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航空航天复合材料市场总结与预测

新冠病毒大流行对于全球各个行业来说,都是千百年来遇到的一次的重大灾难,对于航空行业来说更是如此,疫情以前所未有的方式遏制了原本应稳定快速发展的民航业。这种影响从航空公司开始,逐步蔓延到了主要飞机制造商和整个航空工业供应链的各个环节。

2019年底,COVID-19开始肆虐全球。一年多以来,新冠病毒的易传播性、致病后引起的较高住院率和死亡率,使世界各国政府不得不采取关闭企业,禁止大型聚会,要求佩戴口罩,保持社交距离等措施遏制病毒的快速传播。在疫情更为严重的地方的一些国家政府还采取了封国举措。许多人因此完全停止了搭乘航班进行旅行、商务出差等活动。航空商旅行业、运输业受到了严重的打击。

在疫情爆发初期,全球航空商旅运输下降了9 0% ,成千上万架飞机停飞。随着各国管制的措施、法规相继出台,一些国家逐步解禁,航空商旅运输市场实现了小幅度的复苏。航空航天行业咨询公司蒂尔集团(Teal Group)表示,截至2020年10月下旬,全球航空商旅运输与2019年相比同比下降了约63%。全球多数航空公司均受到影响,遭遇航班停运、员工收入不足或被裁员、新飞机采购延迟或取消等情况。一些体量较小的航空公司在此次疫情风暴中倒闭。

一、空客与波音面临的困境

受到疫情影响,波音公司和空客公司均选择下调了所有在产机型生产率。由于两次坠机事件导致于2019年停产的B737 MAX,波音公司实际上于2020年5月以非常低的生产速度重启了该机生产计划,其目的是尽快让该机型重新通过适航审查以便实现复飞。波音表示,希望到2022年能够将B737 MAX的月产量增加至31架。其他机型中,B777/777X每月产量减少到5架,B767减少到6架,大量使用复合材料的B787则减少到10架(预计到2021年可能继续减少至6架)。

空客公司将A320产量从2019年的平均每月53架减少到40架。A330和大量应用复合材料的A350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,将在2021年关闭美国华盛顿州西雅图市的所有787装配厂,并将其合并到公司位于美国南卡罗来纳州北查尔斯顿的工厂中。波音和空客公司的一些员工业已经休假或遭到解雇。

大多数市场分析师预测,服务于国内和相邻区域航线的单通道飞机,如B737、A220和A320等,将首先恢复运营,有可能在2024年前使该类型飞机生产和交付恢复到2019年的水平。而大型双通道飞机的恢复速度则会更慢。咨询公司蒂尔集团(Teal Group)预测,如B787、B777X,A350,A330等双通道飞机的生产和交付可能直到2030年之后才能恢复到2019年的水平。
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如果上述情况能够顺利实现,那么空客和波音公司的竞争力将发生明显不同。空客公司能够提供的飞机产品组合覆盖所有类型的飞机,全面满足所有航空公司的需求——从较小的单通道150座级客机A220到长途双通道400座级客机A350-1000。而事实上,介于两者之间的产品,是空客公司最赚钱、最成功的飞机产品,即单通道客机A320以及目前最新的A321XLR。相反,波音公司则在三个方面充满挑战。首先,由于飞机的自动飞行控制系统导致两次致命的坠机事故,波音对标空客A320系列的B737 MAX机型于2019年停飞。波音公司在2019年全年和2020年的大部分时间里都在修正自动飞行控制系统,不断对其进行测试,培训飞行员熟悉系统,力争获得美国联邦航空管理局(FAA)和欧盟航空安全局(EASA)的重新认证。与此同时,新冠病毒大流行导致许多原本采购B737 MAX的客户推迟甚至取消了订单。波音公司的第二个挑战在于旗下并没有能够与空客A321XLR竞争的机型。波音的第三个挑战是B777X,该机型是非常成功的B777继任者。在复合材料应用方面,B777X引人注目,因为它具有航空航天工业史上最大的碳纤维复合材料机翼,翼展达到71.8米。机翼由波音公司在其位于华盛顿州埃弗里特的复合材料机翼中心制造,并在位于美国加州巴伦西亚大型ASC工艺系统中的热压罐中进行固化,这款热压罐直径为8.5米,长为37米。不过,波音的首要任务显然是希望并且必须使B737 MAX重新投入使用,以便可以尽快产生回报,为此,所有其他项目似乎都是次要的。

二、高速率、高质量成制造商首要目标

在新冠疫情发生之前,航空复合材料供应链一直在紧锣密鼓的备料,进行技术储备,为即将到来的1 ~2 个新飞机项目做准备。业内普遍认为这两个项目将主要是设计和生产A320和B737单通道飞机的升级替代产品,计划在2030年投入运营。这两款机型按照原计划将以每月60-100架的速度制造,这将会生产和使用大量的复合材料。

