每年12月，Composites World雜志均會(huì)撰寫(xiě)系列文章介紹當(dāng)年復(fù)合材料在不同應(yīng)用領(lǐng)域如航空航天、體育休閑、壓力容器、可再生能源等的應(yīng)用最新進(jìn)展情況，并對(duì)新一年的發(fā)展進(jìn)行展望。本文概述了2022年復(fù)合材料在航空工業(yè)（包括近年來(lái)火熱的空中出租車(chē)）領(lǐng)域的市場(chǎng)分析。
附：2022年復(fù)合材料市場(chǎng)回顧系列文章
隨著全球新冠肺炎疫情的日趨緩和，全球航空客運(yùn)業(yè)在2022年開(kāi)始復(fù)蘇，預(yù)計(jì)2023年全年將加速?gòu)?fù)蘇，從而使商業(yè)航空旅游業(yè)接近2019年以來(lái)的最高水平。而這一復(fù)蘇也勢(shì)必將增加美國(guó)波音、歐洲空客以及整個(gè)航空供應(yīng)鏈的生產(chǎn)壓力。
根據(jù)美國(guó)航空航天咨詢公司Teneo 的說(shuō)法，2022年新冠疫情的政策緩和有助于促進(jìn)美國(guó)客運(yùn)航空旅行的廣泛復(fù)蘇。在英國(guó)，相關(guān)政策實(shí)施的時(shí)間更長(zhǎng)，使得航空旅行的復(fù)蘇滯后，但也遵循類(lèi)似的模式。此外，Teneo預(yù)測(cè)，到2023年底，全球大多數(shù)航空旅行水平將比2019年疫情前低幾個(gè)百分點(diǎn)（見(jiàn)下圖）。
Teneo對(duì)2023年以美國(guó)為中心的客運(yùn)航空旅行的預(yù)測(cè)
正如2020年疫情流行開(kāi)始時(shí)所預(yù)測(cè)的那樣，全球國(guó)內(nèi)航空旅行的恢復(fù)速度快于國(guó)際航空旅行，但2023年國(guó)際旅行將恢復(fù)到接近疫情前的水平。國(guó)際航空旅行的回歸預(yù)示著寬體飛機(jī)的使用將增加，包括復(fù)合材料密集型空客A350和波音787，當(dāng)新冠疫情來(lái)襲時(shí)，這兩種飛機(jī)的生產(chǎn)速度都急劇下降。
2022年9月，空客公司宣布，由于預(yù)計(jì)需求將持續(xù)增長(zhǎng)，空客已開(kāi)始逐步提高飛機(jī)制造率。具體而言，空客表示其計(jì)劃在2022年交付近700架飛機(jī)，盡管截至2022年9月，該公司年內(nèi)交付總量?jī)H為437架。按照其生產(chǎn)速度，空客有望在2022年內(nèi)交付近600架飛機(jī)，盡管該公司表示將在今年余下時(shí)間增加產(chǎn)量以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。
無(wú)論情況如何，到2025年，空客公司計(jì)劃將產(chǎn)量提高到每年近1000架，這意味著每月產(chǎn)量約有80架。這樣的速度不僅給空客公司帶來(lái)了壓力，也給該公司的供應(yīng)鏈帶來(lái)了壓力，包括航空領(lǐng)域用復(fù)合材料的供應(yīng)鏈。
空客A321XLR 是空客 A321neo 系列的最新和最長(zhǎng)的迭代。這架單通道飛機(jī)專為長(zhǎng)途水上航線設(shè)計(jì)，深受客戶歡迎，訂購(gòu)量超過(guò) 500 架。A321XLR 預(yù)計(jì)將于 2024 年投入使用。圖片來(lái)源：空客
波音在市場(chǎng)上的地位要弱于空客，這家總部位于西雅圖的飛機(jī)制造商在去年花了大量時(shí)間讓其737 MAX和787供應(yīng)鏈的運(yùn)轉(zhuǎn)，自2021年以來(lái)，后者的交付已經(jīng)暫停，等待美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）對(duì)制造異常情況進(jìn)行評(píng)估，其中涉及一些復(fù)合材料機(jī)身部分的制造。據(jù)悉，波音公司已經(jīng)解決了異常情況，并于2022年9月恢復(fù)787交付。
2022年9月，波音公司交付了51架飛機(jī)，截至9月，2022年內(nèi)共交付328架飛機(jī)。按照這個(gè)速度，波音有望在2022年底前交付437架飛機(jī)，這比空客的目標(biāo)數(shù)量少得多，但對(duì)于一家在過(guò)去三年中一直受到安全和制造挑戰(zhàn)困擾的公司來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。
