空客A350前機身部分裝配

    新冠肺炎疫情對于航空行業(yè)來說，以前所未有的方式遏制了原本應(yīng)穩(wěn)定快速發(fā)展的民航業(yè)。這種影響從航空公司開始，逐步蔓延到了主要飛機制造商和整個航空工業(yè)供應(yīng)鏈的各個環(huán)節(jié)。

 

 

    受到疫情影響，波音公司和空客公司均選擇下調(diào)了所有在產(chǎn)機型生產(chǎn)率。由于兩次墜機事件導(dǎo)致于2019年停產(chǎn)的737 MAX，波音公司實際上于2020年5月以非常低的生產(chǎn)速度重啟了該機生產(chǎn)計劃，其目的是盡快讓該機型重新通過適航審查以便實現(xiàn)復(fù)飛。波音表示，希望到2022年能夠?qū)?37 MAX的月產(chǎn)量增加至31架。其他機型中，波音777/777X每月產(chǎn)量減少到5架，波音767減少到6架，大量使用復(fù)合材料的波音787則減少到10架（預(yù)計到2021年可能繼續(xù)減少至6架）。

 

    空客公司將A320產(chǎn)量從2019年的平均每月53架減少到40架。A330和大量應(yīng)用復(fù)合材料的A350產(chǎn)量分別減少到每月2架和6架。此外，波音公司于2020年10月初宣布，將在2021年關(guān)閉美國華盛頓州西雅圖市的所有波音787裝配廠，并將其合并到公司位于美國南卡羅來納州北查爾斯頓的工廠中。

 

    對于世界其他地區(qū)，前景則更不明確。大多數(shù)市場分析師預(yù)測，服務(wù)于國內(nèi)和相鄰區(qū)域航線的單通道飛機，如波音737、空客A220和A320等，將首先恢復(fù)運營，有可能在2024年前使該類型飛機生產(chǎn)和交付恢復(fù)到2019年的水平。而大型雙通道飛機的恢復(fù)速度則會更慢。咨詢公司蒂爾集團預(yù)測，如波音787、波音777X、空客A350、空客A330等雙通道飛機的生產(chǎn)和交付可能直到2030年之后才能恢復(fù)到2019年的水平。

 

    空客公司能夠提供的飛機產(chǎn)品組合覆蓋所有類型的飛機，全面滿足所有航空公司的需求——從較小的單通道150座級客機A220到長途雙通道400座級客機A350-1000。而事實上，介于兩者之間的產(chǎn)品，是空客公司最賺錢、最成功的飛機產(chǎn)品，即單通道客機A320以及目前最新的A321XLR，后者是一款長航程（8700千米）的單通道飛機，預(yù)計會在2023年開始正式投入運營?？湛凸臼紫瘓?zhí)行官Guillaume Faury在公開聲明中表示，有意愿確保飛機恢復(fù)生產(chǎn)后，維持空客公司及其供應(yīng)鏈的穩(wěn)定和完整。為達(dá)到這一目的，空客公司不愿對飛機生產(chǎn)率進(jìn)行顛覆性調(diào)整，尤其希望其在2021年開始實現(xiàn)復(fù)蘇。

 

     相反，波音公司則處于劣勢。首先，由于飛機的自動飛行控制系統(tǒng)導(dǎo)致兩次致命的墜機事故，波音對標(biāo)空客A320系列的737 MAX機型于2019年停飛。第二，波音公司旗下并沒有能夠與空客A321XLR競爭的機型。第三，波音777X原本應(yīng)該在2021年獲得適航認(rèn)證，但發(fā)動機的問題和新冠疫情大流行將這一進(jìn)度推遲到了2022年。第四，波音缺少類似于空客A220這種中小型單通道飛機。2020年4月波音宣布放棄收購巴航工業(yè)，并指出其原因是巴航工業(yè)未履行某些義務(wù)。

 

 

    在疫情發(fā)生之前，航空復(fù)合材料供應(yīng)鏈一直在緊鑼密鼓的備料，進(jìn)行技術(shù)儲備，為即將到來的1~2個新飛機項目做準(zhǔn)備。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為這兩個項目將主要是設(shè)計和生產(chǎn)空客A320和波音737單通道飛機的升級替代產(chǎn)品，計劃在2030年投入運營。這兩款機型按照原計劃將以每月60~100架的速度制造，這將會生產(chǎn)和使用大量的復(fù)合材料。