新型单通道飞机复合材料的使用范围目前还在讨论中,但几乎可以确定的是,机翼、翼盒和尾部结构甚至机身,都将使用复合材料。以每天至少完成2件的速度制造如此巨大的航空结构件,将需要利用非热压罐(OOA)材料和工艺,包括树脂传递模塑(RTM)、液态树脂灌注、压缩模塑成形和热塑性复合材料等。为此,从树脂和纤维生产商到一级结构制造商的全复合材料供应链,都已经在材料和工艺方面进行了大量投资,以满足上述预期需求。

但是,新冠疫情不仅减缓了现有飞机的生产速度,也推迟了新飞机的研发进程,影响了供应链中已经部署的一些材料和工艺技术。这种影响表明,尽管对高速率,大批量复合材料制造的需求可能没有预计迫切,但推进和应用相关技术同样重要,特别是考虑到使用新材料和新工艺后进行考核验证,将会导致零部件交付时间增加。鉴于此,2020年,全球范围内有多个研发计划正在开展,追求实现高速率、高质量、非热压罐(OOA)工艺的航空复合材料制造解决方案。

1、“洁净天空”2多功能机身演示验证项目

上述的研发项目大部分都在欧洲进行,利用欧盟公共资金的投入,人们对于正在研发的新技术有了更多的了解。欧洲最受关注的计划是“洁净天空”2(Clean Sky 2),其中最引人注目的子项目之一就是多功能机身演示验证(MFFD)。该项目由空客公司与学术界和航空工业界的合作伙伴共同领导,其交付成果是一款长8米的热塑性复合材料单通道商用飞机机身整体结构,计划于2022年生产。

2、“明日之翼”计划

由空客公司牵头的另一个备受瞩目的项目则是“明日之翼”(WOT)。该项目旨在评估利用非热压罐工艺(OOA)制造机翼结构(包括机翼蒙皮/纵梁,翼梁和翼肋等)的成本和技术可行性。参与该项目的主要企业和机构包括斯普利特航空系统欧洲公司,英国GKN航宇公司,美国诺·格公司和英国国家复合材料中心。其中,斯普利特公司正在研发液态树脂灌注工艺,以制造“明日之翼”项目中机翼下部蒙皮结构,并在2020年阐述了项目目前取得的进展。

机翼蒙皮中的干增强纤维材料由位于德国的帝人碳纤维欧洲公司提供。帝人主要提供中等模量、24k丝束的碳纤维。纤维规格包括单向(UD)织物以及双轴和三轴非卷曲织物(NCF)。此外还包括玻璃纤维贴片,用于防止钻孔开裂及电偶腐蚀。纵梁中也同样使用了帝人提供的NCF增强材料,纵梁将通过自动化制造专家、Broetje-Automation公司(索尔维复合材料德国公司)开发的定制连续纵梁成型机制造。这款纵梁成型机能够生产具有不同厚度、曲率和叶片角度的纵梁。制造机翼蒙皮的树脂采用来自美国Alpharetta树脂公司的单组分环氧树脂体系。树脂将通过“多个”注射点输送到干增强材料中,这些注射点经过精确选择,最大程度地提高注射速度和浸润性。注射设备由英国复合材料融合公司(Composite Integration Ltd.)提供。

3、下一代扰流板项目

由空客公司和斯普利特航空系统公司共同牵头的另一项先进材料与工艺项目,更具有直接实用价值,也着眼了未来航空部件的生产制造。两家企业合作致力于开发用于制造A320扰流板高度自动化的RTM生产线。在A320中,复合材料扰流板是手工制造而成的,每个机翼上各有5片。空客公司希望提高生产能力和产品质量,随即与斯普利特公司合作,共同开发了目前斯普利特公司在其Prestwick工厂生产新型扰流板。

每个扰流板长约1.8米,宽约0.7米。其前端厚度约为50毫米,后缘的锥度面长度约为5毫米。每个扰流板在其前缘的中间还具有一个200x100毫米的金属支架,A 320 杆端的机械作动器连接到该金属支架上。此外,在每个扰流板前缘的拐角处,还有较小的金属固定点。

斯普利特公司的RTM生产线包括在6台德国Schmidt&Heinzmann切割平台上对来自日本帝人公司和美国赫氏公司提供的碳纤维织物进行自动切割和拼装,并在法国Pinette Emidecau工业公司提供的预成型机上进行预成型,将预成型件手动载入RTM模具中,然后在比利时Coexpair公司提供的7台RTM模压机中的一台上,对赫氏提供的RTM 6环氧树脂进行模制。每台模压机旁边的树脂泵系统,也由Coexpair提供。

当生产线开启全速生产时,这条生产线能够以前所未有的速度、质量和优质的产品一致性生产扰流板。这一效率在航空复合材料制造过程中也是前所未有。按照原计划每月生产65架空客 A320 系列的速度(包括空客公司的新型A321 XLR),斯普利特公司的生产线每年将生产近6500个扰流板。假如按照每月100架飞机制造完成的理论速度计算,扰流板的制造效率将飙升至10000件 / 月。空客公司表示,与传统工艺的扰流板相比,斯普利特设计制造的全新A320扰流板在保持重量不变的情况下,将成本降低了30%。

