白皮書-復合材料在未來飛機中的作用
- 為什么復合材料現在很重要：到2050年，航空旅行每年增長約4%，減少結構重量和改善空氣動力學對減少排放至關重要。
- 節約背后的科學：了解碳纖維增強聚合物不僅可以減輕重量，還可以實現更具空氣動力學效率的設計。
- 復合材料的性能：了解復合材料與金屬的不同之處，以及哪些性能推動了其使用的好處。
- 當前和未來的機會：探索現代飛機如何使用復合材料來提高效率，以及下一代和未來的概念如何從復合材料中受益。
無論您是經驗豐富的復合材料專業人士還是行業新手，本白皮書都將為您提供數據和見解，以了解為什么復合材料不再是可選的，而是實現下一代效率和可持續性目標所必需的。
摘要
隨著全球航空業預計在未來幾十年將大幅增長，該行業需要能夠降低碳排放和提高飛機燃油效率的技術。復合材料，已經在空客A350和空客A350等現代飛機上發生了變革。波音787將在實現凈零排放的道路上發揮關鍵作用。本白皮書探討了如何復合材料提供了高強度、低重量和適應性的令人信服的組合飛機設計師。這些特性使工程師能夠平衡潛在的權衡在空氣動力學性能和輕質結構之間——產生大量燃料減少與金屬設計相比。利用復合材料技術將是航空航天的關鍵制造商將交付下一代飛機設計，能夠顯著減少燃料消耗和碳排放。
空中客車A350機翼廣泛使用復合材料
飛機燃油效率
行業趨勢將需要更省油的飛機，而復合材料是關鍵的推動因素
航空工業燃油效率 每位乘客/英里二氧化碳排放量
國際民航組織預測，到2050年，航空旅行將每年增長4%
為了實現行業的脫碳目標，該行業需要在降低飛機燃料消耗方面繼續取得進展。國際民用航空組織（ICAO）預測，從2023年到2050年，航空旅行將以每年4%的速度增長。如果不進一步提高效率，該行業的排放量將繼續增長。其他創新，如可持續航空燃料（SAF）或替代推進技術，可以幫助實現凈零排放，但SAF的高昂成本和新推進技術的漫長時間給該行業帶來了挑戰。首先使用現有技術減少燃料消耗量是一個關鍵步驟。此外，燃料通常是航空公司最大的單一支出（占航空公司運營支出的四分之一到三分之一），降低燃料消耗對航空公司的運營和盈利能力至關重要。
從歷史上看，飛機制造商通過四個主要手段提高了燃油效率（就每乘客英里燃油而言）：改進發動機技術、提高座椅和乘客密度、改善空氣動力學和降低結構重量。2022年的一項研究考察了這些杠桿隨著時間的推移對節省燃料的貢獻，如頁面底部的圖表所示。到目前為止，現有車隊的大部分改進都來自發動機技術。座位和乘客密度也是主要因素，特別是在21世紀初低成本航空公司擴張期間。麥肯錫的一項分析使用了不同的方法，發現2005年至2019年間近一半的燃油效率節省是由于座椅密度和乘客載客率，而不是飛機的改進。
隨著空中客車A380、波音787和空中客車A350的推出，空氣動力學性能和結構重量實現了飛躍。A380在中央機翼結構中引入了碳纖維復合材料。波音787的機翼和機身都采用了復合材料，將復合材料融入了飛機結構的50%?？罩锌蛙嚬九cA350遵循了類似的道路，復合材料占飛機結構重量的53%。這遵循了飛機項目比早期設計采用更多復合材料的更廣泛趨勢?？湛偷腁220采用復合材料機翼，波音的777X也是復合材料機翼。
盡管結構重量迄今為止發揮的作用較小，但未來可能會發生變化。乘客密度正在接近自然極限。突破發動機技術的界限將需要重大的設計變革，例如開放式轉子系統，這將需要時間來開發和驗證改進和減輕結構重量，這在下一代項目中比我們歷史上看到的更為重要。對于飛機設計師來說，復合材料在改善空氣動力學和減輕結構重量方面發揮著至關重要的作用——我們將在下一節探討這一折衷方案。飛機燃油效率的來源。
1960年至2019年間對飛機效率提高的相對貢獻
優化重量和阻力
重量和阻力在飛機機翼設計中有固有的權衡，飛機巡航阻力的約40%與飛機重量有關
飛機巡航阻力的約40%與飛機重量有關
