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航空航天复合材料市场总结与预测(2020-2021)

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  空客A350前机身部分装配

  

  

  

  新冠肺炎疫情对于航空行业来说,以前所未有的方式遏制了原本应稳定快速发展的民航业。这种影响从航空公司开始,逐步蔓延到了主要飞机制造商和整个航空工业供应链的各个环节。

  空客与波音面临的困境

  受到疫情影响,波音公司和空客公司均选择下调了所有在产机型生产率。由于两次坠机事件导致于2019年停产的737 MAX,波音公司实际上于2020年5月以非常低的生产速度重启了该机生产计划,其目的是尽快让该机型重新通过适航审查以便实现复飞。波音表示,希望到2022年能够将737 MAX的月产量增加至31架。其他机型中,波音777/777X每月产量减少到5架,波音767减少到6架,大量使用复合材料的波音787则减少到10架(预计到2021年可能继续减少至6架)。

  空客公司将A320产量从2019年的平均每月53架减少到40架。A330和大量应用复合材料的A350产量分别减少到每月2架和6架。此外,波音公司于2020年10月初宣布,将在2021年关闭美国华盛顿州西雅图市的所有波音787装配厂,并将其合并到公司位于美国南卡罗来纳州北查尔斯顿的工厂中。

  对于世界其他地区,前景则更不明确。大多数市场分析师预测,服务于国内和相邻区域航线的单通道飞机,如波音737、空客A220和A320等,将首先恢复运营,有可能在2024年前使该类型飞机生产和交付恢复到2019年的水平。而大型双通道飞机的恢复速度则会更慢。咨询公司蒂尔集团预测,如波音787、波音777X、空客A350、空客A330等双通道飞机的生产和交付可能直到2030年之后才能恢复到2019年的水平。

  空客公司能够提供的飞机产品组合覆盖所有类型的飞机,全面满足所有航空公司的需求——从较小的单通道150座级客机A220到长途双通道400座级客机A350-1000。而事实上,介于两者之间的产品,是空客公司最赚钱、最成功的飞机产品,即单通道客机A320以及目前最新的A321XLR,后者是一款长航程(8700千米)的单通道飞机,预计会在2023年开始正式投入运营。空客公司首席执行官Guillaume Faury在公开声明中表示,有意愿确保飞机恢复生产后,维持空客公司及其供应链的稳定和完整。为达到这一目的,空客公司不愿对飞机生产率进行颠覆性调整,尤其希望其在2021年开始实现复苏。

  相反,波音公司则处于劣势。首先,由于飞机的自动飞行控制系统导致两次致命的坠机事故,波音对标空客A320系列的737 MAX机型于2019年停飞。第二,波音公司旗下并没有能够与空客A321XLR竞争的机型。第三,波音777X原本应该在2021年获得适航认证,但发动机的问题和新冠疫情大流行将这一进度推迟到了2022年。第四,波音缺少类似于空客A220这种中小型单通道飞机。2020年4月波音宣布放弃收购巴航工业,并指出其原因是巴航工业未履行某些义务。

  高速率、高质量成为制造商的首要目标

  在疫情发生之前,航空复合材料供应链一直在紧锣密鼓的备料,进行技术储备,为即将到来的1~2个新飞机项目做准备。业内普遍认为这两个项目将主要是设计和生产空客A320和波音737单通道飞机的升级替代产品,计划在2030年投入运营。这两款机型按照原计划将以每月60~100架的速度制造,这将会生产和使用大量的复合材料。

  新型单通道飞机复合材料的使用范围目前还在讨论中,但几乎可以确定的是,机翼、翼盒和尾部结构甚至机身,都将使用复合材料。但是,疫情不仅减缓了现有飞机的生产速度,也推迟了新飞机的研发进程,影响了供应链中已经部署的一些材料和工艺技术。鉴于此,2020年,全球范围内有多个研发计划正在开展,追求实现高速率、高质量、非热压罐(OOA)工艺的航空复合材料制造解决方案。

  “洁净天空”2多功能机身演示验证项目大部分都在欧洲进行,其中最引人注目的子项目之一就是多功能机身演示验证(MFFD)。该项目由空客公司与学术界和航空工业界的合作伙伴共同领导,其交付成果是一款长8米的热塑性复合材料单通道商用飞机机身整体结构,计划于2022年生产。MFFD是“洁净天空”2计划大型客机(LPA)创新飞机演示平台(IADP)中生产的3个全尺寸机身部件之一。MFFD项目中下部机身是通过STUNNING子项目设计制造的,该项目全称为“智能多功能一体化热塑性机身”。该机身包括整个下部机身壳体结构、焊接纵梁和结构框架、机舱和货舱地板结构以及相关的内饰结构和系统。

