本文是微信文章《空客A350 機翼壁板機身第19段整體筒 制造工藝》的配套文章。討論了回收、生命周期評價、生物復合材料、快速通道技術、資格認證等。

（左上）數字技術是航空航天業實現脫碳目標的關鍵?？罩锌蛙嚬菊谔剿魈烊焕w維和生物樹脂，作為其未來材料計劃的一部分。（左下）輕型復合材料A350機翼下壁板在Illescas工廠制造，并被送往英國布勞頓，但需要新的材料和技術來滿足空客的脫碳目標。

本文是2024年8月29微信文章《空客A350 機翼壁板 機身第19段整體筒 制造工藝》的配套文章，基于參觀期間和之后的討論。它著眼于空客在復合材料和循環利用方面的發展方向，包括回收、生物源材料、數字化等。

可持續性和新飛機開發

A350是復合材料飛機結構的一個新臺階（上圖），但需要新技術來實現航空業的脫碳目標（下圖）。

空中客車Illescas生產廠負責人莫妮卡·阿爾瓦雷斯（MónicaÁlvarez）解釋說：“我們是可持續航空航天的先驅，致力于建立一個團結的世界。”這是空中客車的使命宣言。“我們希望引領一個航空脫碳的變革生態系統。”

“A350是復合材料部件生產的新一步，”她繼續說道，“這得益于重量減輕和燃料消耗減少。我們還通過最新一代A320系列飛機為這一旅程做出了貢獻。但為了未來的收益，我們需要新材料和更高生產率的工業系統，使我們能夠快速發展，為我們的脫碳目標做出貢獻。”

阿爾瓦雷斯指出：“空客目前有兩個優先事項。”。“單通道窄體飛機和ZEROe短程氫燃料電動飛機的新替代品，計劃于2035年飛行。”空中客車公司在其2023年年度報告中確實指出，它將對其下一代單通道飛機和第一架氫動力客機的架構做出關鍵決定。阿爾瓦雷斯說：“我們預計兩者都會有大量的復合材料。”。因此，提升新型復合材料結構的能力是關鍵。例如，到2027年，目前A320/A321系列窄體飛機的產量將增加到每月75架。

復合材料的未來取決于循環性

空中客車公司材料快速通道負責人布蘭卡·索斯特·烏克（Blanka Szost Ouk）表示：“讓我們的飛機更輕是關鍵。”。“我是空中客車公司正在制定關鍵技術路線圖的六位快速通道領導者之一，材料就是其中之一。”其他三個是電氣化、自主化、互聯互通、工業和人工智能。“復合材料是我們可以使用的最輕的材料之一，但它們的端到端循環性需要改進。”

作為空客多功能復合材料專家，塔瑪拉·布蘭科（Tamara Blanco）對此表示贊同。她的工作范圍現在包括可持續性作為復合材料的關鍵功能。布蘭科說：“我們正在關注業務的需求。”。“復合材料是未來飛機的首選材料，因為它們比鋁更輕，這是滿足降低燃料消耗和二氧化碳排放要求的關鍵。然而，為了確保復合材料是為未來選擇的材料，我們需要為復合材料具有更大環境足跡的生命周期中的其他領域（即，除在役使用外）開發解決方案，例如材料生產、廢物管理和壽命終止（EOL- end of life ）。我非常關注為這些領域的復合材料開發最佳解決方案。”

“我們正在研究由減少排放源制成的樹脂和纖維，” 索斯特·烏克說。“但我們在伊利斯卡斯也有非常有趣的項目，在那里我們給復合材料——在這個特殊的情況下，碳纖維增強熱固性預浸料——賦予了第二次生命。我們重復使用通常會被浪費的未固化材料，并用這些材料制造另一個零件，比如A350機翼下壁板桁條的填料。”

空中客車公司正在將預浸料帶回收利用，制成A350機翼壁板T形長桁的填料/條料，類似于這里所示的，但使用擠壓而不是3D編織紡織品。

布蘭科說：“當我們研究材料時，循環經濟對我們來說尤其重要，對復合材料來說更是如此。”。在CW參觀空中客車Illescas期間，她指出了一個成型工作站，預浸料帶卷的剩余端被放入擠出機中，將其轉化為A350機翼壁板T型初晴桁的三角形填料/條料。

她繼續說道：“我們必須使我們的生產廢料以及EOL零件具有可回收性。”。“在這里，我們與Illescas工廠和大型土木工程公司Comsa合作，以機械回收固化的復合廢料，用作混凝土材料的鋼筋。”