隨著A350和787的生產(chǎn)開(kāi)始恢復(fù)正常，整個(gè)航空工業(yè)尤其是復(fù)合材料行業(yè)面臨的問(wèn)題是，下一個(gè)大型飛機(jī)項(xiàng)目將于何時(shí)宣布？
空客暫無(wú)新的計(jì)劃，目前它的飛機(jī)涵蓋了所有飛機(jī)類(lèi)別，幾乎沒(méi)有戰(zhàn)略弱點(diǎn)。波音公司則相對(duì)較弱，因?yàn)樗鼪](méi)有一架遠(yuǎn)程單通道飛機(jī)來(lái)取代757并與空客A321XLR競(jìng)爭(zhēng)。這一弱勢(shì)再加上737的架構(gòu)限制（不容易擴(kuò)展），預(yù)示著波音可能會(huì)在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)宣布一項(xiàng)新的遠(yuǎn)程單通道計(jì)劃。
但是，開(kāi)發(fā)一款新飛機(jī)需要資金高昂（150億至200億美元），且波音在737 MAX墜毀和787交付暫停后仍在重建資金上面臨挑戰(zhàn)。雖然面臨財(cái)務(wù)和其他方面的挑戰(zhàn)，但很明顯，波音公司需要開(kāi)發(fā)一款新飛機(jī)來(lái)填補(bǔ)其757曾經(jīng)占據(jù)的投資組合中的產(chǎn)品空白。其直接競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品為空客A321XLR，這款單通道飛機(jī)最多可容納200名乘客，航程8700公里，是業(yè)內(nèi)航程最長(zhǎng)的窄體客機(jī)。A321XLR也有500多架訂單，預(yù)計(jì)將于2024年投入使用。
兩架美國(guó)航空波音787飛機(jī)，787飛機(jī)在2021大多數(shù)時(shí)間和2022年部分時(shí)間暫停交付，而該公司和聯(lián)邦航空局解決了一些與復(fù)合材料相關(guān)的制造異常問(wèn)題；幸運(yùn)的是，這一時(shí)間恰逢新冠疫情導(dǎo)致國(guó)際航空旅行大幅放緩，目前飛機(jī)的交付已經(jīng)恢復(fù)。
過(guò)去幾年，波音公司在市場(chǎng)上非正式地推出了一些概念飛機(jī)，測(cè)試了人們對(duì)各種配置和尺寸的興趣，其中包括新型中型飛機(jī)（NMA），這是一種比787更小的復(fù)合材料密集型雙通道飛機(jī)。盡管NMA在早期設(shè)計(jì)階段之后尚未成熟，但從各方面來(lái)看，波音公司仍在評(píng)估清潔飛機(jī)的新設(shè)計(jì)方案。這款飛機(jī)何時(shí)公布一直是大家猜測(cè)的主題，但在2023年底之前似乎不太可能。
與此同時(shí)，航空復(fù)合材料供應(yīng)鏈上的制造商正在熱切地對(duì)自己進(jìn)行重新定位，以滿足接下來(lái)宣布的任何飛機(jī)項(xiàng)目的需求。即使航空工業(yè)對(duì)下一款飛機(jī)項(xiàng)目的尺寸和規(guī)格尚不確定，但人們對(duì)材料和工藝（materials and process，M&P）的期望已有很多了解。
隨著航空工業(yè)從寬體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向窄體結(jié)構(gòu)，人們普遍認(rèn)為，無(wú)論波音或空客接下來(lái)開(kāi)發(fā)什么樣的飛機(jī)，都將面向一個(gè)月需求多達(dá)100架飛機(jī)的市場(chǎng)。此外，新飛機(jī)肯定會(huì)采用復(fù)合材料機(jī)翼，也甚至可能有復(fù)合材料機(jī)身。
每月生產(chǎn)100套復(fù)合材料一級(jí)航空結(jié)構(gòu)將需要迄今為止在商業(yè)航空工業(yè)中從未見(jiàn)過(guò)的復(fù)合材料M&P組合。這種M&P趨勢(shì)的主要推動(dòng)力將遠(yuǎn)離高壓釜所代表的瓶頸，轉(zhuǎn)向液體工藝，如樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）、樹(shù)脂注入、壓縮成型和熱塑性復(fù)合材料。M&P趨勢(shì)還將有利于更多的自動(dòng)化、改進(jìn)的過(guò)程控制、更多的零件集成、更少的人工接觸和更少的緊固件。
