下一代单通道飞机，对复合材料行业的影响 │ 碳材料大会

尽管全世界仍在等待空客和波音宣布新的单通道飞机项目，但复合材料显然将在飞机制造中发挥重要作用。但其作用方式和能力如何呢？

2007 年，在接受 《设计，时任波音 787 项目技术集成总监的 Alan Miller 博士评论了航空航天业在采用复合材料方面面临的挑战。“在梦想飞机之前，我们从未有过大批量的应用。复合材料行业以前从未遇到过这样的问题。这是一座我们必须攀登的高山。”

787 是商用飞机复合材料使用方面的一次重大变革。飞机结构设计中复合材料约占 50%，超过了当时任何其他大型商用飞机。因此，787 的生产需要在碳纤维和零件制造能力方面进行大量投资。这也为 777X、A350 和 A220 等新项目的更广泛采用铺平了道路。

尽管复合材料被广泛采用，但业内生产最广泛的两种飞机——空客 A320 和波音 737 系列——所用的复合材料却相对较少。737MAX是波音 737 的最新版本，于 1968 年首次投入使用，其飞机结构中只有 10% 左右使用了复合材料。A320 的复合材料使用率约为 15%。这两款飞机合计占全球可用座位英里的近 60%。在飞机设计中加入更多复合材料对航空航天和复合材料行业来说是一个巨大的机遇，但与今天的双通道项目（如 787 或 A350）或较小的 A220 单通道项目（复合材料使用率达 46%）相比，这也是一项艰巨的挑战。

在Counterpoint Market Intelligence（英国剑桥郡），我们认为波音和空客的下一代新飞机项目将是单通道飞机。这些项目几乎肯定会比当前一代采用更多的复合材料。虽然双通道飞机的月产量通常为 5-15 架，但新的单通道设计将需要能够达到每月 100 架飞机的工艺。这种转变有可能成为航空航天和复合材料行业的又一次重大变革——所有这些都对飞机的设计、推出时机和所需技术产生影响。看来复合材料行业还有另一座山要爬。

设计：物有所值

许多关于复合材料与金属材料的讨论都集中在减轻重量上；轻质特性被视为飞机节省燃料的主要驱动力。然而，复合材料的真正好处却更加微妙。复合材料通常可以实现更大的设计自由度和空气动力学优势，这比单纯的减轻重量更有好处。

图 1 中蓝色部分显示的是 767-300，这是一种主要采用金属材质设计的飞机，于 20 世纪 80 年代投入使用。灰色部分显示的是 787-8，其长度和座位数大致相同。值得注意的是，787 的机翼比旧款 767 设计的机翼要长得多。如果我们检查机翼的横截面厚度，我们会发现 787 的平均厚度要薄 10% 左右。更长、更薄的机翼可以减少飞机的阻力，从而实现更高效的空气动力学设计。

复合材料通过结合强度、刚度和轻量化特性实现了这一设计。结合改进的发动机，这一设计使 787 的每座公里燃油消耗大大降低。事实上，787 的空重（不包括发动机）比 767 重 30%。然而，尽管重量如此之重，由于其更高效的几何结构，它仍然可以实现大幅节省燃油，并且航程几乎增加一倍。

777X 在其复合材料机翼上采用了类似的策略，将机翼跨度从 777-300ER 的 64.8 米延长到 777-9 的 71.8 米。据波音公司称，这可使燃油消耗减少约 10%。更长的机翼非常有效，以至于该设计可以证明折叠翼尖是合理的，以确保飞机与现有的 777 飞机保持相同的机场代码，并可以进入现有的机场登机口。

一些高级计算可以洞悉这些项目的利弊（图 2）。以空客 A321neo 为例，由于采用复合材料，其机翼重量减轻了 20%，但几何形状与当前设计相同，我们的计算估计典型任务的燃油消耗将减少 1.5-2%。假设我们用全复合材料设计替换机翼，其重量与金属机翼相同，但翼展更长、横截面更薄。如果这样的机翼将平均巡航升阻比从 18 提高到 19，我们估计这将相当于燃油消耗减少 5-7%，尽管没有减轻重量。这些空气动力学改进比减轻重量的影响更大，但它们只能通过转向复合材料来实现。

