下一代單通道:對復合材料行業的影響
空客A320總裝線
在 2007 年接受《設計新聞》采訪時，時任波音 787 項目技術集成總監的艾倫·米勒（Alan Miller）博士評論了航空航天行業在采用復合材料方面面臨的挑戰。 “（在波音 787 夢想客機問世之前）我們還沒有大規模的應用。復合材料行業以前從未遇到過這種情況。這是我們必須攀登的一座山。” 787 是商用飛機復合材料使用的一個階段性變化。 飛機結構的設計約為 50%的復合材料，超過了當時任何其他大型商用飛機。因此，787 的生產需要在碳纖維和零部件制造能力方面進行大量投資。它還為 777X、A350和A220等新項目的更多采用鋪平了道路。
盡管復合材料被廣泛采用，但該行業生產最多的兩種飛機，空客 A320 和波音 737 系列，含有的復合材料相對較少。737 MAX 是波音 737 的最新版本，于1968年首次投入使用，其飛機結構中僅包含約10%的復合材料。 A320 大約含有 15%。這些飛機合計占全球可用座位里程的近60%。在其設計中加入更多的復合材料對航空航天和復合材料行業來說仍然是一個巨大的機會，但與當今的雙通道計劃（如 787 或 A350）或較小的 A220 單通 道計劃（含 46%的復合材料）相比，這也是一個相當大的挑戰。
我們相信波音和空客的下一個新飛機項目將是單 通道飛機。幾乎可以肯定的是，這些項目將比當前一代 具有更多的復合材料。雖然雙通道飛機通常以每月5-15架的速度生產，但新的單通道設計需要能夠達到每月 100 架飛機的工藝。這種轉變有可能成為航空航天和復 合材料行業的又一次重大變革——所有這些都對飛機的設計、引入時間和所需技術產生了影響。復合材料行業似乎還有另一座山要爬。
設計：物有所值
許多關于復合材料與金屬材料的討論都集中在重 量節省上；輕質特性被視為飛機節省燃料的主要驅動因素。然而，復合材料的真正好處更為微妙。復合材料通常可以實現更大的設計自由度和空氣動力學優勢，這超過了單獨的重量節省。
圖1. 787 的機翼比 767 更長、更薄。
圖1展示了一架藍色767-300，這是一種在20世紀80年代投入使用的金屬設計。上面覆蓋著灰色的是一輛787-8，它的長度和座位容量大致相似。值得注意的是，787的機翼比舊的767設計延伸得更長。如果我們檢查機翼的橫截面厚度，我們會發現787平均薄約 10%。更長、更薄的機翼減少了飛機的阻力，從而實現了更高效的空氣動力學設計。
復合材料通過其強度、剛度和輕質特性的結合實現了這一設計。結合改進的發動機，這種設計使787每座公里的燃料消耗量低得多。事實上，787的機體重量（不包括發動機）比767重30%。然而，盡管重量很大，但 由于其更高效的幾何形狀，它仍然可以實現可觀的燃油節約和近兩倍的續航里程。
777X對其復合材料機翼采用了類似的策略，將機 翼跨度從 777-300ER 的 64.8 米延長到777-9 的 71.8 米。 據波音公司稱，這將使燃料消耗減少約 10%。較長的機 翼非常有效，因此該設計可以證明折疊翼尖是合理的， 以確保飛機與現有 777 飛機保持在相同的機場代碼內， 并可以進入現有的機場大門。
一些高級計算可以深入了解這些程序的權衡（圖 2）。 如果我們考慮一架空客A321neo，由于復合材料，其機翼重量降低了20%，但與當前設計的幾何形狀相同，我 們的計算估計，典型任務的燃料消耗將減少1.5-2%。相反，假設我們將機翼替換為全復合材料設計，其重量與金屬機翼相同，但跨度更長，橫截面更薄。如果這樣的 機翼將平均巡航升阻比從 18 提高到 19，我們估計這將相當于燃料消耗減少5-7%，盡管沒有節省重量。這些空氣動力學的改進比重量的節省有更大的影響，但它們只能通過轉向復合材料來實現。
因此，我們相信，下一代單通道飛機幾乎肯定會有復合材料機翼。潛在的燃料節約太大了，無法考慮金屬結構。
