下一代单通道飞机将给复合材料行业带来新的机遇|波音_新浪财经

陈济桁

　　近日，英国市场研究机构Counterpoint Market Intelligence撰文表示：单通道客机对先进复合材料的全面应用普及意义重大，复合材料行业需要依托窄体客机强大市场实现产品和制造技术的进一步升级。

　　2007年，在接受《设计新闻》采访时，时任波音787项目技术集成总监的阿兰·米勒博士评论了航空航天工业在采用复合材料方面面临的挑战：“在波音787‘梦想客机’之前，航空界从未有大批量应用复合材料的实践经验，这是一座必须攀越的高峰。”

　　波音787的制造是商用飞机复合材料使用方面的一次重大变革。飞机结构设计中复合材料约占50%，用量超过彼时任何一款量产的大型商用飞机。因此，波音787的生产需要在碳纤维和零件制造能力方面进行大量投资。这也为波音777X、空客A350和空客A220等新项目更广泛使用复合材料铺平了道路。

　　尽管在飞机设计中更多选用复合材料对航空航天和复合材料行业来说均是巨大机遇，但与如今双通道客机项目（如波音787或空客A350）或更小的空客A220单通道客机项目（复合材料用量为46%）相比，仍是巨大挑战。

设计：物有所值

　　许多关于复合材料与金属材料的讨论都集中在减轻重量上，轻质特性被视为飞机节省燃料的主要因素。事实上，复合材料带来的优势远不止如此，复合材料通常可以实现更大的设计自由度和空气动力学收益，这比单纯减轻重量的意义更加重大。

　　更长、更薄的机翼可以减少飞机的阻力，从而实现更高效的空气动力学设计，复合材料以其高结合强度、高刚度和轻量化特性实现了这一设计。结合改进的发动机，这一设计使787的单位客运里程燃油消耗大大降低。事实上，波音787的空重（不包括发动机）比波音767重30%。尽管如此，由于其更高效的机体物理结构，仍然可以实现大幅节省燃油，并将航程几乎增加一倍。波音777X在其复合材料机翼上采用了类似的策略，成功将翼展从波音777-300ER的64.8米延长到波音777-9的71.8米。波音表示，这种设计可使燃油消耗减少约10%。

　　不过，对于机身来说，复合材料影响的体现并不十分明显。机身本身并不像机翼那样具有任何空气动力学优势。复合材料往往对机身壁相对较厚的宽体飞机具有更大的优势。窄体飞机更频繁的起飞和降落周期通常需要使用额外的材料（比如通过壁板加厚提高冲击后压缩强度），可能会抵消复合材料带来的减重优势。预计使用复合材料将机身重量减轻20%将导致燃料消耗下降1.5%。随着气候变化的影响，每一滴燃料的节省都至关重要。但在机身中使用复合材料还有其他缺点，包括成本和可制造性等。OEM厂商是否选择复合材料机身可能取决于两个相互关联的因素：时机和技术。

时机：新机型项目仍需等待

　　下一代单通道飞机最大的未知数或许是它的上市时间。波音737MAX于2017年开始服役。空客A320neo自2016年开始服役，空客A321XLR型号预计于今年晚些时候交付。

　　空客A321neo（以及LR和XLR型号）多年来一直是波音公司需要面临的主要对手。疫情爆发之前，波音公司应对空客挑战的解决方案是考虑推出“新型中型飞机”（NMA）项目，也被称为中端市场飞机或波音797飞机。据了解，这款飞机是一款小型双通道飞机，但由于疫情和波音737MAX面临的重重问题，该项目最终被搁置。对于波音来说，一款单通道飞机提供了与空客产品（尤其是空客A321XLR）竞争中更好的机会。由于波音737的设计源自1960年代，因此，即使与目前最新的737系列机型相比，采用全新设计替代也可以带来显著改进。

　　然而，2022年11月，波音公司首席执行官戴维·卡尔霍恩表示，预计波音新机型要到2030年代中期才会推出，并表示：“波音甚至不会在10年内开始制定相关计划。”对于2035年投入使用的飞机，业界预计新飞机将于2028年左右宣布，距离下一个飞机项目启动还有大约4年的时间。此外，今年3月，卡尔霍恩宣布，他将与董事会主席一起于2024年底卸任。

　　而对于空客，业内普遍认为其可能会等待波音的计划，然后再宣布自己的决定。但是从近期的风向看，空客的计划可能不会再观测波音，而是继续推进自己的议程。例如，该公司已在其“明日之翼”（WOT）计划上投资近10年。相关成果可能会转化为在空客A320neo系列飞机的机翼改进，这可能会对波音任何新的单通道飞机计划产生影响。