因此，Counterpoint 认为下一代单通道飞机几乎肯定会采用复合材料机翼。其节省的燃油潜力太大，因此不值得考虑采用金属结构。

图 2.燃油燃烧改善效果。使用复合材料的空气动力学变化比单纯的重量减轻效果更大。

然而，对于机身而言，利弊并不那么明显。机身本身并不像机翼那样具有任何空气动力学优势。复合材料往往对机身壁相对较厚的宽体飞机具有更大的优势。窄体飞机更频繁的起飞和降落周期通常需要额外的材料，这降低了改用复合材料的好处。我们估计，使用复合材料将机身重量减轻 20% 将导致燃料消耗下降 1.5%。随着气候变化的影响，每一滴燃料的节省都至关重要。但在机身中使用复合材料还有其他缺点，包括成本和可制造性。OEM 是否选择复合材料机身可能取决于两个相互关联的因素：时机和技术。

时机：明天变成今天

下一代单通道飞机最大的未知数或许是它的上市时间。波音 737MAX项目于 2017 年开始服役。空客 A320neo 自 2016 年开始服役，A321XLR 型号预计于今年晚些时候交付。

A321neo（以及 LR 和 XLR 型号）多年来一直是波音公司的难题；该飞机满足了许多航空公司在航程、容量和经济性方面的关键需求。尽管波音公司试图使用 MAX 进行竞争，但空客机型在航程方面表现更佳。截至 2024 年 3 月底，空客积压了 7,177 架 A320 系列飞机，其中 4,947 架为 A321。相比之下，整个波音 737 系列积压了 4,828 架飞机。

疫情爆发之前，波音公司应对空客挑战的解决方案是“新型中型飞机”（NMA），有时也被称为中端市场飞机或 797。据了解，这款飞机是一款小型双通道飞机，但由于疫情和 737MAX 的挑战，该项目最终被搁置。对于波音公司来说，一款新的单通道飞机提供了一个更好地与空客产品（尤其是 A321XLR）竞争的机会。由于 737 的设计源自 1960 年代，因此，即使与最新机型相比，采用全新的方法也可以带来显着的改进。

然而，2022 年 11 月，波音公司首席执行官戴维·卡尔霍恩表示，他预计新飞机要到 2030 年代中期才会推出，并表示“我认为我们甚至不会在这个十年内开始制定计划。”对于 2035 年投入使用的飞机，业界预计新飞机将于 2028 年左右宣布，距离下一个飞机项目启动还有大约四年的时间。

此外，今年 3 月，卡尔霍恩宣布，他将与董事会主席一起于 2024 年底卸任。虽然不能保证战略会发生变化，但波音可能会重新评估其产品决策，并将新飞机计划提前几年。尽管波音可能没有立即制定新计划，但我们知道研发计划将继续确保公司做好准备。

对于空客，业内评论传统上认为空客可能会等待波音宣布决定，然后再宣布自己的决定。然而，最近，我们认为空客的决定与波音越来越脱钩，它很可能会继续推进自己的议程。例如，该公司已在其“明日之翼”（WOT）计划上投资了近十年。这些发展可能会转化为换机翼的 A320neo 系列飞机，我们认为这可能是对波音任何新的单通道计划的回应。

航空供应基地似乎迫切需要下一代飞机。该行业本身多年来一直面临低盈利，而新项目为差异化和增长创造了机会。除了经济因素外，许多供应商的工程人才尚未得到充分利用，而新项目可以帮助重振其劳动力。

