挑戰波音、空客窄體飛機
Natilus混合翼身飛機渲染圖
Natilus（美國加利福尼亞州圣地亞哥）由阿列克謝·馬圖舍夫（Aleksey Matyushev）和Anatoly Star于2016年共同創立，旨在開發翼身混合（BWB-blended wing body）飛機，以滿足航空公司對更高效的貨運和客運平臺日益增長的需求。科納（Kona）是一個翼展26米、重9噸的平臺，將根據通用航空指南進行認證，目標是在2026年進行首次飛行，并在2028年投入使用(EIS-entry into service)。它已經積累了460份預購訂單?，F在，Natilus（發音為NAW tuh-luhs）宣布推出地平線（Horizon），這是一款面向窄體市場的200座客機，將于2030年代初推出投入使用。與目前市場上的傳統“筒-翼”相比，這兩種機型都具有顯著優勢。
背景與愿景
馬圖舍夫擁有安柏瑞德航空大學的航空航天工程學位，在航空/空氣動力學方面擁有20多年的經驗，包括擔任奎托斯防務公司無人駕駛飛機系統的空氣動力學主管。他指出：“我的聯合創始人阿納托利（Anatoly）更傾向于快速原型制作。”。“早期，我們都在Piper Aircraft工作，這是一家純粹的鈑金制造公司。”后來，這種經驗將在Natilus發揮作用。“但在Piper之后，我被招募從事國防項目的快速原型設計工作，復合材料是關鍵，因為你可以快速制造大塊零件。
“軍事項目結束后，我厭倦了睡在桌子下，所以我離開了，和阿納托利（Anatoly）一起開了一家工業設計工作室，”他繼續說道。“我們最初專注于消費電子產品，并迅速通過了三個不同的客戶計劃，成功按時交付。我們做了從充電器到放大器的所有事情，后來又進入了玻璃器皿和紡織品等消費品領域。該公司已經發展成一家非常成功的企業，但我們的大部分制造業務都在亞洲。我們一直在努力如何以可靠、快速且負擔得起的方式將商品帶到美國的消費品零售貨架上。”
他解釋說，根本問題在于貨機的傳統“筒-翼”設計。他們在體重達到最大值之前就已經裝滿了。馬圖舍夫說：“該行業一直在尋找一種更高效的設計。”。“我們的想法是深入了解我們的航空和航天背景，解決這個問題。這就是Natilus的起源—基于BWB開發一種以體積為中心的航空貨運設計。我們的目標是在這個航空貨運平臺上使BWB基本正?；?mdash;即解決所有技術挑戰，并在設計和制造方面奠定基礎—然后最終進入客運領域。但我們并不著急，所以我們不知道何時會跳到第二架飛機上。”
為什么現在開發地平線（Horizon）？
“各大航空公司已與我們接洽，希望將我們的BWB貨機改裝成客機。”
當然，Natilus現在宣布推出地平線（Horizon）飛機。“所以，我們將有兩種產品，”馬圖舍夫說。“第一架是科納（Kona）支線貨機，我們在圣地亞哥的工廠生產。這是一架80%復合材料和20%金屬的飛機，距離首次飛行約24個月。然后地平線（Horizon）是下一步，這是我們首次進入客運市場。這將是一架100%碳纖維復合材料（CFRP）飛機。
他繼續說道：“由于波音和空客面臨的挑戰，我們度過了非常有趣的一年。”。“許多航空公司已經開始質疑這種雙寡頭壟斷是否真的是市場的最佳選擇。幾家主要航空公司已經與我們接洽，他們基本上都在問我們是否可以將我們的BWB貨機改裝成客機。我們突然意識到，這是向前邁進的正確時機。
馬圖舍夫指出：“未來20年，大約有4萬架飛機的需求被壓抑，窄體飛機將占其中的70-80%。即使有波音和空客的生產目標，仍有1.5萬架飛機未被提及。”請注意，這是基于空客和波音將在未來20年分別建造1.5萬架和1萬架窄體飛機的預測。然而，目前，這兩架飛機都沒有達到自己的預測和承諾，而兩架飛機都至少提前了1-2年的計劃產能。
馬圖舍夫說：“他們的客戶似乎已經為不同的東西做好了準備，這也是由航空公司自己的ESG（環境、社會、治理）目標推動的。我們有一種可以實現這些目標的技術。因為所有這些因素都在一起，我認為市場現在已經準備好為窄體細分市場提供第三架飛機主制造商，我們的投資者也支持我們在地平線（Horizon）客機上取得進展。”
