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航空航天復合材料市場總結與預測(2020-2021)

放大字體  縮小字體 發布日期:2021-01-21  來源:看航空  瀏覽次數:364
核心提示:新冠肺炎疫情對于航空行業來說,以前所未有的方式遏制了原本應穩定快速發展的民航業。這種影響從航空公司開始,逐步蔓延到了主要
     新冠肺炎疫情對于航空行業來說,以前所未有的方式遏制了原本應穩定快速發展的民航業。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供應鏈的各個環節。
 
空客與波音面臨的困境
    受到疫情影響,波音公司和空客公司均選擇下調了所有在產機型生產率。由于兩次墜機事件導致于2019年停產的737 MAX,波音公司實際上于2020年5月以非常低的生產速度重啟了該機生產計劃,其目的是盡快讓該機型重新通過適航審查以便實現復飛。波音表示,希望到2022年能夠將737 MAX的月產量增加至31架。其他機型中,波音777/777X每月產量減少到5架,波音767減少到6架,大量使用復合材料的波音787則減少到10架(預計到2021年可能繼續減少至6架)。
    空客公司將A320產量從2019年的平均每月53架減少到40架。A330和大量應用復合材料的A350產量分別減少到每月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,前景則更不明確。大多數市場分析師預測,服務于國內和相鄰區域航線的單通道飛機,如波音737、空客A220和A320等,將首先恢復運營,有可能在2024年前使該類型飛機生產和交付恢復到2019年的水平。而大型雙通道飛機的恢復速度則會更慢。咨詢公司蒂爾集團預測,如波音787、波音777X、空客A350、空客A330等雙通道飛機的生產和交付可能直到2030年之后才能恢復到2019年的水平。
    空客公司能夠提供的飛機產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,介于兩者之間的產品,是空客公司最賺錢、最成功的飛機產品,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,預計會在2023年開始正式投入運營??湛凸臼紫瘓绦泄貵uillaume Faury在公開聲明中表示,有意愿確保飛機恢復生產后,維持空客公司及其供應鏈的穩定和完整。為達到這一目的,空客公司不愿對飛機生產率進行顛覆性調整,尤其希望其在2021年開始實現復蘇。
    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導致兩次致命的墜機事故,波音對標空客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原本應該在2021年獲得適航認證,但發動機的問題和新冠疫情大流行將這一進度推遲到了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,并指出其原因是巴航工業未履行某些義務。
 
高速率、高質量成為制造商的首要目標
    在疫情發生之前,航空復合材料供應鏈一直在緊鑼密鼓的備料,進行技術儲備,為即將到來的1~2個新飛機項目做準備。業內普遍認為這兩個項目將主要是設計和生產空客A320和波音737單通道飛機的升級替代產品,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,這將會生產和使用大量的復合材料。
    新型單通道飛機復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、翼盒和尾部結構甚至機身,都將使用復合材料。但是,疫情不僅減緩了現有飛機的生產速度,也推遲了新飛機的研發進程,影響了供應鏈中已經部署的一些材料和工藝技術。鑒于此,2020年,全球范圍內有多個研發計劃正在開展,追求實現高速率、高質量、非熱壓罐(OOA)工藝的航空復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術界和航空工業界的合作伙伴共同領導,其交付成果是一款長8米的熱塑性復合材料單通道商用飛機機身整體結構,計劃于2022年生產。MFFD是“潔凈天空”2計劃大型客機(LPA)創新飛機演示平臺(IADP)中生產的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構、焊接縱梁和結構框架、機艙和貨艙地板結構以及相關的內飾結構和系統。
    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)制造機翼結構的成本和技術可行性。參與該項目的主要企業和機構包括斯普利特航空系統歐洲公司、英國GKN航宇公司、美國諾格公司和英國國家復合材料中心。2020年之前,斯普利特公司已經制造了一款長達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,可后續制造用于測試和評估的結構件。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公司共同牽頭的另一項先進材料與工藝項目,更具有直接實用價值,也著眼了未來航空部件的生產制造。按照原計劃每月生產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線每年將生產近6500個擾流板。
 