空中客車公司監督了HELACS項目，以展示碳纖維復合材料飛機部件的拆卸和回收。

該領域的另一項舉措是清潔天空2項目HELACS（飛機復合材料結構壽命終止的成本效益和可持續管理的整體流程），該項目于2021年1月至2023年12月實施。空中客車公司擔任了由Aitiip技術中心（西班牙薩拉戈薩）領導的一個聯合體的主題經理，該聯合體包括Teruel機場（西班牙Teruel）、Centexbel研究中心（比利時根特）和英國Coseley的碳纖維回收公司Gen 2 carbon。該項目展示了拆除和回收碳纖維復合材料飛機部件的工業和環境安全方法。拆卸技術包括水射流切割和自主機器人系統，而組件的回收主要基于熱解，以回收碳纖維并生產新材料。

多功能性、導電性和導熱性

布蘭科說，復合材料的多功能性仍然是空客的一個關鍵趨勢。她解釋說：“在A350中，從金屬結構到復合材料機結構，我們必須實施不同的解決方案來處理雷擊保護問題。”。因此，某些復合材料部件不僅提供了輕質結構，而且作為LSP系統的一部分，還設計了導電性。“現在，我們正在為基于新材料、設計和不同技術的下一代飛機開發增強型輕量化解決方案。”

空中客車公司正在追求電動飛行的進步，如（左上角順時針）ZEROe燃料電池和氫動力飛

機、ASCEND超導動力總成演示器和Cryoprop電動動力總成驗證器。

布蘭科繼續說道：“多功能性對下一代飛機來說更為重要，因為它們將更加電動。這符合國際航空運輸協會、ATAG和國際民航組織設定的到2050年實現凈零二氧化碳排放的航空目標。”她解釋說，空中客車公司已經制定了一個能源路線圖，該路線圖利用了空中客車公司眾多活動和產品之間的協同作用。“它包括三個正在并行研究的主要趨勢：SAF- sustainable aviation fuel（可持續航空燃料）的增量開發和采用、模塊化混合動力電動汽車和ZEROe飛機，這些飛機主要基于使用液氫進行推進。我們集團致力于支持這一路線圖，以盡可能地將所需的功能與復合材料所能提供的輕質性能相結合。”

布蘭科說：“我們優先考慮復合材料的兩個功能：導電性和導熱性，這對下一代飛機來說更為關鍵。”她解釋說，這些功能是LSP和其他電氣功能防止電磁危害的關鍵。“此外，我們正試圖找到更多機會使用多功能復合材料，例如在未來飛機的防冰中。”

布蘭科說，另一個優先事項是提高復合材料的導熱性。“在未來的產品中，這對我們來說越來越重要，我們正在研究其他燃料系統，如氫氣，這需要熱管理。”她不僅指低溫液氫的潛在用途，還指燃料電池的巨大熱輸出。“這就是為什么輕質復合材料中的這些功能是關鍵，我們正在為未來的產品研究它們。”

“我還想說，如果你考慮一下飛機，每個人都希望建立更緊密的聯系，” 索斯特·烏克指出。“因此，對于未來的飛機，我們將需要大量的電力和電纜用于數據驅動系統，這些系統在推動越來越多的電力通過時會產生熱量。因此，導熱性問題還包括整個飛機的一般熱量管理。”

“盡管多功能性可以成為未來電動汽車的推動者對于低碳排放飛機，從一開始就將新材料解決方案與減輕重量聯系起來非常重要，” 索斯特·烏克說。“它們總是需要比目前使用的更輕。我們研究過的一些設計是可持續的，但它們并不輕，我們不能使用這些，因為這會增加我們客戶操作飛機的每次飛行成本。因此，我們必須始終保持這種平衡。”

布蘭科補充道：“不僅重量輕，而且循環。”。“新材料，包括多功能復合材料，需要符合我們在端到端生命周期方面的關鍵目標——從原材料生產到EOL戰略。”

復合可持續性和數字化

“尋找平衡的循環材料解決方案越來越與數字化聯系在一起，” 索斯特·烏克說。“例如，復合材料行業正在追求更高的材料數字化，這涉及以數字格式收集和處理數據，以實現更高效的存儲、訪問、連續性和分析。這使得我們能夠以積極、可預測的方式使用信息，在從創新階段到EOL的整個生命周期內改進我們的產品。”

循環材料解決方案越來越多地與數字化聯系在一起。

她解釋說，材料可持續性是空中客車公司業務交叉的幾個橫向路線圖之一，與數字化有關。“我看到了可持續性/循環性和數字化之間的緊密聯系，” 索斯特·烏克說。“事實上，我無法想象沒有數字化的循環。例如，數據連續性是我們追蹤零件材料歷史的關鍵。我們也在研究數字解決方案，這將使我們能夠更快地進行創新。”

碳纖維生產商東麗（Toray日本東京）在其名古屋研究中心和一種用于飛機應用的新型阻燃預浸料中宣布了這種方法。東麗正在利用材料信息學來縮短此類新材料的交付周期，并表示將把這種方法應用于飛機和其他行業新預浸料的導熱性和導電性。聚合物供應商SABIC（沙特阿拉伯利雅得）也在使用這種方法，通過使用薛定諤基于物理的計算平臺，在幾個月內而不是幾年內開發新產品。