技术：扩大规模

2019 年，波音 787 的产量达到顶峰，达到每月 14 架。空客计划在 2028 年将 A350 的产量提高到每月 12 架。然而，对于 A320 系列来说，产量要高得多。空客已宣布计划到 2026 年将 A320neo 系列飞机的产量提高到每月 75 架。

如此高的生产率给复合材料带来了许多挑战。787 飞机结构采用碳纤维预浸料的自动铺带 (ATL) 制造，这需要高压釜。例如，787 中央翼盒的固化时间为 8-9 小时。在非常高的生产率下，这些部件需要非常大的资本支出用于高压釜，以及工厂空间来支持这么多在制品材料。

非热压罐 (OOA) 解决方案是存在的，这构成了 WOT 和类似计划背后的大量研究。然而，在这种飞机的规模和生产速度方面，很少有例子。比 A320 更小的 A220 采用全复合材料机翼，依靠树脂灌注。尽管该计划的初衷是在不使用热压罐的情况下生产机翼，但由于灌注工艺的缺陷，最终固化仍需要热压罐。我们预计，为了经济地生产这些飞机，OOA 工艺对于机翼来说是必不可少的。

对于机身，技术开发仍在进行中。作为清洁天空 2/清洁航空计划的一部分，欧盟目前拥有多功能机身演示器(MFFD) 计划，该计划展示了几种新型热塑性复合材料技术。本田喷气飞机 HA-380Echelon也采用了复合材料机身，旨在于 2028 年获得认证，使飞机能够在更高的高度飞行并消耗更少的燃料。值得注意的是，该设计采用了热塑性塑料，Spirit AeroSystems 和 GKN Aerospace 帮助开创了该飞机使用的许多工艺。如果该计划从质量和生产经济角度都证明是成功的，这将进一步增强人们对使用热塑性复合材料航空结构的信心。

空客和波音公司推进这些新项目的时间越长，我们就越有可能相信热塑性复合材料（包括机身）将被纳入这架飞机的设计中。如果波音公司在 2030 年代上半叶宣布飞机计划，我们认为它很可能采用复合材料机翼和铝制机身。或者，如果这发生在下个十年末，它更有可能采用复合材料机身和热塑性技术。

下一座要攀登的高山

图 3.碳纤维年需求量。复合材料单通道飞机可能是航空航天业碳纤维需求的最大驱动因素之一。

对于复合材料行业来说，两个大型单通道飞机项目的影响可能十分重大（图 3）。假设两个全面启动的复合材料机翼单通道飞机项目，每个月交付 100 架飞机（或总共 200 架），我们估计每年对碳纤维的需求量将超过 10,000 公吨。如果包括机身，则需求量将上升至 13,000 公吨以上。这占当前航空航天碳纤维需求量的 90% 以上，占所有领域每年消耗的 130,000 多公吨碳纤维的近 10%。但是，碳纤维这一增长的美元价值将远高于 10%，因为航空航天消耗的碳纤维占碳纤维行业总价值的很大一部分。

然而，为了说明航空航天业的规模，我们最乐观的城市空中交通 (UAM) 预测为每年 10,000 架，预计整个行业仅需要 4,000 公吨碳纤维。因此，虽然 UAM 被吹捧为航空航天复合材料的下一个前沿，但我们的分析表明，下一个单通道项目将对复合材料行业产生更大的影响。

除了满足材料生产要求外，该行业面临的最大挑战是实现复合材料部件的质量和稳定的生产率，同时保持合理的成本。尽管自动化程度不断提高，但当今航空结构的大部分活动仍然是劳动密集型的。复合材料尤其需要熟练的劳动力。为了应对这些飞机带来的速度挑战，航空航天复合材料技术必须从手工艺行业发展为以更自动化和高速度工艺为主的行业。

要在下一代飞机机身中采用复合材料，需要新技术、先进的供应链和原始设备制造商的领导力。航空航天复合材料领域要攀登的下一座山不仅仅是一个提升，它还是一个重新定义航空航天和复合材料生产技术界限的机会。