氫能越來越受到航空應用的關注
    燃燒氫能驅動的商用飛機,發展前景在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發布的“氫動力航空”研究報告的總目標掛鉤。法國航空公司也表示,到2024年,將致力于將法國境內航班的二氧化碳排放量減少為目前的一半。7月,空客公司首席執行官Guillaume Faury表示,首架“零碳”飛機EIS將在2035年問世。根據它的預計,該項目將于2027~2028年正式啟動,2025年前將使必要的技術快速成熟。
    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、傳送及存儲技術的迅速發展。將這類技術完全實現商業化并非易事,目前工程人員已經進行了各種嘗試。2020年7月,美國ZeroAvia公司完成了對一款單發、6座、名為pipe飛機的飛行測試,該機經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年前后在區域航空、倉儲物流運輸和基礎設施建設等領域實現商業化。
    如果以氫能源為動力的航空飛行真正實現,那么它最可能首先在支線飛機中實現。之后是單通道飛機,如空客A220和A320等。最晚實現氫動力飛行的飛機將會是以空客A350為代表的遠程寬體機型。
    復合材料在儲氫系統中使用的最大挑戰之一是貯存液態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。另一大挑戰是在飛機飛行過程中,隨著飛機高度的升高和降低,外部環境壓力發生變化,對儲氫容器的壓力也發生了潛在變化。因此,若要在2035年前使氫動力飛行成為現實,都必須消除以上述兩大挑戰為代表的重大技術障礙。
 
熱固性與熱塑性復合材料展開競爭
    復合材料通常被認為是金屬材料的競爭者,但在航空航天領域,復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合材料與熱塑性復合材料。熱固性復合材料已經證明了其在航空航天領域中具有廣泛可靠的成功應用經驗;而熱塑性復合材料,盡管在工業界十分常見,但在大型航空一級結構件中的應用歷程并不長。近年來的一些研究對兩種材料及其相關工藝進行了詳細的對比。
    在德國奧格斯堡,德國航空航天中心(DLR)結構與設計研究所下設的輕質產品技術中心(ZLP),對比了雙通道空客A350液態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構供應商德國PAG公司合作,并在評估生產周期與制造成本的同時,還驗證了其自動化生產制造能力。
    兩個項目的最終成果尚未出爐,但卻非常具有應用前景。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制造能力以承擔先期成本才能夠兌現。
    熱塑性復合材料的制造工藝使結構重量從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,不過該技術需要進一步成熟才會被更多地應用到大型航空結構部件生產中。
 
城市空中交通(UAM)成為全新戰場
    城市空運交通(UAM)目前正處于起步階段,成為復合材料制造業中自動化和工業化的重要驅動力。UAM飛行器一般指準乘2~6人的小型旋翼飛行器或固定翼飛機,由電池驅動,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。
    如今已經有超過100家公司正專注于開發用于空中出租車或空中貨運服務的UAM飛行器,但是只有少數公司獲得了充足的資金生產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合材料,不過隨著產品的迭代發展和技術的進步,自動化的生產方式終將應用其中。
    空中出租車服務業務的領導者之一是優步公司(Uber),該公司創建了空中乘車共享服務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公司、貝爾公司、巴西航空工業公司、現代公司、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。
    優步的設計和結構負責人Mischa Pollack在CAMX 2020的演講中表示,該公司預計2023年將在幾個主要城市對其服務進行初步驗證,然后計劃于2026年推廣擴張,最后在2028年開始進行大規模推廣。至2035年,Uber Elevate預計將在50多個國家的主要市場中提供空中乘車共享服務,每年UAM飛行器的需求量將達到10000架。這一數字雖然接近了商用航空制造的速度,但仍需要復合材料制造業的升級才能夠實現更大的發展。按照Mischa Pollack的期望,復合材料行業應盡快落實多年來一直倡導和期待的工業化路線。目前看來,復合材料行業完成上述全部工作,大約還需要5年左右的時間。
 
超聲速飛行取得進展
    2020年,有兩家正在開發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。大量使用復合材料的XB-1將展示和驗證“序幕”的多項關鍵技術,Boom公司的幾個階段目標分別是: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行飛行測試,在此之前,該機將完成目前正在進行的大量地面測試項目。同時,Boom表示將最終確定“序幕”的推進系統,并進行風洞測試以驗證飛機結構設計。“序幕”的最高速度預計為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,從華盛頓特區飛往倫敦僅需 3.5個小時。
    美國Aerion則正在開發AS2公務機。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4小時內從紐約飛抵倫敦,在短短7小時內實現從倫敦飛往北京。Aerion公司于2019年末宣布,GKN航宇公司將為AS2研發尾翼,賽峰將設計發動機機艙、制動系統和起落架。2020年7月,Aerion于斯普利特航空系統公司簽署了一項備忘錄協議,擴大斯普利特公司在AS2項目研發中的作用,包括前機身等部件的生產等。作為協議的一部分,斯普利特公司承諾對AS2進行更多的投資,并增加了用于AS2復合材料前機身設計的工程資源。
    總的來看,疫情對于高端復合材料市場存在一定的沖擊,但隨著技術的進步、成本的降低和新興市場應用需求的增加,航空航天復合材料市場有望在疫情緩解后迅速實現復蘇,繼續保持較快的發展速度。
 
 
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