對于飛機設計師來說，重量和氣動性能形成復合體平衡行為。這兩個因素密切相關，通過關系連接在升力和阻力之間。當飛機進入穩定、水平飛行，作用在其上的力—升力、重量、推力和阻力—是平衡的。機翼必須產生足夠的能量提升以平衡飛機的重量，同時發動機必須產生足夠的推力以克服空氣動力阻力。飛機的阻力越大，所需的發動機推力越大，導致燃油消耗增加、碳排放增加。
飛機上的阻力來自幾個方面。這些來源的比例隨著飛機燃燒燃料，但通常飛行中大約一半的阻力是由空氣和飛機表面之間的摩擦。大約40%的阻力是升力引起的阻力，由機翼下方的高壓空氣從翼尖周圍溢出到低壓引起這種氣流產生了旋轉的空氣，就像剎車一樣，使飛機減速。
典型單通道飛機的阻力組成。
巡航時作用在飛機上的總阻力百分比
這樣，飛機的重量對碳排放有直接影響。較重的飛機需要更大的升力→ 產生更多的升力誘導阻力→ 需要發動機提供更大的推力→ 消耗更多的燃料來產生推力→ 通過更高的燃料消耗產生更大的碳排放。飛機不僅在起飛時感受到這種效果，而且在飛機飛行的每一英里中都會感受到這種影響。這種關系可能會產生復合效應—如果飛機需要更多的燃料來承載額外的重量，那么這些燃料也會產生阻力損失，需要更多的燃油。飛機設計師可以通過兩種主要方式減少升力引起的阻力：
?降低飛機重量
通過減少必須提升的質量，航空公司可以減少燃料消耗。即使飛機重量發生相對較小的變化，也會產生較大的影響。例如，2014年，美國航空公司用1.2磅（0.5公斤）的平板電腦取代了5磅（2.3公斤）的空乘手冊，每年為航空公司節省了約65萬美元的燃料。同樣，在飛機設計中使用更輕的材料可以減少誘導阻力并提高效率。
?優化機翼設計
工程師可以優化機翼的特性以降低誘導阻力。一種選擇是使用更長、更細的機翼。對于固定翼區域，較長的翼展可以減少誘導阻力，因為它可以使機翼更有效地產生升力。然而，這并非沒有權衡；較長的機翼通常會增加重量。設計師面臨的挑戰是取得適當的平衡，確保任何額外的重量都不會抵消空氣動力學的好處。
機翼設計比較。
復合材料可實現更寬的翼展，從而減少升力引起的阻力
同樣，與前幾代777飛機的金屬機翼相比，波音即將推出的777X系列采用了復合材料機翼。777X具有細長的機翼，提高了空氣動力學效率。盡管比前幾代稍大，但777X需要一個功率較小的發動機，這反映了這些空氣動力學變化所需的較低推力。這種機翼的優點對設計至關重要，飛機具有可折疊的翼尖，以確保飛機可以使用與早期777相同的機場設施。
空中客車公司也采取了類似的做法。該公司的A350和A220飛機都采用了細長的復合材料機翼，提高了空氣動力學性能。下一節將詳細介紹復合材料的特性，使設計師能夠將空氣動力學的這些改進融入現代飛機。
復合材料的性能
復合材料具有高強度和剛度，可以根據設計進行定制
下一頁的表格顯示了與常見航空航天金屬相比，碳纖維的選定性能。顯示了特定等級的纖維（Hexcel的HexTow®IM7）和這些纖維與樹脂基質結合成單向（UD）帶時的性能。材料選擇取決于除此處所示因素之外的一系列因素，但該表顯示了沿這些尺寸的高性能碳纖維。這些特性使得復合材料在現代機翼設計中不可或缺。制造更長、更薄的機翼而不相應增加重量的能力不僅提高了空氣動力學效率，而且直接轉化為節省燃料。在上述示例中，與767相比，787的燃油效率提高了約25%，預計777X的燃油效率將比777-300ER高出10-15%。這兩種飛機都配備了更新的發動機，這有助于這些改進，但空氣動力學和輕質復合材料結構有助于提高效率。
常見航空航天材料的性能
相對于鋁2024-T4的重量強度和重量剛度
