注:航空复合材料市场正在经历蓬勃发展，但2019年底的新冠肺炎疫情减缓了这一发展。尽管如此，以航空航天为代表的高端制造业对复合材料的需求仍在增加，航空航天产业衍生的相关产业如压力储能、城市航空运输等也在增加对复合材料的应用需求。美国《复合材料世界》网站主编杰夫·斯隆(Jeff Sloan)在2020年12月写了一篇长文，总结了2020年航空航天复合材料的发展，分析了疫情对复合材料行业、航空航天等高端制造业的潜在影响，展望了2021年及以后复合材料行业的发展。这个微信官方账号分为两部分，***部分和第二部分，

　　 　　第三，氢能在航空应用上越来越受到重视。 　　空客的氢燃料概念飞机是该公司ZEROe计划的一部分。氢能源将储存在机身后部。图片来源:空客 　　2020年，以氢为动力的商用飞机的发展前景突然变得非常迫切。2020年6月，法国政府发布了总价值170亿美元的新冠肺炎疫情救助计划，与晴空欧洲2号发布的研究报告《氢动力航空》的总体目标挂钩。法航还表示，到2024年，它将努力将法国航班的二氧化碳排放量减少到目前的一半。7月，空客***执行官Guillaume Faury在接受《航空周刊》采访时证实，首架“零碳”飞机EIS将于2035年问世。据其预测，该项目将于2027-2028年正式启动，2025年前所需技术将迅速成熟。 　　2020年9月，空客宣布启动其ZEROe计划，该计划包括三种飞机概念，均由氢驱动: 　　概念一:涡扇发动机飞机的设计，载客量120-200人，航程3704公里以上，可实现洲际飞行。它使用改进的燃气涡轮发动机，通过燃烧氢气提供动力来产生能量，而不是使用传统的航空燃料。液态氢将通过位于机身后压力舱壁后面的压力储氢容器进行储存和分配。 　　概念2:涡轮螺旋桨发动机飞机的设计***多可搭载100名乘客。用涡桨发动机代替涡扇发动机，仍然通过改进燃气涡轮发动机来支持氢燃烧动力。装有这种发动机的飞机可行驶1852公里以上，因此是短途和区域航行的理想选择。 　　概念三:“翼身融合”设计，***大载客量200人，其中机翼与飞机主体融合，航程与概念一类似。超宽的机身为氢能源的储存和分配以及机舱的布局提供了多种选择。 　　然而，氢作为主要燃料的可行性在很大程度上取决于各种新兴运输、传输和储存技术的快速发展。将这种技术完全商业化并不容易。目前工程师已经做了各种尝试。2020年7月，美国ZeroAvia公司完成了单引擎、六座飞机命名为pipe的飞行试验，该飞机被改装成使用压缩氢气作为能源。此后，该公司计划在美国的同一飞行测试路线上进行同样的测试，使用类似的改装19座双涡轮螺旋桨飞机Dornier Do 228，并计划在2023年使这种20座氢燃料飞机完成约804公里(500英里)的飞行。2020年8月，环球氢宣布可为50座级飞机提供双储能燃料容器模块，有望在支线航空、仓储、 2024年前后物流运输和基础设施建设。 　　如果真的实现了以氢能为动力的航空飞行，那么***有可能首先在支线飞机上实现。其次是单通道飞机，比如A220和A320。***晚能靠氢飞行的飞机将是以A350为代表的远程宽体飞机。 　　在储氢系统中使用复合材料的***大挑战之一是储存液态氢燃料时的极低温度要求，空客声称这是其ZEROe项目要解决的首要问题。另一个很大的挑战是，在飞机飞行过程中，随着飞机高度的升降，外界环境压力发生变化，储氢容器上的压力也潜在地发生变化。因此，如果我们想在2035年之前使氢动力飞行成为现实，我们必须消除以上两个挑战所代表的重大技术障碍。 　　第四，热固性和热塑性复合材料竞争。 　　作为DLR通过液体树脂浇注方法制造耐压舱板研究的一部分，机器人将拾取大尺寸碳纤维织物层，并将其放入模具中。图片来源:德国航空航天研究中心(DLR)结构与设计研究所 　　复合材料通常被认为是金属材料的竞争对手，但在航空航天领域，复合材料也会和自己竞争。***典型的例子之一就是热固性复合材料和热塑性复合材料。