圖2. 表示性燃油燃燒改善。使用復合材料的空氣動力學變化可能比單獨節省重量產生更大的影響。
然而，對于機身來說，這種權衡并不那么明確。機 身本身不像機翼那樣具有任何空氣動力學優勢。在機身壁板相對較厚的寬體飛機上，復合材料往往具有更大的優勢。窄體飛機更頻繁的起飛和降落周期往往需要額外的材料，這降低了改用復合材料的好處。我們估計，使 用復合材料將機身重量減少20%，將使油耗下降1.5%。 隨著氣候變化的影響，每一滴節省的燃料都很重要。但在機身中使用復合材料還有其他缺點，包括成本和可制造性。原始設備制造商是否選擇復合材料機身可能取決于兩個相互關聯的因素：時機和技術。
時機：當明天變成今天
也許下一代單通道最大的未知數是它的到貨日期。 波音公司的 737 MAX 項目于2017年投入使用。空客的 A320neo 自2016年開始服役，A321XLR 機型預計將于 今年晚些時候交付。
A321neo（以及 LR-長航程和 XLR-超航程變體）多年來一直是波音公司的問題；該飛機滿足了許多航空公司在航程、運力和經濟性方面的關鍵需求。盡管波音公 司試圖使用 MAX 進行競爭，但空客的機型在續航里程 方面表現出色。截至 2024 年 3 月底，空客積壓了 7177 架 A320 系列飛機，其中 4947 架為 A321。相比之下，整 個波音 737 家族積壓了 4828 架飛機。
在疫情之前，波音公司應對空客挑戰的解決方案是 “新型中型飛機”（NMA），有時被稱為市場中的中型飛機或 797。據了解，這架飛機是一架小型雙通道飛機， 但由于疫情和737 MAX的挑戰，該項目最終被擱置。對 波音公司來說，新的單通道飛機提供了一個更好地與空 客產品競爭的機會，尤其是 A321XLR。由于 737 是基于 20 世紀 60 年代的設計，即使與最新型號相比，設計新 機型可以提供顯著的改進。
然而，在 2022 年 11 月，波音公司首席執行官大 衛·卡爾霍恩（David Calhoun）表示，他預計要到 2030 年中才會有新的計劃，并表示“我認為我們甚至不會在 這十年內開始繪圖。”對于 2035 年投入服務，業界預計 將在 2028 年左右宣布新計劃，距離下一個計劃開始還 有大約四年的時間。 此外，今年 3 月，卡爾霍恩宣布，他將于2024 年底與董事會主席一起卸任。雖然不能保證戰略的轉變，但波音公司有可能重新評估其產品決策，并在幾年內推進新飛機的計劃。盡管波音公司可能沒有立即制定新項目 的計劃，但我們知道，研發項目將繼續確保公司做好準備。
對于空中客車公司，行業評論傳統上認為，空中客 車公司可能會等待波音公司宣布決定，然后再宣布自己的決定。然而，最近，我們認為空客的決定越來越與波 音脫鉤，它很可能會推進自己的議程。例如，該公司已經在其“明日之翼”項目上投資了近十年。這些發展可 能會轉化為A320neo系列飛機，我們認為這可能是對波音公司任何新的單通道計劃的回應。
航空航天供應基地似乎渴望下一代飛機。幾年來， 該行業本身的盈利能力一直很低，新項目為差異化和增 長創造了機會。除了經濟方面，許多供應商的工程人才利用不足，一項新計劃可以幫助重振員工隊伍。
技術：擴大規模
在 2019 年的高峰期，波音 787 的產量達到了每月 14 架?？罩锌蛙嚬居媱澰?2028 年將A350的產量提高 到每月12架。然而，對于 A320 家族來說，產量要高得 多?？罩锌蛙嚬拘加媱澋?2026 年將 A320neo 系列飛機的產量提高到每月 75 架。
如此高的生產率給復合材料帶來了許多挑戰。787 航空結構是使用碳纖維預浸料的自動膠帶疊層（ATL） 制造的，這需要熱壓罐。例如，787 中央翼盒的固化時間為 8-9 小時。在非常高的生產率下，這些零件將需要 非常大的熱壓罐資本支出，再加上工廠空間來支持這么龐大的工業設施。