這種不采用高壓釜工藝的挑戰(zhàn)之一是，纖維/樹(shù)脂組合正在考慮用于以前從未使用過(guò)的結(jié)構(gòu)中。這種創(chuàng)新對(duì)復(fù)合材料行業(yè)是有益的，但它需要資格認(rèn)證計(jì)劃來(lái)證明這些材料在其預(yù)期應(yīng)用中的可行性。這樣的鑒定耗時(shí)且昂貴，但如果航空復(fù)合材料行業(yè)要滿足下一代飛機(jī)制造的需求，這則是必要的。
因?yàn)榭梢灶A(yù)見(jiàn)到這些趨勢(shì)，一級(jí)和二級(jí)航空復(fù)合材料制造商正在積極努力實(shí)現(xiàn)其業(yè)務(wù)的現(xiàn)代化，以滿足飛機(jī)原始設(shè)備制造商的需求。在復(fù)合材料制造商開(kāi)發(fā)的一些最新技術(shù)和應(yīng)用中，可以看到這種對(duì)M&P地位的爭(zhēng)奪。這項(xiàng)工作的示例如下：
用于高速率飛機(jī)制造的一體式一次性17米翼梁加工?？湛凸久魅罩恚╓ing of Tomorrow，WOT）項(xiàng)目采用了幾種新的復(fù)合材料M&P技術(shù)，旨在推進(jìn)機(jī)翼制造并減輕重量。WOT中最大的結(jié)構(gòu)之一是由英國(guó)GKN Aerospace公司通過(guò)RTM開(kāi)發(fā)和制造的17米長(zhǎng)的一體式碳纖維復(fù)合材料梁。這款C型梁的獨(dú)特之處在于，對(duì)于單個(gè)RTM零件來(lái)說(shuō)，它的尺寸非常大，并且它使用了日本Teijin公司的非卷曲織物（noncrimp fabric，NCF），GKN成功將其放置在工具上而不經(jīng)切割。空客已經(jīng)組裝了第一架WOT演示機(jī)，并將進(jìn)行測(cè)試以評(píng)估設(shè)計(jì)和材料的可行性。WOT中的技術(shù)是否以及如何應(yīng)用到飛機(jī)上還有待觀察。
用于GKN Aerospace 明日之翼（WOT）整體翼梁的日本帝人無(wú)卷曲織物
熱塑性復(fù)合材料焊接技術(shù)為更可持續(xù)的機(jī)身帶來(lái)了進(jìn)步。由歐盟清潔航空計(jì)劃運(yùn)營(yíng)的多功能機(jī)身演示器（Multi-Functional Fuselage Demonstrator，MFFD）項(xiàng)目正在評(píng)估熱塑性復(fù)合材料在飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)中的潛在應(yīng)用，主要包括蒙皮、桁條和框架。這項(xiàng)工作由英國(guó)GKN Aerospace（下半部分）、德國(guó)DLR（上半部分）和Fraunhofer（組裝）完成。MFFD的目標(biāo)之一是利用熱塑性塑料的可焊性作為機(jī)身的組裝技術(shù)，以減少機(jī)械緊固件的使用。MFFD正在評(píng)估幾種焊接技術(shù)，測(cè)量焊接速度、焊接質(zhì)量和其他變量。熱塑性塑料是整體航空結(jié)構(gòu)的一個(gè)有吸引力的方案選擇，因?yàn)樗鼈兲峁┝烁邏焊猓∣OA）加工能力，以及易于處理的材料和良好的韌性性能。
熱塑性航空結(jié)構(gòu)的焊接正在為下一代飛機(jī)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估，SAM|XL焊接技術(shù)使用帶有吸盤(pán)的末端執(zhí)行器和超聲波焊極來(lái)放置桁條并對(duì)其點(diǎn)焊
美國(guó)威奇托州立大學(xué)（WSU）的國(guó)家航空研究所（ National Institute for Aviation Research，NIAR）下一代復(fù)合材料制造技術(shù)的中心，正在迅速發(fā)展。NIAR正在其ATLAS設(shè)施中聚集各種制造技術(shù)，為復(fù)合材料行業(yè)和WSU學(xué)生提供M&P開(kāi)發(fā)的示范選項(xiàng)。