  由空客公司牵头的另一个备受瞩目的项目则是“明日之翼”(WOT)。该项目旨在评估利用非热压罐工艺(OOA)制造机翼结构的成本和技术可行性。参与该项目的主要企业和机构包括斯普利特航空系统欧洲公司、英国GKN航宇公司、美国诺格公司和英国国家复合材料中心。2020年之前,斯普利特公司已经制造了一款长达7米的机翼蒙皮演示验证缩比件,随后在2020年夏季交付17米长的全尺寸制造工具,可后续制造用于测试和评估的结构件。17米的演示验证件代表了“明日之翼”计划中实际下机翼蒙皮的近似形状和尺寸。理论上来看,“明日之翼”计划中完成的机翼将用于全新的单通道商用飞机,主要市场定位是替代现有的空客A320的铝合金机翼。

  下一代扰流板项目是由空客公司和斯普利特航空系统公司共同牵头的另一项先进材料与工艺项目,更具有直接实用价值,也着眼了未来航空部件的生产制造。按照原计划每月生产65架空客A320系列的速度(包括空客公司的新型A321 XLR),斯普利特公司的生产线每年将生产近6500个扰流板。

  氢能越来越受到航空应用的关注

  燃烧氢能驱动的商用飞机,发展前景在2020年突然变得十分“迫切”。2020年6月,法国政府出台的总价值170亿美元的疫情救助计划,与欧洲洁净天空2发布的“氢动力航空”研究报告的总目标挂钩。法国航空公司也表示,到2024年,将致力于将法国境内航班的二氧化碳排放量减少为目前的一半。7月,空客公司首席执行官Guillaume Faury表示,首架“零碳”飞机EIS将在2035年问世。根据它的预计,该项目将于2027~2028年正式启动,2025年前将使必要的技术快速成熟。

  不过,氢作为主要燃料的可行性,极大程度上取决于新兴的各类运输、传送及存储技术的迅速发展。将这类技术完全实现商业化并非易事,目前工程人员已经进行了各种尝试。2020年7月,美国ZeroAvia公司完成了对一款单发、6座、名为pipe飞机的飞行测试,该机经过改装后使用压缩氢气作为能源。此后,该公司计划在美国境内相同的飞行测试路线上,使用类似改装的19座双涡轮螺旋桨飞机道尼尔Do228进行相同的测试,计划在2023年使这类20座级别的氢燃料飞机完成约804千米(500英里)航程的飞行。

  2020年8月,美国环球氢能公司宣布可为50座级飞机提供双储能燃料容器模块,有望在2024年前后在区域航空、仓储物流运输和基础设施建设等领域实现商业化。

  如果以氢能源为动力的航空飞行真正实现,那么它最可能首先在支线飞机中实现。之后是单通道飞机,如空客A220和A320等。最晚实现氢动力飞行的飞机将会是以空客A350为代表的远程宽体机型。

  复合材料在储氢系统中使用的最大挑战之一是贮存液态氢燃料时需要面对的极低温要求,空客公司称这是其在ZEROe计划要解决的首要问题。另一大挑战是在飞机飞行过程中,随着飞机高度的升高和降低,外部环境压力发生变化,对储氢容器的压力也发生了潜在变化。因此,若要在2035年前使氢动力飞行成为现实,都必须消除以上述两大挑战为代表的重大技术障碍。

  热固性与热塑性复合材料展开竞争

  复合材料通常被认为是金属材料的竞争者,但在航空航天领域,复合材料也会与自身展开竞争。其中最典型的一个例子就是热固性复合材料与热塑性复合材料。热固性复合材料已经证明了其在航空航天领域中具有广泛可靠的成功应用经验;而热塑性复合材料,尽管在工业界十分常见,但在大型航空一级结构件中的应用历程并不长。近年来的一些研究对两种材料及其相关工艺进行了详细的对比。

  在德国奥格斯堡,德国航空航天中心(DLR)结构与设计研究所下设的轻质产品技术中心(ZLP),对比了双通道空客A350液态模制的热固性后压力隔板(RPB)与单通道空客A320的热塑性后压力隔板。两个项目均与一级结构供应商德国PAG公司合作,并在评估生产周期与制造成本的同时,还验证了其自动化生产制造能力。