热固性复合材料已证明在航空航天领域有广泛可靠的成功应用经验；热塑性复合材料虽然在工业上非常普遍，但在大型航空头等舱结构中使用的时间并不长。近年来，一些研究对这两种材料及其相关过程进行了详细的比较。 　　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属的轻量化产品技术中心(ZLP)对双通道空客A350的热固性后压力分离器(RPB)和单通道A320的热塑性后压力分离器进行了对比。两个项目都与一流的结构供应商Premium Aerotec Group合作，在评估生产周期和制造成本的同时，验证了其自动化制造能力。 　　这两个项目的***终结果尚未发布，但有很大的应用前景。热固性树脂浇注工艺在降低成本方面显示出巨大潜力，但这种潜力只有在部署自动化制造能力以在一定程度上承担前期成本的情况下才能实现。热塑性复合材料的制造工艺使结构重量从41公斤降低到35公斤，工艺和装配时间减少75%，部件总成本降低10%以上。但这项技术还需要进一步成熟，才能更多地应用于大型航空结构件的生产。 　　五、城市空中交通(UAM)成为新的战场。 　　美国西屋公司的Cora城市空中运输机(来源:美国西屋公司) 　　城市空中交通(UAM)目前还处于起步阶段，但是这个领域对于航空复合材料工业来说可能是极其重要的。按照目前的发展趋势，城市航空运输正在迅速崛起，成为复合材料制造自动化和产业化的重要推动力量。UAM飞机一般指搭载2-6名乘客的小型旋翼飞机或固定翼飞机。它由电池驱动，可以垂直起降，可以手动或自动驾驶。UAM飞机一般设计为城市间的航空货运，也可以是全新的客运，提供空中出租车服务。 　　今天，有100多家公司正致力于开发用于空中出租车或航空货运服务的UAM飞机，但只有少数公司获得了足够的资金来生产原型或演示和验证机。几个典型的公司有:美国BetaTechnologies、中国EHang、美国Joby Aviation、德国Lilium、斯洛文尼亚Pipistrel、德国Volocopter、美国Wisk。上述各厂家在工艺中都广泛使用了复合材料，但由于各厂家还处于样机制造阶段，制造工艺主要是传统的手工铺放成型。但是，随着产品的迭代开发和技术进步，自动化生产方式终将得到应用。 　　空中出租车服务行业的***之一是优步，它创造了空中乘车共享服务优步Elevate。优步Elevate公司已经与几个UAM制造伙伴签订了合同，他们将为该公司制造合适的飞机。这些制造合作伙伴包括Aurora Flight Sciences、Bell、Embraer、Hyundai、Jaunt Airlines、Joby Airlines、Overair和Pipistrel垂直起降解决方案。 　　优步的设计和结构负责人米沙·波拉克(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初步验证其服务，然后计划在2026年推广其扩张，***终在2028年开始大规模推广。到2035年，优步Elevate预计将在50多个***的主要市场提供空中乘车共享服务，UAM飞机的年需求量将达到1万架。虽然这个数字已经接近商用航空制造的速度，但仍需要提升复合材料制造业才能获得更大的发展。 　　那么，怎样的升级才能满足需求呢？按照米沙·波拉克的期望，复合材料行业应尽快实施多年来一直倡导和期待的产业化路线图:确保高模量/高强度碳纤维产量达到4500吨/年，通过ATP/AFP工艺提高复合材料制造的自动化程度，扩大压制和拉挤工艺的使用；战略性地推广适用于纤维增强的增材制造、自动粘接焊接、实时在线结构监测，以减少或减少原材料的使用和浪费；增加低能耗材料的使用；增加可回收材料的使用，积极推广可持续能源、材料和工艺策略的应用。目前看来，复合材料行业完成上述所有工作还需要5年左右的时间。 　　