科納（Kona）和 地平線（Horizon）制造
雖然科納（Kona）是80%碳纖維增強塑料/20%金屬，但地平線（Horizon）將是一個全碳纖維增強材料機身。“每種材料都有一定的制造技術，”馬圖舍夫說。“當我們開始使用科納（Kona）時，我們利用了我們在Piper的經驗，在內部用金屬板建造了雙尾翼，而無需等待工具。我們對控制面也做了同樣的事情，控制面也是非常簡單的鋁制零件，你可以不用太多工具。所以，這給了我們快速開始的優勢。但當我們著眼于機翼和機身時，我們投資了工具，并將其制成CFRP結構。”
地平線（Horizon）將是一架更大的飛機——翼展為36米對26米，最大有效載荷為28公噸對3.8公噸。“如果你看看第一架機身、機翼和尾翼都是復合材料的商用飛機，比如空客A350，它們的空重與最大總重之比遠低于市場上任何其他飛機。與全金屬飛機相比，它減少了大約10%。因此，使用碳纖維布機身是有好處的，這已經得到了驗證。”
但也將面臨重大挑戰。“我認為最大的挑戰是零件的尺寸，”馬圖舍夫說。“例如，鋁制737機身，因為它是一種筒體和機翼設計，適合從堪薩斯州的威奇托到西雅圖的火車。然而，BWB的子結構不是傳統的。因此，我們正在研究如何將機身分解成子模塊，以及由于橋梁高度或火車車廂長度等大型結構的運輸限制，我們需要垂直整合多少。”
他解釋說，Natilus也在考慮如何發展必要的供應鏈。“在這個初始階段，我們仍然依賴幾個關鍵供應商，但似乎有跡象表明，碳纖維增強復合材料的內部生產將非常重要。這不僅是運輸方面的問題，也是熱壓罐的問題。將復合材料筒狀機身段放入管狀熱壓罐是有意義的，但當你有這些三維不同的長方形時，使用熱壓罐將是一個挑戰。然而，這就是當今大多數供應鏈所使用的。因此，在我們推進這架擴大規模的飛機時，將內部制造和尋找不同的結構建造方式是核心領域。”
他承認，這種規模是一個巨大的挑戰。“例如，我們開始考慮設施和勞動力。我們需要一個300萬平方英尺的設施和1萬名受過碳纖維增強復合材料生產培訓的員工。我認為這些是更難的問題。有些設施即將上線，這非常有趣，但問題是，它們是否適合我們正在考慮的制造工藝的BWB。”
客戶和飛行員對商用BWB的看法
但是科納（Kona）為Ameriflight帶來了什么？“我們有像塞斯納SkyCourier這樣的競爭對手，這是一種尺寸和重量完全相同的渦輪螺旋槳飛機，”馬圖舍夫解釋道。“但是，由于科納（Kona）的體積要大得多，它可以在同一次旅行中運輸幾乎兩倍的裝入貨物。因此，當你考慮到體積增加2倍，同時BWB空氣動力學和升力的阻力減少30%時，對于相同的有效載荷類別，你的成本幾乎降低了3倍。
“對于地平線（Horizon）來說，我們只是將這些優勢擴展到200座窄體飛機市場，”他繼續說道。“同樣，利用我們在空氣動力學方面的經驗，我們可以使用修改后的BWB設計來實現比當今商用航空中使用的飛機輕25%、容量大40%、碳排放量少50%的飛機。”
即使有這樣的優勢，現實情況是BWB是一種完全不同類型的機身，更類似于B2轟炸機，而不是目前飛行的窄體轟炸機。馬圖舍夫指出：“B2轟炸機等之前的BWB飛機的飛行方式與我們的飛機的飛行方法存在根本區別。”。“B2具有非常復雜的飛行控制系統，因為飛機本身就不穩定。它有四重冗余系統，基本上采用空氣動力學，并以飛行員感覺像普通飛機的方式呈現。”
“相比之下，我們的飛機在設計上具有航空穩定性，飛行方式與傳統客機相同。它們看起來不同，但飛行方式相同。我們的許多航空公司客戶都帶著他們的首席飛行員來駕駛我們的模擬器。他們評論說，如果我沒有向他們展示他們正在駕駛BWB，他們會認為他們只是在通用航空規模上駕駛737或A320，因為這些模擬器是為科納（Kona）設計的。”
為什么自動駕駛飛機需要模擬器？馬圖舍夫指出：“雖然我們打算讓科納（Kona）具備自主駕駛能力，但第一架飛機將有一個駕駛艙，可以選擇駕駛。因此，我們需要確保飛行員能夠安全地操作飛機，在我們推進設計和認證的過程中，模擬是一個重要而必要的步驟。”