  两个项目的最终成果尚未出炉,但却非常具有应用前景。热固性树脂灌注工艺在降低成本方面显示出了巨大潜力,不过这种潜力需要一定程度上部署自动化生产制造能力以承担先期成本才能够兑现。

  热塑性复合材料的制造工艺使结构重量从41千克减少到35千克,工艺和装配时间减少了75%,部件总成本减少了10%以上,不过该技术需要进一步成熟才会被更多地应用到大型航空结构部件生产中。

  城市空中交通(UAM)成为全新战场

  城市空运交通(UAM)目前正处于起步阶段,成为复合材料制造业中自动化和工业化的重要驱动力。UAM飞行器一般指准乘2~6人的小型旋翼飞行器或固定翼飞机,由电池驱动,能够垂直起降,可人力驾驶,也可自动驾驶。UAM飞行器一般被设计作为城际间的空中货运交通工具,此外也可成为一种全新的客运交通工具,提供空中出租车服务。

  如今已经有超过100家公司正专注于开发用于空中出租车或空中货运服务的UAM飞行器,但是只有少数公司获得了充足的资金生产原型机或演示验证机。几个典型的公司分别是:美国Beta科技、中国亿航、美国Joby航空、德国Lilium、斯洛文尼亚Pipistrel、德国Volocopter和美国威斯克。上述厂商都在其工艺中广泛使用了复合材料,不过随着产品的迭代发展和技术的进步,自动化的生产方式终将应用其中。

  空中出租车服务业务的领导者之一是优步公司(Uber),该公司创建了空中乘车共享服务Uber Elevate。Uber Elevate目前已与多个UAM制造合作伙伴签约,后者将为该公司制造适用的飞行器。这些制造合作伙伴包括极光飞行科学公司、贝尔公司、巴西航空工业公司、现代公司、Jaunt航空公司、Joby航空公司、Overair公司和Pipistrel垂直起降解决方案公司。

  优步的设计和结构负责人Mischa Pollack在CAMX 2020的演讲中表示,该公司预计2023年将在几个主要城市对其服务进行初步验证,然后计划于2026年推广扩张,最后在2028年开始进行大规模推广。至2035年,Uber Elevate预计将在50多个国家的主要市场中提供空中乘车共享服务,每年UAM飞行器的需求量将达到10000架。这一数字虽然接近了商用航空制造的速度,但仍需要复合材料制造业的升级才能够实现更大的发展。按照Mischa Pollack的期望,复合材料行业应尽快落实多年来一直倡导和期待的工业化路线。目前看来,复合材料行业完成上述全部工作,大约还需要5年左右的时间。

  超声速飞行取得进展

  2020年,有两家正在开发全新超声速客机的公司备受瞩目。其一是美国Boom Supersonic公司,另一家是美国Aerion公司。2020年10月7日,Boom推出了XB-1超声速飞机,这是其主打产品“序幕”超声速喷气机的三分之一缩比演示验证机。大量使用复合材料的XB-1将展示和验证“序幕”的多项关键技术,Boom公司的几个阶段目标分别是:在2022年前建造完成演示验证机,在2025年正式推出“序幕”量产机,并计划在2029年前开始投入运营。XB-1将计划于2021年在美国加州莫哈韦进行飞行测试,在此之前,该机将完成目前正在进行的大量地面测试项目。同时,Boom表示将最终确定“序幕”的推进系统,并进行风洞测试以验证飞机结构设计。“序幕”的最高速度预计为2.2马赫,巡航高度为19354米,载客量为55~75人。该机从悉尼飞往洛杉矶仅需 7个小时,从华盛顿特区飞往伦敦仅需 3.5个小时。

  美国Aerion则正在开发AS2公务机。该机可容纳8~10名乘客,其超声速巡航速度为1.4马赫。该机有望实现4小时内从纽约飞抵伦敦,在短短7小时内实现从伦敦飞往北京。Aerion公司于2019年末宣布,GKN航宇公司将为AS2研发尾翼,赛峰将设计发动机机舱、制动系统和起落架。2020年7月,Aerion于斯普利特航空系统公司签署了一项备忘录协议,扩大斯普利特公司在AS2项目研发中的作用,包括前机身等部件的生产等。作为协议的一部分,斯普利特公司承诺对AS2进行更多的投资,并增加了用于AS2复合材料前机身设计的工程资源。

  总的来看,疫情对于高端复合材料市场存在一定的冲击,但随着技术的进步、成本的降低和新兴市场应用需求的增加,航空航天复合材料市场有望在疫情缓解后迅速实现复苏,继续保持较快的发展速度。

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