不及物动词超音速飞行的进展 　　2020年，两家公司正在研发全新的超音速客机，备受关注。一个是美国Boom超音速公司，一个是美国Aerion公司。2020年10月7日，Boom推出了XB-1超音速飞机，这是其主要产品“Overture”超音速喷气式飞机的三分之一比例演示验证机。大量使用复合材料的XB一号将演示和验证“前奏”的多项关键技术。Boom分几个阶段的目标是:2022年前完成演示验证机，2025年正式推出“前奏”量产机，2029年前开始运营。XB一号将于2021年在加州莫哈韦进行飞行测试。在此之前，该飞机将完成大量目前正在进行的地面测试项目。与此同时，Boom说这是“前奏” 推进系统将***终确定，并将进行风洞试验以验证飞机的结构设计。“前奏”预计***高速度为2.2马赫，巡航高度为19354米(6万英尺)，载客量为55-75人。如果一切顺利，乘客从悉尼飞到洛杉矶只需7个小时，从华盛顿特区飞到伦敦只需3.5小时。 　　Boom超音速飞机XB-1是该公司开发的Overture超音速飞机的三分之一比例演示和验证机。图片来源:Boom公司 　　美国航空公司正在开发AS2公务机。该飞机可容纳8-10名乘客，超音速巡航速度为1.4马赫。飞机预计4小时内从纽约飞到伦敦，7小时内从伦敦飞到北京。Aerion在2019年底宣布，GKN航空航天公司将为AS2开发尾翼，赛峰将设计机舱、制动系统和起落架。2020年7月，Aerion与斯普利特航空系统公司签署了一份备忘录协议，以扩大斯普利特在AS2项目研发中的作用，包括生产前机身等部件。作为协议的一部分，斯普利特承诺在AS2投资更多，并增加AS2复合材料前机身设计的工程资源。 　　译者的结论: 　　纵观2020年复合材料在航空航天行业的发展，我们可以看到，虽然受到了疫情的冲击，复合材料行业整体向上发展的趋势并没有被完全遏制，但复合材料行业的发展重点已经越来越清晰。大致可以概括如下: 　　***，坚持加强未来的技术储备。以航空航天工业为代表的高端复合材料制造业仍然是技术驱动型产业。无论是波音、空客等航空工业承包商，还是斯普利特、GKN宇航等复合材料制造商，都不遗余力地加强对新型复合材料技术的投资。虽然疫情影响了投资，但厂商们似乎已经达成共识，在新技术的研发和投入上并没有放慢脚步。相反，由于疫情的影响，他们扩大了合作，努力共同维护复合材料制造的技术能力和供应链的完整性，以期在疫情缓解后的市场中积累和获得优势。 　　第二，坚持应用低成本制造技术。疫情影响显而易见，高端制造业受到重创。昂贵低效的制造技术在重大灾害面前很可能“不堪一击”，高效率、高质量、低成本的制造技术必然是复合材料制造业的发展趋势。自动化制造技术的大规模应用，非热压罐技术(OOA)的进步，或热塑性复合材料及制造技术的普及，以及疫情的爆发，进一步加速了上述技术的应用、发展和普及。 　　三是新能源、新材料、新应用增加了对复合材料的需求。复合材料在航空航天领域的应用促进了一些新兴技术领域的发展。这些新兴领域也需要大量的复合材料，这就形成了一个产业循环。比如对绿色航空需求的不断追求，推动了以氢能为代表的清洁能源在航空领域的应用，氢能的储存问题推动了压力储能容器行业的发展，而这一领域恰恰是高端复合材料的应用需求。再比如城市交通的拥堵和民航技术的低成本，促进了城市空中交通的发展。无论是用于货运还是客运， 城市空中交通飞机也成为近年来航空业发展的新市场。这种小载荷飞机是典型的“复合材料密集型”产品。 　　因此，整体来看，疫情对高端复合材料市场有一定影响，但随着技术的进步、成本的降低以及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快速复苏，继续保持较快的发展速度。 　　(航空工业发展中心陈纪恒) 　　来源:民用飞机战略观察

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