【市场观察】2020年航空航天领域用复合材料市场回顾

2020年航空工业现状概述

2020年全球因受到新冠疫情的影响，航空工业受到极大冲击。为了防止这种病毒的传播，国家之间的航空旅行受到禁止，而许多人则完全停止乘飞机旅行，进而严重破坏了全球商业航空旅行市场。

疫情爆发之初，全球的旅客航空旅行下降了约90％，数千架飞机停飞。据市场分析，截止2020年10月下旬，全球旅客空中旅行与2019年相比下降了约63％。全球航空公司飞机的停飞也使员工陷入困境，取消或延迟了新飞机的订购，一些较小的航空公司已经倒闭。

机场停飞的飞机

作为回应，美国波音公司和欧洲空中客车公司均降低了飞机生产率。美国波音公司由于两次坠机而在2019年停止生产的737 MAX飞机，实际上在2020年5月重新启动了生产计划，预计该飞机将重新进行飞行认证。波音公司希望到2022年将飞机数量增加到31架，777/ 777X每月减少到5架，767减少到6架，复合材料密集型787减少到10架。

空中客车公司将A320的产量从2019年的平均每月53架减少到40架，A330和复合材料密集型A350的产量分别减少到每月2架和6架。此外，波音公司于2020年10月初宣布，它将在2021年关闭美国华盛顿州西雅图市的所有787装配厂，并将其合并到公司在美国南卡罗来纳州北查尔斯顿的工厂中。

对于世界其他地区，航空工业的前景尚不确定。大多数分析师预测单通道飞机（如737、A220、A320等）将首先恢复服务，并可能在2024年之前帮助该类型飞机的生产和交付恢复到2019年的水平。大型双通道飞机的恢复速度可能会更慢。Teal Group预测，直到2030年之后，787、777X、A350、A330等飞机的生产和交付才能恢复到2019年的水平。

生产率、高容量复合材料制造

在全球疫情爆发之前，航空复合材料供应链一直为一个甚至两个新的飞机项目进行准备和组织——人们普遍认为这是A320和737的单通道替代品，投入使用的日期约为2030年。这样的飞机将以每月60-100架的速度制造，肯定会消耗大量的复合材料。

复合材料在新型单通道飞机上的应用范围还有待商榷，但几乎可以肯定的是，它将包括机翼、机翼箱和尾翼结构，很可能还有机身；以每天至少两个机组的速度制造这样的大型航空结构，就必须用到高压釜外（OOA）材料和工艺，包括树脂传递模塑（RTM）、液态树脂注入、压缩成型和热塑性复合材料。事实上，从树脂和纤维生产商到一级结构制造商，整个复合材料供应链都已经在材料和工艺（M&P）上进行了大量投资，以满足这一预期需求。

然而，新型冠状病毒的流行不仅减缓了现有飞机的生产速度，而且使新飞机的研发推迟了几年，使供应链上建立的一些M&P计划陷入混乱。也就是说，尽管对高生产率、高容量复合材料制造的需求可能不那么迫切，但它同样重要，特别是考虑到鉴定新材料和新工艺所需周期很长。因此，2020年依然有多个研发计划在追求高速率、高质量的OOA航空复合材料制造解决方案。

1、欧洲清洁天空2（Clean Sky 2 ）计划

Clean Sky 2计划中最引人注目的项目之一是多功能机身演示器（MFFD），该项目的主要交付成果是一架8米长的热塑性复合材料、单通道商用飞机机身筒体演示机，该项目由空客公司牵头，由学术界和航空工业界的合作伙伴共同主导，将于2022年生产。

MFFD是Clean Sky 2的大型客机（LPA）创新飞机演示平台（IADP）内生产的三个全尺寸机身部分之一。从2014年开始，MFFD项目的目标包括：实现每月60-100架飞机的生产率；将机身重量减少1000公斤；将经常性成本降低20%。为了实现这些目标，目前正在完成数十个单项工程和工作包，并且生产出两个主要结构：上部机身壳和下部机身壳，将它们焊接在一起以形成最终的演示器。

多功能机身演示器

MFFD下机身部分正在通过STUNNING项目（智能多功能和集成热塑性机身）生产，生产8米长上壳的团队正在开发新型先进的纤维铺放（AFP）技术，特别是对碳纤维/PAEK蒙皮层的原位固结，以及用于纵梁、框架和其他组件集成的连续超声波焊接和电阻焊的工业化，提高安全性并降低成本。

2、空客公司明日之翼计划

空中客车公司领导的另一个备受瞩目的项目是明天之翼（Wing of Tomorrow，WOT），该项目旨在评估用于制造机翼结构（包括机翼蒙皮/纵梁、翼梁和翼肋）的OOA工艺的成本和可行性。

2020年之前，Spirit AeroSystems已经制造了7米的机翼蒙皮演示器，然后在2020年夏季交付了17米的全尺寸工具，以便该公司可以制造用于测试和评估的结构。这架17米长的演示机将代表下翼蒙皮的大致形状和尺寸，从理论上讲，这是一种新型单通道商用飞机——A320的替代品。机翼蒙皮将使用由Spirit AeroSystems开发的一套称为智能树脂输注系统（IRIS）的技术进行生产。

明天空客翼下部17米机翼蒙皮

机翼蒙皮的干态增强材料使用了帝人 Carbon Europe GmbH公司生产的24k丝束中等模量碳纤维。纤维形式包括单向（UD）织物以及双轴和三轴非RIMP织物（NCF）。桁架中可以找到相同的帝人NCF增强材料，同样的Teijin NCF钢筋也可以在纵梁中找到，它将通过自动化专家Broetje-Automation GmbH开发的定制连续纵梁成型机制造。