ATLAS擁有Electroimpact（美國(guó)）自動(dòng)纖維鋪放系統(tǒng)（AFP）、Coriolis（法國(guó)）AFP設(shè)備、Mikrosam（馬其頓）無(wú)工具纖維鋪放系統(tǒng)、Cevotec（德國(guó)）自動(dòng)貼片鋪放系統(tǒng)（APP）、KraussMaffei（德國(guó)）注塑包覆成型系統(tǒng)、Engel（奧地利）注塑包覆成型系統(tǒng)、?ASC Process Systems（美國(guó)）高壓釜和Solvay復(fù)合材料（美國(guó)）實(shí)驗(yàn)室。NIAR也是先進(jìn)虛擬工程與測(cè)試（Advanced Virtual Engineering and Test，AVET）實(shí)驗(yàn)室的所在地，該實(shí)驗(yàn)室專注于虛擬數(shù)學(xué)建模技術(shù)的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，使航空航天制造商能夠最大限度地減少?gòu)母拍钤O(shè)計(jì)狀態(tài)到分析認(rèn)證的全尺寸物理測(cè)試。這里的目標(biāo)是縮短材料測(cè)試和鑒定周期，以使新材料更快地進(jìn)入航空結(jié)構(gòu)。
自動(dòng)纖維鋪設(shè)(AFP)是一項(xiàng)應(yīng)用于787和A350的復(fù)合材料技術(shù)，圖為位于威奇托州立大學(xué)（WSU）國(guó)家航空研究所（NIAR）的電沖擊AFP裝備
2022年，CW還拜訪了一級(jí)航空結(jié)構(gòu)制造商Qarbon Aerospace，參觀了位于美國(guó)佐治亞州Milledgeville和得克薩斯州Red Oak的工廠。Qarbon是轉(zhuǎn)型中航空制造商的一個(gè)典型例子，主要由私募股權(quán)收購(gòu)并重新命名的前Triumph工廠組成。該公司在航空航天和國(guó)防領(lǐng)域使用手工鋪設(shè)、高壓釜固化預(yù)浸料的傳統(tǒng)項(xiàng)目方面擁有長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)。它還開(kāi)發(fā)了熱塑性復(fù)合材料的專業(yè)知識(shí)，并創(chuàng)新了一些航空結(jié)構(gòu)的焊接技術(shù)。
Qarbon Aerospace 獲得專利的單向 (UD) 復(fù)合材料機(jī)器人感應(yīng)焊接技術(shù)已升級(jí)到 TRL 5，適用于封閉箱體航空結(jié)構(gòu)，例如機(jī)翼箱演示器。像 Qarbon 這樣的公司正在擴(kuò)大他們的熱塑性復(fù)合材料制造能力。圖片來(lái)源：Qarbon Aerospace
復(fù)合材料行業(yè)即將迎來(lái)的是先進(jìn)的空中交通（ advanced air mobility，AAM）市場(chǎng)，該市場(chǎng)計(jì)劃在主要城市及其周邊地區(qū)提供空中出租車(chē)服務(wù)，幫助乘客繞過(guò)地面交通。AAM飛機(jī)幾乎全部由載客3至6人、全電動(dòng)、復(fù)合材料密集型eVTOL飛機(jī)組成，航程可達(dá)150公里。
如AAM現(xiàn)實(shí)指數(shù)所示，全球有數(shù)百家AAM飛機(jī)制造商，但只有少數(shù)幾家有足夠的資金支持投入使用。該市場(chǎng)的最早推動(dòng)者計(jì)劃于2022年和2023年投入服務(wù)（EIS），其他幾家將于2024年和2025年投入服務(wù)。
關(guān)于這個(gè)市場(chǎng)將以多快的速度發(fā)展，以及它的最終規(guī)?？赡苡卸啻螅藗儽娬f(shuō)紛紜。樂(lè)觀者認(rèn)為，到2030年，全球?qū)⒂袛?shù)千輛空中出租車(chē)投入運(yùn)營(yíng)。持懷疑態(tài)度的人認(rèn)為，少數(shù)城市的少數(shù)供應(yīng)商提供的服務(wù)有限，成熟期較長(zhǎng)。
在AAM成為現(xiàn)實(shí)之前，有許多障礙需要克服。最大的障礙是管制/空中交通管制。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）和歐洲聯(lián)盟航空安全局（EASA）必須制定全新的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議來(lái)管理AAM飛機(jī)將飛行的空域——其中大部分是 AAM 飛行器應(yīng)避免墜毀的過(guò)度擁擠的城市地區(qū)。
