【航空】航空復合材料終端市場綜述與展望
商用飛機復合材料的長期增長
2024年10月，英國市場研究機構Counterpoint介紹了其對航空航天領域碳纖維應用的展望，并指出復合材料密集型飛機（包括空客A220和A350、波音787和777/X等機型）生產率將繼續提升。預計到2026年，航空航天碳纖維增強復合材料市場規模將超過2019年的17.4億美元，達到19.3億美元，并以10.5%復合年增長率持續增長，預計到2028年達到22.3億美元。
原始設備制造商已將更多復合材料業務收歸內部管理，如灣流、波音對勢必銳航空系統公司的收購（空客已接管勢必銳在蘇格蘭普雷斯蒂克、法國圣納澤爾和美國北卡羅來納州金斯頓的工廠），再如依托Stelia航宇公司及其他一些工廠組建的全新空客大西洋公司。種種跡象表明復合材料飛機結構制造商正在尋求專業化和差異化，以推動新技術發展和執行效率提高。
下一代單通道飛機
生產率最高的波音737和空客A320單通道飛機，復合材料的使用比例分別僅為15%和10%。這兩種機型均已有超過40年的歷史，市場多年來一直需要一款全新的窄體飛機。行業普遍預測，新的窄體客機平臺將于2030年代中期投入使用，并將肯定會采用復合材料機翼，甚至采用復合材料機身，其中后者能否應用取決于有關項目進度和技術成熟度情況。
在3月份舉行的2025年空客峰會上，空客作為原始設備制造商概述了其下一代單通道飛機的幾個要點：
一是機翼采用先進的空氣動力學和仿生學設計，更長的機翼將產生更大的升力，但配有折疊翼尖以適配目前的主流機場。
二是開放式風扇發動機采用碳纖維復合材料風扇葉片，與現有發動機相比，可額外減少20%的燃料消耗和二氧化碳排放量。
三是采用混合電力推進技術。利用鋰電池或氫燃料電池的電力，補充輔助傳統噴氣燃料或可持續航空燃料（SAF）的使用。四是使用強度更高、重量更輕的復合材料，探索用生物基復合材料和熱塑性復合材料替代目前碳纖維增強聚合物的潛力，這不僅可以提高可持續性，且對于后者來說，還可以實現更快、更具成本效益的裝配。
航空發動機復合材料
在不斷追求更高性能、更低油耗和更優排放的推動下，復合材料在航空發動機中的應用前景被普遍看好。碳纖維增強聚合物和陶瓷基復合材料的使用預計將會增加。
羅羅公司為新型達索獵鷹10X飛機（計劃于2027年交付）設計的Pearl10X渦扇發動機將在發動機短艙、旁通管道、維修門、風扇導軌襯套、整流罩和電纜套管中使用復合材料。為龐巴迪8000飛機設計的GEPassport發動機（計劃于2025年投入使用）的發動機短艙、整流罩、排氣錐和混合器均采用了碳纖維復合材料和陶瓷基復合材料。Passport發動機還將作為NASA面向2030年后下一代客機的混合熱高效核心機（HyTEC）項目的演示平臺。該項目將研究在發動機中嵌入電動機以驅動更多飛機系統，以及在增強型燃燒室襯套中使用陶瓷基復合材料高壓渦輪（HPT）部件和增強型燃燒室襯套。NASA報告稱，增強型燃燒室在2024年達到技術成熟度5級。羅羅還將在其XWB-97發動機中使用陶瓷基復合材料，以此增強高壓渦輪葉片與靜密封之間接口的耐高溫性能，該發動機為空客A3501000提供動力。
翼身融合飛機和超音速飛機對復合材料需求旺盛