學術研究也可以讓人感覺到復合材料比金屬設計的好處。密歇根大學的一項優化研究比較了金屬機翼與復合材料機翼，發現復合材料機翼輕30-40%，可節省5-8%的燃料。13同樣，美國國家航空航天局對下一代單通道飛機的一項研究估計，使用機翼和機身中的最新復合材料技術，新飛機項目的空氣動力學效率可以提高7%，飛機的空重可以提高9%。綜合起來，該研究估計燃料消耗可節省7%。對于一架典型的單通道飛機，這相當于飛機每小時運行約275加侖（1041升）的燃料4或600美元的成本。在飛機的整個生命周期內，這些改進產生了巨大的影響。根據麻省理工學院航空公司數據項目4的大型窄體（單通道）飛機2019年的平均輪擋飛行時數和燃料消耗，這相當于在假設的25年飛機壽命內節省了600萬加侖的燃料。由于每磅燃料產生超過3磅的二氧化碳排放，每架飛機的二氧化碳排放量減少了6萬噸。為了給人一種規模感，60000噸二氧化碳相當于1500輛中型乘用車在其生命周期內產生的排放量。
受益于復合材料技術的不僅僅是機翼。飛機設計師越來越多地將復合材料應用于垂直和水平穩定的機艙、機身（如波音787和空客A350）以及風扇葉片和外殼等發動機部件。在這些應用中，主要優點仍然是減輕重量。然而，與機翼部件不同，這些區域中的許多都沒有額外的空氣動力學優勢，設計師還必須仔細評估復合材料是否是應用的最佳材料。在這些決策中，次要的好處，如更好的抗疲勞性和耐腐蝕性是一個重要的考慮因素，因為復合材料還可以通過延長壽命來降低維護成本。例如，在經過例行維護檢查的700架波音787中，沒有一架顯示出機身疲勞的跡象。
在一架飛機上使用復合材料節省的燃料，可能相當于從道路上減少1500輛乘用車。
下一代飛機設計
先進的概念依賴于先進的材料來實現這些設計
隨著航空航天工業努力實現凈零排放，復合材料在飛機設計中的作用將進一步擴大。在下圖中，圖表中的每個堆疊條表示一架飛機的空重，條數表示根據制造商的預測每月生產的飛機數量。波音和空客目前的單通道飛機是業內生產率最高的。這些飛機基于幾十年前的設計，使用的復合材料比最近的項目少得多。在這些飛機的下一代設計中加入更多的復合材料仍然是提高該行業燃油效率的最大機會之一。
該行業正在積極研究如何在這些設計中增加復合材料的使用。空中客車公司的“明日之翼”計劃是一項合作倡議，專注于輕質材料、改進空氣動力學和自動化制造。同樣，空中客車公司多功能機身演示器（MFFD）是一項研究倡議，專注于改進飛機機身設計。目標是整合先進的復合材料、模塊化結構和多功能組件。
單通道飛機的機遇。
根據2027年預測的月平均交付量交付的飛機累計空重
先進概念
JetZero的全復合材料混合翼身設計進一步降低了空氣動力阻力
在公司2025年峰會上談到下一代單通道時，空中客車公司的Karim Mokkadem表示：“一切都將轉向更長、更窄、更薄的機翼，以增加升力并減少阻力。與此同時，這些機翼將由新材料制成——更輕的材料、復合材料。”
先進的空氣動力學設計理念也大量使用了復合材料。美國國家航空航天局和其他組織對高縱橫比和超高縱橫比機翼的研究旨在進一步突破機翼技術的界限，以減少誘導阻力。
更具革命性的設計將飛機的機翼和機身平滑地融合成一種形式。幾家制造商已經探索了這種“混合翼身”，如美國國家航空航天局和波音公司的X-48演示機。航空初創公司JetZero的目標是將250名乘客的版本推向市場。他們的設計依賴于復合材料20來提供結構強度和生產靈活性，以創造這些光滑、復雜的形狀。
盡管有性能優勢，但復合材料的初始成本可能高于金屬，某些制造工藝可能需要更長的時間。考慮到整個生命周期的成本，復合材料的性能通常優于金屬—材料的初始較高價格被燃料和維護的服務節省所抵消—但這些權衡對設計師來說是復雜的決定。創新繼續尋找以更高的速度更具成本效益地生產復合材料部件的方法。
復合材料不再僅僅是一種優勢，而是實現未來航空效率和可持續性目標的必要條件。通過使設計師能夠優化飛機結構以減輕重量和增強空氣動力學，復合材料提供了可測量的減排和改進的運行經濟性。復合材料的影響已經在現代飛機設計中顯現出來，并將在未來變得越來越重要。