第二個(gè)障礙是基礎(chǔ)設(shè)施?？罩谐鲎廛?chē)將在位于建筑物頂部、機(jī)場(chǎng)附近、區(qū)域機(jī)場(chǎng)和其他地點(diǎn)的垂直機(jī)場(chǎng)起降。這種基礎(chǔ)設(shè)施不存在，必須由AAM制造商創(chuàng)建和維護(hù)。AAM基礎(chǔ)設(shè)施也有一個(gè)現(xiàn)實(shí)指數(shù)。
用于AAM空中滑行起降的Volocopter VoloPort的效果圖
最后一個(gè)障礙也是與復(fù)合材料行業(yè)最相關(guān)的障礙，與M&P有關(guān)。如果AAM市場(chǎng)達(dá)到樂(lè)觀主義者所希望的成熟程度，市場(chǎng)對(duì)新飛機(jī)的需求每年可能超過(guò)10000架。這比商業(yè)航空領(lǐng)域的最高制造率高出數(shù)量級(jí)，代表了迄今為止世界上任何地方都沒(méi)有見(jiàn)過(guò)的高性能復(fù)合材料制造工業(yè)化水平。
一些觀察人士喜歡將這種復(fù)合材料制造的范式轉(zhuǎn)變稱為“汽車(chē)數(shù)量、航空航天質(zhì)量”，盡管這聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)道理，但事實(shí)是AAM飛機(jī)將以汽車(chē)行業(yè)所不具備的方式成為復(fù)合材料密集型飛機(jī)，并且將需要制造汽車(chē)行業(yè)所未見(jiàn)的零部件。以螺旋槳葉片為例，每架AAM飛行器都有多個(gè)旋翼，需要大量生產(chǎn)航空質(zhì)量的螺旋槳葉片——每年多達(dá)60000片。
由Beta Technologies開(kāi)發(fā)的ALIA 250c AAM飛機(jī)具有四個(gè)用于起飛和著陸的傾斜旋翼，以及靠近后部的推進(jìn)器旋翼；ALIA將首先作為運(yùn)送捐贈(zèng)器官的飛機(jī)投入服務(wù)，然后再進(jìn)入空中出租車(chē)市場(chǎng)
同樣考慮到AAM飛機(jī)的原型機(jī)和演示機(jī)主要是用手工鋪設(shè)、航空合格的預(yù)浸料在高壓釜中固化而成的。然而，第二代和第三代飛機(jī)將需要采用OOA M&P來(lái)滿足更高的生產(chǎn)率和更高的質(zhì)量。這意味著無(wú)需接觸勞動(dòng)力、強(qiáng)大的過(guò)程控制、液體成型、過(guò)程檢查、快速固化和易于組裝，目前世界上任何地方都沒(méi)有這種規(guī)模。
這也引出了一個(gè)問(wèn)題：誰(shuí)將為AAM制造復(fù)合材料？這取決于制造模式。一些AAM制造商可能會(huì)與Spirit AeroSystems、GKN Aerospace和Daher等簽訂合同，但即使是他們也需要獲得資金和技術(shù)來(lái)滿足需求。另外，其他AAM制造商，如美國(guó)Joby Aviation也在自己進(jìn)行復(fù)合材料制造，這也帶來(lái)了類(lèi)似的規(guī)模擴(kuò)大和工業(yè)化挑戰(zhàn)。
所有這些都忽略了碳纖維需求和供應(yīng)的問(wèn)題。AAM的快速成熟將給碳纖維供應(yīng)鏈帶來(lái)巨大的需求壓力，該供應(yīng)鏈已經(jīng)在努力滿足客戶需求，商業(yè)航空、風(fēng)能和氫存儲(chǔ)的強(qiáng)勁增長(zhǎng)有望使問(wèn)題更加復(fù)雜。此外，碳纖維制造商不愿投入時(shí)間和資金來(lái)增加產(chǎn)能，除非對(duì)新生產(chǎn)線可能生產(chǎn)的纖維有明確的長(zhǎng)期需求承諾。AAM能否提供如此明確的長(zhǎng)期承諾，還有待觀察。
來(lái)源：CompositesWorld、碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)
原文鏈接：https://www.compositesworld.com/articles/composites-end-markets-aerospace-2023
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦復(fù)合材料網(wǎng)）：2022年復(fù)合材料市場(chǎng)回顧及2023年市場(chǎng)展望：航空工業(yè)領(lǐng)域用復(fù)合材料