布蘭科說，空中客車公司也在采取類似的舉措。“對于未來，在每個發展領域，數字化都是一個關鍵的推動因素。我們正在通過公司推動數字化，不僅是為了循環，而且是為了比過去更快地找到答案。”

推進可持續復合材料TRL

空客如何評估這些新的復合材料解決方案？布蘭科表示：“在飛機結構研發中，我們遵循航空業使用的典型TRL-technology readiness level（技術準備水平）流程，逐步展示技術的成熟度。”。“我們通常從TRL 2或3開始，但當我們確實有較低的TRL解決方案時，我們就會依靠科學和外部社區來證明我們的可行性和應用。我們定義了明確的標準或績效指標，并衡量技術相對于這些標準的演變。”

技術準備水平TRL

“現在，”她繼續說道，“我們從一開始就對循環性有很強的標準。我們甚至在TRL 3之前就考慮到了這些標準。我們進行生命周期評估（LCA-life cycle assessment）或環境評估，以確保我們將開發出符合我們可持續發展承諾和目標的東西。”

索斯特·烏克說，這些不僅包括廣義上的可持續性，還包括健康和安全。“在樹脂方面，我們正在監測并已經預測到未來可能符合歐盟法規的一些物質合規要求。我們根本不會從這些領域有任何問題的材料開始。必須從一開始就清除這些問題。”

ECO-COMPASS項目

布蘭科說，在那之后，開發將根據既定標準進行衡量，包括循環性和功能性。她強調：“復合材料在成本方面也需要更具競爭力。”。“我們正在努力確保為未來的飛機選擇復合材料，因為它們需要輕量化。”

索斯特·烏克說，可回收性也越來越重要。“我們不僅評估了我們將開發的技術的生命周期評價，而且我們還有開發更多循環復合材料解決方案的具體項目，包括回收和EOL解決方案以及生物源復合材料。我們正在為此付出很多努力，我在這一領域有具體的項目。”

合格的生物復合材料

生物基復合材料的歷史問題是，它們沒有提供目前飛機所需的高性能。這只是一個長期發展的問題嗎？“我們絕對不會妥協輕量化，因為對環境的不利影響會更大，” 索斯特·烏克說。“顯然，我們有規格，我們開發的任何材料都必須滿足這些要求。我相信，對于我們今天使用的一些復合材料，有一種方法可以找到生物來源的替代品，這可能會比目前的油基材料對環境的影響更小，但我們仍然必須通過同樣的資格認證。在這里，使用人工智能和/或量子計算的計算工具將是一塊墊腳石。”

空中客車公司正在先鋒實驗室直升機上測試生物基復合材料。

布蘭科舉了一個例子。“我們將在直升機上測試一種生物基碳纖維，作為替代當前碳纖維復合材料的直接解決方案。這種材料來自木材廢料，我們的目標是在碳纖維生產中具有相同的性能，但二氧化碳排放量要低得多，因為它來自生物來源，而不是目前基于石化的聚丙烯腈前體。這種纖維現在已經在我們的直升機飛行實驗室中飛行。因此，我們正在證明我們可以從生物來源獲得樹脂和纖維，首先看纖維，并證明其性能與當前材料相同。”

索斯特·烏克說：“如果我們考慮生物基材料，比如來自蓖麻的PA11，與石化基聚合物相比，其性能有點弱。”。“因此，我們必須開發替代品。但我認為這些類型的解決方案可以借助數字技術，這將加快我們在未來幾年找到解決方案的能力。我們空中客車公司在這一領域非常活躍，不僅做實驗工作，還用最新的創新技術支持計算。”

作為供應鏈向前發展

隨著實現這些可持續發展目標的努力不斷加大，索斯特·烏克還指出，空客是最終用戶，“因此我們非常依賴材料供應商。我們需要與他們更密切地合作，他們必須對我們更開放地了解所有這些聚合物和材料配方，因為它們實際上必須改變其當前的化學成分。”她補充說，空客確實在推動整個供應鏈的這種合作。“即使在采購方面，我們也在努力支持和指導我們的復合材料供應商，如果他們能向我們展示材料的可追溯性和循環性，我們將在優先級方面給予更多的重視。為了找到航空業所需的解決方案，我們需要共同努力。”

布蘭科說：“我們必須降低生產過程中的碳足跡，不僅是零件，還有樹脂和碳纖維。”。“這是一個巨大的挑戰，但對于降低生命周期評價中的這些影響、使復合材料在未來飛機中的使用增加以及實現空客的脫碳目標是必要的。”

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原文見，《 Airbus works to improve the life cycle of composites in future aircraft 》 2024.8.28

楊超凡 2024.8.31