　　航空制造业供应链也迫切需要下一代飞机的出现。整个供应链多年来一直面临着低盈利窘境，而新飞机项目的落地将为差异化竞争和收入增长创造条件。除了经济因素外，许多供应商的工程人才尚未得到充分利用，而新项目可以帮助重振其劳动力。

技术：规模化制造能力需要提升

　　2019年，波音787产量达到顶峰，达到每月14架。与此同时，空客也计划在2028年将空客A350的产量提高到每月12架。不过对于空客A320系列来说，其产量要高得多。近期，空客已宣布计划到2026年将A320neo系列飞机的产量提高到每月75架。

　　如此高的生产率给复合材料行业带来了诸多挑战。787飞机结构采用碳纤维预浸料的自动铺带（ATL）技术制造，需要利用热压罐进行固化，波音787中央翼盒的固化时间为8~9小时。在如此之高的生产率压力下，部件制造不仅需要对热压罐进行高昂投资，同时也需要更大的工厂空间以支持材料生产。

　　非热压罐（OOA）工艺是该问题的解决方案之一。该工艺促成了“明日之翼”和类似计划背后的大量科研工作。但是，面对目前飞机规模和生产速度，还未有成功的应用案例。比空客A320更小的A220采用全复合材料机翼，主要依靠树脂灌注技术。尽管该计划的初衷是在不使用热压罐的情况下生产机翼，但由于灌注工艺的缺陷，最终固化仍需热压罐解决。预计未来为了更经济地生产该体量和规模的飞机，机翼大概率采用OOA工艺。

　　对于机身，技术研发仍在进行中。作为洁净天空2/洁净航空计划的一部分，欧盟目前正在完成多功能机身演示验证件（MFFD）计划，该计划展示了几种新型热塑性复合材料技术。本田喷气飞机HA-380 Echelon也采用了复合材料机身，计划2028年获得认证，将使飞机能够在更高的高度飞行并消耗更少燃料。值得注意的是，该设计采用了热塑性复合材料，势必锐航空系统公司和GKN航宇公司协助开创了该飞机使用的多项工艺。如果该计划从质量和生产经济角度证明是成功的，将进一步增强人们对使用热塑性复合材料航空结构的信心。在欧盟洁净天空2计划下的MFFD项目中，由GKN和DLR分别参与研制的上、下部热塑性机身壳体（长8米，直径4米，减重10%）分别完工，交由德国劳恩霍夫研究所采用CO2和超声波技术进行焊接。空客和波音公司推进这些新项目的时间越长，业界就越有可能相信热塑性复合材料（包括机身）将被应用到新飞机的设计中。

下一座要攀登的高山

　　对于复合材料行业来说，2个大型单通道飞机项目的影响可能十分重大。假设2个全面启动的单通道飞机项目，每个月交付100架飞机（或总共200架）全部采用全复合材料机翼设计，预计每年对碳纤维的需求量将超过10000吨。如果算上机身，则需求量将上升至13000吨以上。这将占到当前航空航天碳纤维需求量的90%以上，占所有领域每年消耗的130000余吨碳纤维的近10%。但是，航空领域碳纤维用量增长带来的实际价值将远高于10%，因为航空航天领域消耗的碳纤维将占据碳纤维行业总价值的绝大部分。

　　为了直观展示航空业规模之大，在此乐观估计城市空中交通（UAM）飞行器需求为每年10000架，预计整个行业需要4000吨碳纤维。因此，虽然UAM被认为是现今复合材料应用的下一个前沿阵地，但研究分析表明，下一个单通道项目将对复合材料行业产生更大的影响。

　　除了满足材料生产要求外，该行业面临的最大挑战是在实现复合材料部件高质量和稳定生产率的同时，保持合理的成本。尽管自动化程度不断提高，但目前航空复合材料结构制造行业的大部分活动仍主要依赖劳动力。复合材料尤其需要熟练的劳动力。为了应对新飞机带来的生产速率方面的挑战，航空航天复合材料技术必须从劳动力工艺行业发展为以更自动化和高速工艺为主的行业。

　　要在下一代飞机机身中采用复合材料，需要新技术、先进的供应链和原始设备制造商强有力引领。航空航天复合材料领域要攀登的下一座山不仅是一个关键提升，还是一个重新定义航空航天和复合材料生产技术界限的重要机遇。