他補充道：“我認為這是我們作為一家公司的成就之一—我們已經能夠創造飛行員和美國聯邦航空局想要的飛行操縱，但采用了一種不同的形式，可以在沒有復雜的電傳操縱系統的情況下實現所需的性能。”。
認證依據和時間表
科納（Kona）的全尺寸原型已經建成，將于2025年開始飛行測試，2026年開始首次認證飛行，2028年開始商業服務。這是目前“筒-翼”飛機的正常時間表，但科納（Kona）是一種BWB機身，尚未被認證為商用飛機。
“是的，但我們沒有對任何材料進行資格認證，”馬圖舍夫說。“這是我們開發這些飛機的一個重要支柱，至少在開始時是這樣。我們正在使用NIAR為航空業在東麗和Syensqo（碳纖維/環氧樹脂）預浸料上已經完成的大量工作。因此，我們正在使用NCAMP許可和已知的制造工藝來加快我們的上市時間。”
他還解釋說，科納（Kona）認證是根據通用航空指南進行的，適用于9噸或以下的飛機，通常需要18個月的時間，但地平線（Horizon）將是第25部分運輸類別認證。“當然，這將是一個更長的認證過程，”他承認。“不過，這取決于你如何制造它，如果執行得當，這是一個2到3年的計劃。這就是波音過去能夠做到的，而空客A350實際上在不到2年的時間里就完成了。因此，在行業內，所需的時間和費用是有先例的。”
這是真的，但波音787花了8年時間，其中一部分是它選擇了無縱向接縫筒體復合材料機身的新型機身結構，而A350則使用復合材料4塊面板，組合成機身筒體，這與之前的金屬機身結構/組裝方法非常相似。馬圖舍夫承認這一點：“問題是你注入了多少新技術，因為這本質上會為進入市場創造更多障礙。因此，我們正試圖用已知的材料、制造、發動機和系統盡可能簡單。”
考慮到所有這些，Natilus什么時候能完成地平線（Horizon）的設計？他說：“我們正試圖盡快凍結這種設計。”。“我的意思是，投入使用是在21世紀30年代初，也就是6-7年后，但從我們的角度來看，時間并不長。所以，我們已經計劃在明年進行風洞測試，我們希望在年底前完成空氣動力學設計，但之后我們必須開始研究內部結構、系統和制造。因此，我們現在必須迅速開始行動。”
BWB標準化，未來材料
馬圖舍夫認為BWB飛機已經正?；?。他解釋說：“在過去的10-15年里，我們看到的是，如果你做得正確，技術上會有一個機會，這樣你就可以把它推向市場。”。“問題將是執行以及將風險推到哪里。從我們的角度來看，我們正試圖基本上采用現有的部分，但以一種獨特的方式將它們組合在一起，這仍將提供我們的客戶在短期內想要的機會和效率。”
因此，Natilus正在努力爭取科納（Kona）的首飛。馬圖舍夫說：“然后，我們需要將從中吸取的經驗教訓應用于地平線，以便我們能夠解決如何每天生產一架飛機的問題，這正是市場在未來20年的需求。”。
考慮到這一點，看看熱塑性復合材料（TPC-thermoplastic composites）不是有意義的嗎？TPC使零件能夠在幾分鐘內沖壓，波音和空客都已經在使用它了？“我真的很喜歡熱塑性塑料的想法，因為這種工具要簡單得多。它本質上是金屬板材一樣的制造工藝—例如，只是使用沖壓工具來制作肋—但使用性能更高、重量更輕的材料。但材料是合格的。”
在這里，他指的是TPC在行業中的現狀。TPC角片和加強件用于B787和A350機身，焊接的TPC機翼前緣和方向舵已經在空客、達索和灣流客機上飛行了幾十年。盡管如此，將這項技術添加到科納（Kona）和/或地平線（Horizon）中很可能會增加認證的復雜性并延長認證過程。“我真的很喜歡空客繼續前進的想法，在那里我們可以根據投入生產的材料、工藝和結構進行等效認證。”
馬圖舍夫說，目前，“我們很興奮，因為我們在正確的時間出現在正確的地點。市場需要新的解決方案，我們有一個非?？蓪崿F的時間表來提供這些解決方案。與此同時，考慮所需的制造、設施和勞動力是具有挑戰性的，但我們正在與潛在的工廠進行良好的對話，我們的客戶和投資者正在提供我們所需的支持，我們正在開發新的合作伙伴并建立供應鏈。”
原文，《Natilus challenges the Boeing-Airbus duopoly 》 2024.11.6
楊超凡 2024.11.7