3、新一代扰流板

自A320飞行以来，复合材料扰流板（每个机翼上有五个）都是手工制作的。空客公司希望提高生产能力和产品质量，通过与Spirit合作，共同开发了Spirit现在在其Prestwick工厂生产的可替换扰流板。每个扰流板长约1.8米，宽约0.7米。它的前端厚度约为50毫米，后缘的锥度约为5毫米。

通过RTM制造的成品A320扰流板

Spirit RTM生产线包括使用日本帝人和美国赫氏碳纤维织物在六个Schmidt&Heinzmann切割台上的自动切割和装配，在Pinette Emidecau Industries预成型机上的预成型，将预制件手动加载到RTM模具中，然后Coexpair提供的7台RTM压力机之一上用RTM 6环氧树脂模制。

在全速生产的情况下，这条生产线将以迄今为止在航空复合材料制造中前所未有的速度生产扰流器。按照每月65台的速度，其中包括空客的新A321XLR，Spirit生产线每年将生产近6500个扰流板；按照每月100台的理论速度，这个数字将跃升到10000台。Spirit公司称，与传统产品相比，Spirit的A320扰流器重量适中，成本低30%。

4、氢动力飞机

2020年6月，法国耗资170亿美元的疫情流行救助计划与清洁天空2号发表的“氢动力航空”报告中的目标挂钩，因此，发展以燃烧氢为动力的商用飞机的前景突然变得紧迫起来。

今年9月，空中客车公司宣布启动其ZEROe计划，该计划包括三种概念飞机，每一种均由氢气驱动。但是，氢作为燃料来源的可行性取决于各种运输和储存技术的快速发展，这些技术虽然年轻但发展迅速。将这些技术商业化并不简单，但它们正在得到解决。

空中客车公司氢燃料概念飞机

7月，ZeroAvia完成了改装为使用压缩氢气气体的单引擎六座Pipe飞机的试飞，按照其路线图，将在2023年前认证一架20座、氢动力飞机，航程500英里。然后在2020年8月，环球氢能源公司宣布到2024年将为50个座位的飞机提供双燃料箱模块，并为支线航空公司/运营商提供加气物流和基础设施。在领域更多年度进展可参阅《盘点2020年国外氢能领域焦点事件》（阅读原文）。

5、城市空中交通

城市空中交通（urban air mobility， UAM）处于起步阶段，但对航空复合材料行业而言具有潜在的极其重要的意义，它正迅速成为复合材料制造自动化和工业化的驱动。UAM飞机是一种2-6人的小型旋翼机或飞机，采用电池供电，能够垂直起降，可以驾驶或自主驾驶，设计用于作为空中出租服务在城际或城际运送乘客或货物。

如今，有超过100家公司致力于开发用于空中出租车或货物运输服务的UAM飞机，但是只有少数公司获得了足够的资金来生产飞行原型或演示器，所有这些供应商都在其工艺中使用复合材料，鉴于仍处于原型制作阶段，因此制造工艺主要是传统的手工铺网。

UAM飞机将引领碳纤维复合材料发展

可以预见的是，空中出租车服务的领导者之一是Uber，该公司创建了空中乘车共享服务Uber Elevate。Uber Elevate已与多个UAM制造合作伙伴签约。该公司预计到2023年将在几个城市对其服务进行初步认证，在2026年进行扩展，然后在2028年进行大规模推广。到2035年，Uber Elevate预计将在50多个市场提供空中乘车共享服务，每年需求10,000架UAM飞机。

这样子发展带来的效果是怎样的？这基本上是复合材料行业多年来一直期望的工业化路线图：每年高达4,500吨的高模量/高强度碳纤维，通过自动化胶带和纤维铺设提高自动化程度，扩大使用压缩和拉挤工艺，战略性地使用纤维增强的增材制造、自动粘接和焊接，实时在线检测，几乎没有浪费，增加了对低能耗材料的使用，对回收材料的大量使用以及可持续能源、材料和工艺策略的应用。复合材料行业大约要五年才能完成所有这些工作。

6、超音速商业飞行

有两家公司正在开发全新的超音速客机。一个是Boom Supersonic，另一个是Aerion。10月7日，Boom Supersonic推出了XB-1，这是其Overture超音速喷气机的三分之一比例的演示器，复合材料密集型XB-1将展示Overture的关键技术，该公司目标是到2022年建造演示机，2025年推出以及2029年开始载客。

作为超音速飞行演示器XB-1的关键原材料，碳纤维复合材料是不可或缺的，该演示器的机身、机翼、垂直尾翼、水平尾翼、进气口、副翼和方向舵均采用了日本东丽公司下属Toray Advanced Composites公司的TC350-1增韧环氧预浸料制成，在外部还预涂了美国Hexcel公司的IM7碳纤维，只有发动机机舱和后机身是金属的，更多内容可参阅《碳纤维复合材料在超音速飞行演示器中的应用》（阅读原文）。

Aerion正在开发AS2公务机，可容纳8-10名乘客，超音速巡航速度为1.4马赫，它将能够在4个小时内从纽约飞往伦敦，而在短短7个小时内就能从伦敦飞往北京。Aerion在2019年末宣布，GKN航空航天公司将为AS2开发尾翼，赛峰集团将设计发动机机舱、制动系统和起落架。2020年7月，Aerion签署了一项备忘录协议，以扩大Spirit AeroSystems在AS2研发中的作用，包括前机身的生产。