原始设备制造商中,Jaunt Air Mobility(美国德克萨斯州达拉斯)是唯一一家致力于热塑性塑料丰富模型的制造商,其愿景是制造 99%可回收的飞机。另一家大量使用热塑性塑料的 OEM 公司是 Vertical Aerospace(英国布里斯托尔)。Vertical公司使用的转子叶片、电池外壳、内部和支架等部件 VX4 都是用热塑性预浸料制成的。
尽管热塑性塑料的适应速度有点慢,但可以说,在未来空中交通(AAM-advanced air mobility)市场的材料供应方面,Hexcel、Toray、Solvay 和 Teijin 等关键复合材料供应商已经走在了前面。尽管目前热固性材料在行业中占据主导地位,但所有上述供应商提供的城市空中交通(UAM- urban air mobility)材料包括广泛的热塑性塑料,其应用范围从较小的次要部件(如转子叶片和支架)到主要结构(如机翼和机身)。
此外,由于 eVTOL 的生产量将是半汽车型的,其数量高于航空航天,但远低于汽车行业,即年生产量为 6000-8000 架以上的飞机,并且由于 eVTOLs 将提供市内旅行,因此它们将比航空航天市场更多地侵入汽车市场。正因为如此,eVTOL 行业有来自汽车价值链的一些关键参与者的公平参与。乔比(Joby)与丰田(Toyota)的关系和阿切尔(Archer)与斯特兰提斯((Stellantis)的合作关系就是两个这样的例子。
几千英尺高的机会
由于 eVTOL 原始设备制造商计划迅速扩大生产规模,因此对复合材料的需求将遵循类似的轨迹。根据 Stratview Research 最近的一份报告,eVTOL 行业对复合材料的需求预计将在六年内增长约 20倍,从 2024 年的 110 万英镑增至 2030 年的 2590 万英镑。
复合材料需求和 eVTOL 产量:2024-2030 年
2030 年,eVTOL 行业对复合材料的需求预计将从 2024 年的3620 万美元增至 6.73 亿美元。东丽(美国加利福尼亚州摩根山)已经抓住了这一机会的相当一部分,因为它已经与 Joby Aviation(美国加州圣克鲁斯)和 Lilium(德国韦斯林)合作,这两个领先的公司在认证竞赛中也领先于其他公司。赫氏(Hexcel)(美国康涅狄格州斯坦福德)和苏威(Solvay)(美国佐治亚州阿尔法雷塔)也是首批进入者,分别与 Archer Aviation(美国加利福尼亚州圣何塞)和Vertical Aerospace 签订了合同。
eVTOL 行业不仅将为复合材料行业创造机会,也将为价值链上的其他几个参与者创造机会。以下列出了 eVTOL 行业的一些关键制造和供应伙伴关系。
表 1. eVTOL 行业的一些部件制造和材料供应商
预计 eVTOL 行业不会面临(至少最初不会)任何产能限制。许多专家告诉 Stratview Research,利用现有技术和能力,可以有效地实现初始 eVTOL 计划年产量<1000 架飞机。然而,随着生产规模的扩大和项目数量每年接近 2000 架飞机,如果不集成自动化,将很难满足数量要求。
一个后果可能是原材料——特别是碳纤维——供应受限。AAM代表了一个新的、高增长、高容量的垂直市场,该市场依赖复合材料来满足基本和关键的车辆重量目标。再加上复合材料在商业航空航天和汽车项目中的现有和新应用,不难认识到在 eVTOL 商业化的最初几年中,供应紧缩的潜力。
前方的天空有多晴朗?eVTOL 行业的机遇是巨大而真实的,但“革命”正面临一些逆风:认证、制造带宽、试点供应短缺、AAM 基础设施的可用性和客户接受度。最后一个挑战——客户接受度——是一个重大挑战。乘坐 eVTOL 飞行时,个人感觉越安全、越舒适,领养速度就越快。
安全、负担得起、方便、城际和市内空中交通的前景并不遥远,对于希望逃离地面交通的旅行者来说,这可能是一个非常有吸引力的选择。也就是说,如果没有达到预期,市场的兴奋和预期就什么都没有了。鉴于 AAM 的利益相关者离实现其承诺有多近,未来几年将是 AAM 利益相关者最关键的一年。未来几年,世界可能会见证一个新的移动时代,让我们希望 eVTOL 将变得比兴奋更值得。
注:1. 从事未来空中交通(AAM- advanced air mobility)行业,在设计初就得将产品的认证和复合材料的认证,列入项目的研发规划中。
2. 文中专用名词的中文名称,均来自“百度”
a. 未来空中交通(AAM- advanced air mobility)
b. 城市空中交通(UAM- urban air mobility)
c. 电动垂直起降飞行器(eVTOL- electric vertical takeoff and landing)
3. 原文见:《Composites opportunities in eVTOLs》2023.2.3
文章来源:http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-12883.html