美國Natilus公司、JetZero公司均在開發大量應用復合材料的翼身融合（BWB）飛機。Natilus的Kona無人貨運飛機已獲得460份預訂單，該機翼展85英尺，有效載荷3.8噸，航程達到900海里，機身由80%碳纖維增強復合材料和20%的金屬（主要集中在雙尾翼和控制面）構成，可根據通用航空指南進行認證，計劃于2028年投入使用。Natilus第二款機型Horizon，翼展118英尺，有效載荷25噸，航程3500海里，采用全碳纖維增強復合材料結構制造，計劃于2030年代初期投入使用，主攻窄體飛機市場，最多可搭載200名乘客。與現有飛機相比，Kona飛機的載貨量增加了一倍，阻力降低了30%，成本降低了高達60%。Horizon飛機的重量將比現有商用噴氣式客機減輕25%，載客量增加40%，碳排放量減少50%。JetZero公司翼身融合演示驗證平臺則計劃于2027年試飛，預計可改造為容納250～260名乘客的噴氣式客機，其燃油消耗和碳排放量有望減少50%，預計2030年代初投入使用。
成立于2014年的美國博姆公司旨在重塑全球超音速航空客運體驗。其XB-1演示驗證機和“序幕”（Overture）超音速客機幾乎完全由碳纖維復合材料制成。XB-1于2025年實現了無音爆超音速飛行。博姆公司將使用XB-1飛行數據為“序幕”開發無音爆巡航。“序幕”飛機首尾總長為201英尺，續航里程為4250海里，可搭載64～80名乘客。由博姆公司自研的“交響樂”（Symphony）渦扇發動機提供動力，“序幕”飛機飛行速度可達1.7馬赫。博姆公司已收到130份“序幕”飛機訂單和預備訂單，其制造超級工廠于2024年6月竣工。第一條裝配線將實現年產33架飛機，第二條裝配線的投產將使年產量翻一番。該工廠計劃于2029年投入運營。
熱塑性復合材料繼續進步
2024年，“多功能機身演示驗證件”項目順利完成，標志著熱塑性復合材料航空結構的技術成熟度顯著提升，該項目還展示了實現“無塵”裝配以及將生產廢料在生產卡扣、支架等零部件中再利用的能力。未來幾年，甚至在下一代單通道飛機平臺問世之前，飛機上有望出現更多熱塑性復合材料部件。
2025年3月，空客德國不來梅公司和法國PinettePEI公司宣布，安裝世界上最大的熱塑性復合材料壓制成型設備，其加工部件面積可達2×5米，主要用于飛機翼肋、隔框和機身部件等零件的沖壓成型和共固結。與此同時，為了確保美國在熱塑性復合材料制造技術方面不落后，美國航空材料制造中心（AAMMC）宣布，正在最終確定一臺更大規格的壓制成型設備，并計劃將其安裝在位于華盛頓州斯波坎國際機場附近、占地386,000平方英尺的工廠中。AAMMC及其50個聯盟伙伴成員的共同目標是加速美國下一代飛機所需的大型熱塑性復合材料部件的開發和認證。
一級供應商和通用航空飛機制造商法國大合（Daher）也持續開發TPC結構、焊接和回收技術。在慶祝其Shap'in技術中心成立兩周年之際，該公司展示了無緊固件裝配技術，可使飛機結構重量減輕高達15%。
生產效率的競爭
促使熱塑性復合材料發展的另一個重要動力，是其更快的生產制造周期。為此，空客正在加強供應鏈建設，以實現到2027年每月能夠生產75架窄體飛機的目標。
這一目標的提出主要源于全球前所未有的1.7萬架飛機積壓訂單——約占現有機隊的50%。但按照目前生產速度，清理這些積壓訂單需要13.5年。波音和空客預計，到2043年將需要4.2萬至4.4萬架飛機才能滿足日益增長的航旅需求，其中包括3.3萬架窄體飛機。
解決這一問題的重要案例就是ASCEND計劃。這個由GKN航宇公司全球技術中心牽頭、為期4年的計劃，最終在42個獨立研究項目中實現了6級技術成熟度。演示驗證的快速固化預浸料包括赫氏的HexPlyM51，可在40分鐘內完全固化且無需后固化處理，并可在復雜零部件中使用寬度為6.35至300毫米的單向帶（廣泛適用于AFP和ATL技術）進行驗證。同樣，世索科公司的EP2750在熱壓成型過程中選擇采用雙隔膜成型和彈簧框架壓制成型時，可在30分鐘內實現復雜幾何構型。
