CFRP,也就是碳纤维增强塑料,已成为商用飞机制造的新标准。这种材料(又称复合材料)比传统飞机用的铝合金更轻、更结实,制造商用得越来越多。按重量计算,波音777的复合材料占比为8%,空客A320为10%,A380为25%。另外,787和A350按重量算大部分是复合材料,按结构算的话,超过80%都是复合材料。
复合材料让制造商能造出更小、更省油、飞得更远的飞机,彻底颠覆了超长途飞行。虽然现在用CFRP好处不少,但给回收退役飞机的公司带来了大麻烦。随着一些波音787和空客A350现已使用超过十年,是时候琢磨琢磨,等它们飞够20、30年的时候,怎么回收这些碳纤维客机了。
回收CFRP客机,难在哪儿?
一架767报废的时候,先放掉液压油之类的液体,洗干净,再抹上润滑油。紧急出口滑梯里的炸药要拆掉,通风管道也得封上,再喷一层保护漆,然后才能拆飞机。抢手的部件就拿到二手市场上接着用,而其余的金属部件则被回收用于其他用途。没回收价值的非金属零件就直接扔掉。
最常见的回收金属是铝合金和钛合金。金属合金先分类,再融到一起炼成一种新合金。这些金属之后要么用来造飞机备件,要么用到航空以外的地方。这些用途范围广泛,从汽车零部件到消费品。2024年,达美航空和美国运通发行了一款限量版SkyMiles卡,部分材料来自达美航空早就退役的波音747机队回收的金属。
CFRP部件能在二手市场当备件用,但把材料本身回收利用就难多了。CFRP的主要成分是碳纤维,它本身用处很多。问题是,航空业还没搞出一套完整的办法,能把组成CFRP部件的材料拆开,再拿来造新的飞机零件。所以现在拆飞机的时候,CFRP部件基本都扔了。等大部分CFRP飞机都退役了,这问题会越来越严重。
现在这些飞机怎么回收?
2025年,空客跟法国深科技回收公司Fairmat签了个协议,研究怎么回收CFRP客机。空客现在产的A350,按重量算53%是CFRP,飞机大部分结构都用它;还有A220,机翼和机身也是CFRP的,重量占比46%。所以空客非常在意自己的飞机退役后能不能回收利用。
这项研究主要是想弄清楚,怎么在不破坏强度的情况下把碳纤维提取出来。碳纤维是CFRP部件里最值钱的东西。这很难,因为碳纤维都裹在树脂里。研究就是要搞明白,得满足什么条件才能把纤维完好地弄出来。另外,还要看提取出来的纤维能不能用在飞机上。目前两家公司正盯着A350,研究它的机翼和龙骨梁这些部件。
更大的挑战是,因为飞机上使用的材料要承受很大的物理压力,而且必须通过严格的认证标准。专门从事碳纤维回收的Fairmat公司开发了Infinity Recycling技术,该技术使用低能耗等离子工艺、精密机械技术和先进软件。不过,尽管该公司在Infinity Recycling方面有经验,但还没造出适合航空用的碳纤维。
为什么回收材料比你想象的要普遍得多
退役客机的大部分价值来自其发动机。辅助动力装置(APU)或起落架等部件也很有价值,有时会重新认证作为备件出售,或拆解转售。而飞机上剩下的部件就回收了。再生金属很受欢迎,因为制造铝合金的工艺耗能高而且成本高。钛合金更是这样,虽然比铝重,但强度更高,所以也很抢手。
更便宜的CFRP部件也有同样的市场,这些部件比金属合金强度更高、更耐腐蚀、阻燃性更好,疲劳极限也更高。目前,CFRP客机正在大量生产,但买起来还是贵,而再利用部件或材料的潜力将有助于保证它们停产几十年后还能用得下去。
除了回收飞机零件在经济上有好处,对环境也有好处。回收金属部件就不用造那么多新合金,从而减少温室气体排放。复合材料也一样。更重要的是,CFRP不可生物降解,也就是说它会一直待在垃圾填埋场里,而焚烧的话会释放有毒气体。所以,航空业必须想办法推动CFRP的广泛回收,这对他们有利。
使用CFRP的现役客机
碳复合材料在航空业已经用了很久,但规模比较小。如前所述,A350大部分结构(体积上超过80%)都用了CFRP,而A220主要是在机翼和尾翼上用了这种材料。与此同时,波音交付787已经快15年了,这是全球第一款以复合材料为主的客机。按重量算,787大约50%是复合材料,按体积算大约80%,跟A350差不多。
787是波音唯一一款以复合材料为主的客机,但他们还在争取让777X通过认证,这款机型用了新的CFRP机翼。另外,一些老机型的衍生型号也用了更多CFRP,比如已经停产的747-8在机翼和发动机短舱里增加了CFRP部件,A330neo也一样。不过,凭借其定制的CFRP机翼,777X是新机型里CFRP含量远高于以往最好的例子。
然而,虽然复合材料是未来趋势,但短期内新客机将在多大程度上使用这种材料尚不清楚。目前,空中客车正在积极研究开发A320neo的替代机型,而波音的下一款客机将是737 MAX的替代品。这些飞机将主要用于短途至中程航线,在这些航线上,复合材料减重的优势没那么明显。A220的机身并未使用碳纤维增强聚合物(CFRP),而机翼复合材料因为省油有限,加上制造成本高,所以没给这个项目带来明显好处。
航空业的可持续发展努力
一聊到飞机回收,大家通常会想起废旧金属的再利用以及未来对CFRP部件的回收。不过,客机内部的设施也需要处理(比如座椅、内饰等)。西南航空并没有把座椅套直接扔掉,而是在2013年发起了一项倡议,将其退役客机的皮革座椅套升级再造。该计划涉及与非营利组织合作,将皮革转化为消费品,并取得了巨大成功。
除了行业的回收努力外,航空业还致力于直接减少飞行对环境的影响。一方面,使用可持续航空燃料(SAF)被视为该行业减少碳排放的关键方法,因为它比传统航空燃料碳排放更低,且SAF生产用的是可再生原料(如废弃油脂)。另一方面,该行业正在积极探索新的推进技术,例如氢动力发动机或电池。
除此之外,航空业还在应对一个很多人眼中对全球变暖影响最大的因素之一:凝结尾迹。这些其实是由人类活动产生的微型云朵,会锁住地球散发的热量。美国航空正带头调整航线,以减少凝结尾迹。虽然对凝结尾迹到底有多大影响还有争议,但航空业已经很重视这个问题了。另外,据说使用可持续航空燃料也能减少凝结尾迹。
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