存在非熱壓罐（OOA）解決方案，這形成了“明日 之翼”和類似項目背后的大部分研究。然而，以這種飛 機的規模和生產速度來看，很少有例子。A220 比 A320 小，采用全復合材料機翼，依靠樹脂注入。盡管該計劃 的初衷是在沒有高壓釜的情況下生產機翼，但由于灌注 過程的缺陷，最終固化仍然需要熱壓罐。我們預計，為 了經濟地生產這些飛機，機翼需要 OOA 工藝。
對于機身，技術開發仍然活躍。作為“清潔天空 2” 項目的一部分，歐盟目前有多功能機身演示器（MFFD） 計劃，該計劃展示了幾種新型熱塑性復合材料技術。日 本“HondaJet”公務機也采用了復合材料機身，其目標 是在 2028 年獲得認證，使飛機能夠在更高的高度飛行， 燃燒更少的燃料。值得注意的是，這種設計采用了熱塑 性塑料，Spirit AeroSystems 和 GKN Aerospace 幫助開創 了該飛機的許多工藝。如果從質量和生產經濟的角度來 看，這一計劃被證明是成功的，這將進一步增強人們對 使用熱塑性復合材料航空結構的信心。
空中客車公司和波音公司越是深入推進這些新項 目，我們就越有可能相信包括機身在內的熱塑性復合材 料將被納入這架飛機的設計中。如果波音公司在 2030 年 代上半年宣布飛機計劃，我們相信它很可能會有復合材 料機翼和鋁制機身?；蛘撸绻@種情況發生在下一個十年末，它更有可能采用復合材料機身和熱塑性技術。
圖3. 年碳纖維需求量。復合材料單通道可能是 航空航天行業碳纖維需求的最大驅動因素之一。
下一座要攀登的山
對于復合材料行業來說，兩個大型單通道項目的影 響可能是顯著的（圖 3）。假設兩個全面升級的復合材料機翼單通道項目每月交付 100 架飛機（或總共 200 架）， 我們估計每年對超過 10000 公噸碳纖維的需求。包括機身在內，這一數字上升到 13000 多公噸。這占目前航空 航天碳纖維需求量的90%以上，占所有細分市場每年消.11. 耗的 130000 多公噸碳纖維的近 10%。然而，碳纖維增長 的美元價值將遠高于10%，因為航空航天消耗的碳纖維 在碳纖維行業的整體價值中所占比例要高得多。
然而，為了給航空航天領域一種規模感，我們最樂觀的城市空中交通（UAM-urban air mobility）預測為每年10000臺，預測整個行業只需要4000公噸碳纖維。因此， 盡管無人機被宣傳為航空航天復合材料的下一個前沿領域，但我們的分析表明，下一個單通道項目將對復合材料行業產生更大的影響。
除了滿足材料生產要求外，該行業面臨的最大挑戰 將是以可行的成本實現復合材料零件的質量和一致的生產率。盡管自動化取得了進步，但今天的大部分航空結構活動仍然是勞動密集型的。復合材料尤其需要熟練 的勞動力。為了應對這些飛機帶來的速率挑戰，航空航 天復合材料技術必須從一個工藝行業發展到一個以更自動化和高速率工藝為主的行業。
在下一代機身中采用復合材料需要新技術、先進的 供應鏈和原始設備制造商的領導。在航空航天復合材料 領域，下一個要攀登的高峰不僅僅是一次升級，而是一 次重新定義航空航天和復合材料生產技術邊界的機會。
簡 評
空客“新 A320”機翼采用環氧熱固性碳纖維復合材料、機身采用高溫熱塑 性碳纖維復合材料，已經是板上釘釘，毫無懸念了。
波音“新型中型飛機”（NMA），機身、機翼都采用復合材料。但是沒有提到用高溫熱塑性碳纖維復合材料。 它的新特點是，客艙是雙通道；而貨艙是單通道設計。
到 2030 年波音推出代替現 737MAX 的新方案，飛機一但投入市場，C919 就更難與波音、空客競爭了！
原文見，《 The next-generation single-aisle: Implications for the composites industry 》 2024.6.14
楊超凡 2024.6.14