 

    新型單通道飛機復(fù)合材料的使用范圍目前還在討論中，但幾乎可以確定的是，機翼、翼盒和尾部結(jié)構(gòu)甚至機身，都將使用復(fù)合材料。但是，疫情不僅減緩了現(xiàn)有飛機的生產(chǎn)速度，也推遲了新飛機的研發(fā)進(jìn)程，影響了供應(yīng)鏈中已經(jīng)部署的一些材料和工藝技術(shù)。鑒于此，2020年，全球范圍內(nèi)有多個研發(fā)計劃正在開展，追求實現(xiàn)高速率、高質(zhì)量、非熱壓罐（OOA）工藝的航空復(fù)合材料制造解決方案。

 

    “潔凈天空”2多功能機身演示驗證項目大部分都在歐洲進(jìn)行，其中最引人注目的子項目之一就是多功能機身演示驗證（MFFD）。該項目由空客公司與學(xué)術(shù)界和航空工業(yè)界的合作伙伴共同領(lǐng)導(dǎo)，其交付成果是一款長8米的熱塑性復(fù)合材料單通道商用飛機機身整體結(jié)構(gòu)，計劃于2022年生產(chǎn)。MFFD是“潔凈天空”2計劃大型客機（LPA）創(chuàng)新飛機演示平臺（IADP）中生產(chǎn)的3個全尺寸機身部件之一。MFFD項目中下部機身是通過STUNNING子項目設(shè)計制造的，該項目全稱為“智能多功能一體化熱塑性機身”。該機身包括整個下部機身殼體結(jié)構(gòu)、焊接縱梁和結(jié)構(gòu)框架、機艙和貨艙地板結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的內(nèi)飾結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)。

 

    由空客公司牽頭的另一個備受矚目的項目則是“明日之翼”（WOT）。該項目旨在評估利用非熱壓罐工藝（OOA）制造機翼結(jié)構(gòu)的成本和技術(shù)可行性。參與該項目的主要企業(yè)和機構(gòu)包括斯普利特航空系統(tǒng)歐洲公司、英國GKN航宇公司、美國諾格公司和英國國家復(fù)合材料中心。2020年之前，斯普利特公司已經(jīng)制造了一款長達(dá)7米的機翼蒙皮演示驗證縮比件，隨后在2020年夏季交付17米長的全尺寸制造工具，可后續(xù)制造用于測試和評估的結(jié)構(gòu)件。17米的演示驗證件代表了“明日之翼”計劃中實際下機翼蒙皮的近似形狀和尺寸。理論上來看，“明日之翼”計劃中完成的機翼將用于全新的單通道商用飛機，主要市場定位是替代現(xiàn)有的空客A320的鋁合金機翼。

 

     下一代擾流板項目是由空客公司和斯普利特航空系統(tǒng)公司共同牽頭的另一項先進(jìn)材料與工藝項目，更具有直接實用價值，也著眼了未來航空部件的生產(chǎn)制造。按照原計劃每月生產(chǎn)65架空客A320系列的速度（包括空客公司的新型A321 XLR），斯普利特公司的生產(chǎn)線每年將生產(chǎn)近6500個擾流板。

 

 

    燃燒氫能驅(qū)動的商用飛機，發(fā)展前景在2020年突然變得十分“迫切”。2020年6月，法國政府出臺的總價值170億美元的疫情救助計劃，與歐洲潔凈天空2發(fā)布的“氫動力航空”研究報告的總目標(biāo)掛鉤。法國航空公司也表示，到2024年，將致力于將法國境內(nèi)航班的二氧化碳排放量減少為目前的一半。7月，空客公司首席執(zhí)行官Guillaume Faury表示，首架“零碳”飛機EIS將在2035年問世。根據(jù)它的預(yù)計，該項目將于2027~2028年正式啟動，2025年前將使必要的技術(shù)快速成熟。

 

    不過，氫作為主要燃料的可行性，極大程度上取決于新興的各類運輸、傳送及存儲技術(shù)的迅速發(fā)展。將這類技術(shù)完全實現(xiàn)商業(yè)化并非易事，目前工程人員已經(jīng)進(jìn)行了各種嘗試。2020年7月，美國ZeroAvia公司完成了對一款單發(fā)、6座、名為pipe飛機的飛行測試，該機經(jīng)過改裝后使用壓縮氫氣作為能源。此后，該公司計劃在美國境內(nèi)相同的飛行測試路線上，使用類似改裝的19座雙渦輪螺旋槳飛機道尼爾Do228進(jìn)行相同的測試，計劃在2023年使這類20座級別的氫燃料飛機完成約804千米（500英里）航程的飛行。