三、氢能越来越受到航空应用的关注

燃烧氢能驱动的商用飞机,发展前景在2020年突然变得十分“迫切”。2020年6月,法国政府出台的总价值170亿美元的新冠疫情救助计划,与欧洲洁净天空2发布的“氢动力航空”研究报告的总目标挂钩。法国航空公司也表示,到2024年,将致力于将法国境内航班的CO2排放量减少为目前的一半。7月,空客公司首席执行官Guillaume Faury在接受《航空周刊》的采访时确认,首架“零碳”飞机EIS将在2035年问世。根据它的预计,该项目将于2027-2028年正式启动,2025年前将使必要的技术快速成熟。

2020年9月,空客公司宣布启动其ZEROe计划,该计划包括三种飞机概念,均由氢驱动。不过,氢作为主要燃料的可行性,极大程度上取决于新兴的各类运输、传送及存储技术的迅速发展。将这类技术完全实现商业化并非易事,目前工程人员已经进行了各种尝试。如果以氢能源为动力的航空飞行真正实现,那么它最可能首先在支线飞机中实现。之后是单通道飞机,如A220和A320等。最晚实现氢动力飞行的飞机将会是以A350为代表的远程宽体机型。

复合材料在储氢系统中使用的最大挑战之一是贮存液态氢燃料时需要面对的极低温要求,空客公司称这是其在ZEROe计划要解决的首要问题。另一大挑战是在飞机飞行过程中,随着飞机高度的升高和降低,外部环境压力发生变化,对储氢容器的压力也发生了潜在变化。因此,若要在2035年前使氢动力飞行成为现实,都必须消除以上述两大挑战为代表的重大技术障碍。

四、热固性与热塑性复合材料展开竞争

复合材料通常被认为是金属材料的竞争者,但在航空航天领域,复合材料也会与自身展开竞争。其中最典型的一个例子就是热固性复合材料与热塑性复合材料。热固性复合材料已经证明了其在航空航天领域中具有广泛可靠的成功应用经验;而热塑性复合材料,尽管在工业界十分常见,但在大型航空一级结构件中的应用历程并不长。近年来的一些研究对两种材料及其相关工艺进行了详细的对比。

在德国奥格斯堡,德国航空航天中心(DLR)结构与设计研究所下设的轻质产品技术中心(ZLP),对比了双通道空客A350液态模制的热固性后压力隔板(RPB)与单通道A320的热塑性后压力隔板。两个项目均与一级结构供应商德国PAG公司(Premium Aerotec Group)合作,并在评估生产周期与制造成本的同时,还验证了其自动化生产制造能力。

两个项目的最终成果尚未出炉,但却非常具有应用前景。热固性树脂灌注工艺在降低成本方面显示出了巨大潜力,不过这种潜力需要一定程度上部署自动化生产制造能力以承担先期成本,才能够兑现。热塑性复合材料的制造工艺使结构重量从41千克减少到35千克,工艺和装配时间减少了75%,部件总成本减少了10%以上,不过该技术需要进一步成熟才会被更多的应用到大型航空结构部件生产中。

五、城市空中交通(UAM)成为全新战场

城市空运交通(UAM)目前正处于起步阶段,不过这一领域对于航空复合材料行业而言可能极其重要。按照目前的发展趋势,城市空运交通正在迅速崛起,成为复合材料制造业中自动化和工业化的重要驱动力。UAM飞行器一般指准乘2-6人的小型的旋翼飞行器或固定翼飞机,由电池驱动,能够垂直起降,可人力驾驶,也可自动驾驶。UAM飞行器一般被设计作为城际间的空中货运交通工具,此外也可成为一种全新的客运交通工具,提供空中出租车服务。

如今已经有超过100家公司正专注于开发用于空中出租车或空中货运服务的UAM飞行器,但是只有少数公司获得了充足的资金生产原型机或演示验证机。几个典型的公司分别是:美国Beta科技(BetaTechnologies),中国亿航(EHang),美国Joby航空(Joby Aviation),德国Lilium,斯洛文尼亚Pipistrel,德国Volocopter和美国威斯克(Wisk)。上述厂商都在其工艺中广泛使用了复合材料,但是鉴于每家厂商都还仍处于原型机制造阶段,因此制造工艺主要还是传统的手工铺放成型。不过随着产品的迭代发展和技术的进步,自动化的生产方式终将应用其中。

六、超声速飞行取得进展

2020年,有两家公司正在开发全新的超声速客机的公司备受瞩目。其一是美国Boom Supersonic公司,另一家是美国Aerion公司。2020年10月7日,Boom推出了XB-1超声速飞机,这是其主打产品“序幕”(Overture)超音速喷气机的三分之一缩比演示验证机。大量使用复合材料的XB-1将展示和验证“序幕”的多项关键技术。Aerion则正在开发AS2公务机。该机可容纳8-10名乘客,其超声速巡航速度为1.4马赫。该机有望实现4小时内从纽约飞抵伦敦,在短短7个小时内实现从伦敦飞往北京。2020年7月,Aerion与斯普利特航空系统公司签署了一项备忘录协议,扩大斯普利特公司在AS2项目研发中的作用,包括前机身等部件的生产等。作为协议的一部分,斯普利特公司承诺对AS2进行更多的投资,并增加了用于AS2复合材料前机身设计的工程资源。




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