其他的航空領域應用進步均與RTM技術有關。例如，GKN航宇公司開發了一套自動化RTM制造單元，包含定制的注塑設備、智能模具和感應加熱系統，所有設備和系統都能通過數字孿生架構進行控制，這使得生產線能夠以汽車工業的生產速度實現航空航天級產品的質量。通過采用自動化處理與成型技術、快速感應加熱和閉環過程控制，GKN改變了復合材料航空結構的生產方式。
未來可持續發展重點
可持續性要求已成為影響航空制造業的關鍵因素，指導著下一代發動機和機身的研發決策?？湛凸緦ο乱淮w機生物材料一直進行著持續探索，致力于改善未來飛機復合材料的生命周期?？湛筒粌H對即將開發的新技術開展生命周期評估，而且還設置專項開發更具循環性的復合材料解決方案，包括回收和報廢解決方案以及生物基復合材料。盡管空客不會在輕量化、性能和安全要求方面妥協，但目前使用的一些復合材料仍有可能找到生物基替代品，相比石油基材料對環境影響更小，不過仍然需要經歷同樣的鑒定和認證過程。在這方面，人工智能或量子計算工具將成為鋪路石。
波音公司也在探索生物基材料，包括更輕、可回收、更耐用的機艙地板以及可回收碳纖維面板等，二者均采用25%生物基樹脂制成。
氫動力飛機技術的開發仍在持續。盡管空客仍致力于這項技術的發展，但已將其首架ZEROe飛機的服役時間從2035年推遲到2045年，主要原因在于空客認為所需的氫氣基礎設施、生產、分配和監管框架的全球發展速度低于預期。美國ZeroAvia取得了進展，已獲得美國聯邦航空管理局（FAA）等機構資助，并為其氫動力推進系統建立了認證基礎。
數字化的循環經濟將是未來發展重要趨勢。復合材料行業正在追求更高的材料數字化，涉及收集和處理數字格式的數據，以實現更高效的存儲、訪問、連續性和分析。這將使全行業能夠以主動、可預測的方式利用信息，從而改進產品由初始創新到報廢（EOL）的全壽命周期。數據連續性對于追蹤零部件材料歷史至關重要。此外，行業還在研究能夠加快創新速度的數字化解決方案。數字化和人工智能技術正在賦能改善材料/零件/工具跟蹤、檢查和降低能耗等活動。
先進空中交通（AAM）是航空和城市/區域交通領域的一次范式轉變。盡管為城市空中交通（UAM）和區域空中交通（RAM）開發的無人或有人駕駛電動垂直起降飛機（eVTOL）將徹底改變客運和貨運方式，但不斷發展的AAM生態系統十分復雜，面臨諸多挑戰，其中包括技術、監管和公眾接受度等方面的重大進步。
美國喬比航空已完成1500多次試飛，正在進行美國商用客運適航認證所需五個階段中的第四階段，已取得突破進展。美國Beta科技公司正在向FAA申請認證兩種型號，世索科（Syensqo）已被指定為其復合材料主要供應商，用于主要和次要結構以及非結構部件生產。德國Volocopter公司已在新加坡和巴黎等主要城市進行了試飛，并正在開發全面生態系統，涵蓋飛行器、垂直起降機場和維護工廠等，其VoloCity“空中出租車”已獲得500多份預訂單，該機機身、旋翼葉片和座椅部件均采用復合材料。
美國貝恩公司分析預測，到2035年全球eVTOL機隊數量將達到12000架，到2040年將達到45000架。不過這仍取決于多種因素，包括電池技術的改進、空中交通管制法律和垂直起降機場基礎設施的發展，以及飛機認證和運營表現情況。
來源：《大飛機》雜志
作者：陳濟桁