 

    2020年8月，美國環(huán)球氫能公司宣布可為50座級飛機提供雙儲能燃料容器模塊，有望在2024年前后在區(qū)域航空、倉儲物流運輸和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化。

 

    如果以氫能源為動力的航空飛行真正實現(xiàn)，那么它最可能首先在支線飛機中實現(xiàn)。之后是單通道飛機，如空客A220和A320等。最晚實現(xiàn)氫動力飛行的飛機將會是以空客A350為代表的遠(yuǎn)程寬體機型。

 

    復(fù)合材料在儲氫系統(tǒng)中使用的最大挑戰(zhàn)之一是貯存液態(tài)氫燃料時需要面對的極低溫要求，空客公司稱這是其在ZEROe計劃要解決的首要問題。另一大挑戰(zhàn)是在飛機飛行過程中，隨著飛機高度的升高和降低，外部環(huán)境壓力發(fā)生變化，對儲氫容器的壓力也發(fā)生了潛在變化。因此，若要在2035年前使氫動力飛行成為現(xiàn)實，都必須消除以上述兩大挑戰(zhàn)為代表的重大技術(shù)障礙。

 

 

    復(fù)合材料通常被認(rèn)為是金屬材料的競爭者，但在航空航天領(lǐng)域，復(fù)合材料也會與自身展開競爭。其中最典型的一個例子就是熱固性復(fù)合材料與熱塑性復(fù)合材料。熱固性復(fù)合材料已經(jīng)證明了其在航空航天領(lǐng)域中具有廣泛可靠的成功應(yīng)用經(jīng)驗；而熱塑性復(fù)合材料，盡管在工業(yè)界十分常見，但在大型航空一級結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用歷程并不長。近年來的一些研究對兩種材料及其相關(guān)工藝進(jìn)行了詳細(xì)的對比。

 

    在德國奧格斯堡，德國航空航天中心（DLR）結(jié)構(gòu)與設(shè)計研究所下設(shè)的輕質(zhì)產(chǎn)品技術(shù)中心（ZLP），對比了雙通道空客A350液態(tài)模制的熱固性后壓力隔板（RPB）與單通道空客A320的熱塑性后壓力隔板。兩個項目均與一級結(jié)構(gòu)供應(yīng)商德國PAG公司合作，并在評估生產(chǎn)周期與制造成本的同時，還驗證了其自動化生產(chǎn)制造能力。

 

    兩個項目的最終成果尚未出爐，但卻非常具有應(yīng)用前景。熱固性樹脂灌注工藝在降低成本方面顯示出了巨大潛力，不過這種潛力需要一定程度上部署自動化生產(chǎn)制造能力以承擔(dān)先期成本才能夠兌現(xiàn)。

 

    熱塑性復(fù)合材料的制造工藝使結(jié)構(gòu)重量從41千克減少到35千克，工藝和裝配時間減少了75%，部件總成本減少了10%以上，不過該技術(shù)需要進(jìn)一步成熟才會被更多地應(yīng)用到大型航空結(jié)構(gòu)部件生產(chǎn)中。

 

 

    城市空運交通（UAM）目前正處于起步階段，成為復(fù)合材料制造業(yè)中自動化和工業(yè)化的重要驅(qū)動力。UAM飛行器一般指準(zhǔn)乘2~6人的小型旋翼飛行器或固定翼飛機，由電池驅(qū)動，能夠垂直起降，可人力駕駛，也可自動駕駛。UAM飛行器一般被設(shè)計作為城際間的空中貨運交通工具，此外也可成為一種全新的客運交通工具，提供空中出租車服務(wù)。

 

    如今已經(jīng)有超過100家公司正專注于開發(fā)用于空中出租車或空中貨運服務(wù)的UAM飛行器，但是只有少數(shù)公司獲得了充足的資金生產(chǎn)原型機或演示驗證機。幾個典型的公司分別是：美國Beta科技、中國億航、美國Joby航空、德國Lilium、斯洛文尼亞Pipistrel、德國Volocopter和美國威斯克。上述廠商都在其工藝中廣泛使用了復(fù)合材料，不過隨著產(chǎn)品的迭代發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，自動化的生產(chǎn)方式終將應(yīng)用其中。

 

    空中出租車服務(wù)業(yè)務(wù)的領(lǐng)導(dǎo)者之一是優(yōu)步公司（Uber），該公司創(chuàng)建了空中乘車共享服務(wù)Uber Elevate。Uber Elevate目前已與多個UAM制造合作伙伴簽約，后者將為該公司制造適用的飛行器。這些制造合作伙伴包括極光飛行科學(xué)公司、貝爾公司、巴西航空工業(yè)公司、現(xiàn)代公司、Jaunt航空公司、Joby航空公司、Overair公司和Pipistrel垂直起降解決方案公司。

 

    優(yōu)步的設(shè)計和結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)人Mischa Pollack在CAMX 2020的演講中表示，該公司預(yù)計2023年將在幾個主要城市對其服務(wù)進(jìn)行初步驗證，然后計劃于2026年推廣擴張，最后在2028年開始進(jìn)行大規(guī)模推廣。至2035年，Uber Elevate預(yù)計將在50多個國家的主要市場中提供空中乘車共享服務(wù)，每年UAM飛行器的需求量將達(dá)到10000架。這一數(shù)字雖然接近了商用航空制造的速度，但仍需要復(fù)合材料制造業(yè)的升級才能夠?qū)崿F(xiàn)更大的發(fā)展。按照Mischa Pollack的期望，復(fù)合材料行業(yè)應(yīng)盡快落實多年來一直倡導(dǎo)和期待的工業(yè)化路線。目前看來，復(fù)合材料行業(yè)完成上述全部工作，大約還需要5年左右的時間。

 

 

    2020年，有兩家正在開發(fā)全新超聲速客機的公司備受矚目。其一是美國Boom Supersonic公司，另一家是美國Aerion公司。2020年10月7日，Boom推出了XB-1超聲速飛機，這是其主打產(chǎn)品“序幕”超聲速噴氣機的三分之一縮比演示驗證機。大量使用復(fù)合材料的XB-1將展示和驗證“序幕”的多項關(guān)鍵技術(shù)，Boom公司的幾個階段目標(biāo)分別是：在2022年前建造完成演示驗證機，在2025年正式推出“序幕”量產(chǎn)機，并計劃在2029年前開始投入運營。XB-1將計劃于2021年在美國加州莫哈韋進(jìn)行飛行測試，在此之前，該機將完成目前正在進(jìn)行的大量地面測試項目。同時，Boom表示將最終確定“序幕”的推進(jìn)系統(tǒng)，并進(jìn)行風(fēng)洞測試以驗證飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計。“序幕”的最高速度預(yù)計為2.2馬赫，巡航高度為19354米，載客量為55~75人。該機從悉尼飛往洛杉磯僅需 7個小時，從華盛頓特區(qū)飛往倫敦僅需 3.5個小時。

 

    美國Aerion則正在開發(fā)AS2公務(wù)機。該機可容納8~10名乘客，其超聲速巡航速度為1.4馬赫。該機有望實現(xiàn)4小時內(nèi)從紐約飛抵倫敦，在短短7小時內(nèi)實現(xiàn)從倫敦飛往北京。Aerion公司于2019年末宣布，GKN航宇公司將為AS2研發(fā)尾翼，賽峰將設(shè)計發(fā)動機機艙、制動系統(tǒng)和起落架。2020年7月，Aerion于斯普利特航空系統(tǒng)公司簽署了一項備忘錄協(xié)議，擴大斯普利特公司在AS2項目研發(fā)中的作用，包括前機身等部件的生產(chǎn)等。作為協(xié)議的一部分，斯普利特公司承諾對AS2進(jìn)行更多的投資，并增加了用于AS2復(fù)合材料前機身設(shè)計的工程資源。

 

    總的來看，疫情對于高端復(fù)合材料市場存在一定的沖擊，但隨著技術(shù)的進(jìn)步、成本的降低和新興市場應(yīng)用需求的增加，航空航天復(fù)合材料市場有望在疫情緩解后迅速實現(xiàn)復(fù)蘇，繼續(xù)保持較快的發(fā)展速度。