每年12月初,Composites World杂志均会编撰系列文章介绍当年复合资料在不同运用范畴如航空航天、体育休闲、压力容器、可再生动力等的运用最新进展状况,并对新一年的开展进行展望。本文首要概述了2021年复合资料在航空航天范畴的商场并对2022年进行了展望。
2021年头全球开端了COVID-19疫苗的全球分发,这好像现已摆开冠状病毒大盛行完毕的前奏。可是,一些其他不确认如疫苗抗性、COVID变体、全球疫苗散布不平等使得COVID-19撤离成一系列从城市到城市、州到州、区域到区域和国家到国家不同的顶峰和低谷。一切这些加在一起标明,即便新冠病毒现在在整体上得到了更好的办理和操控,未来它对全球公共卫生仍将是一个无限期的应战。
但是,疫苗的供给现已让许多人康复了对航空游览的决心。客运航空游览在 2021 年春夏开端复苏,首要是休闲游览。跟着 2021 年夏中至夏末的 delta 变体的传达,商业交通受到了适度按捺。但是,跟着这种变体的衰退,越来越多的乘客回来,包含朝思暮想的商务旅客。事实上,在整个 2021 年,美国运送安全办理局 (TSA) 的旅客吞吐量数据显现旅客人数稳步添加。下表显现了与 2019 年大盛行前数据比较的 2021 年 TSA 吞吐量数字。2021 年头,旅客吞吐量一向不到 2019 年的一半。到夏日和初秋,这个距离明显缩小;到 2021 年 10 月,每日均匀数据为2019年数值的80%。
航空航天职业分析师长时刻以来一向猜测,由单通道 (SA) 和支线飞机服务的国内航线将首先从 COVID-19 惨淡中康复过来,然后在 12-24 个月后由双通道飞机服务的长途/世界航线逐渐康复。这一猜测好像正在一切区域完成。这对空中客车 A320 和波音 737 等 SA 飞机来说是个好消息。事实证明,空中客车 A350 和波音 787 等大型 TA 飞机(这两种飞机都是世界上复合资料最密布的商用飞机)一般为世界旅客供给服务,但事实证明它们康复服务的速度较慢。
航空航天分析师TealGroup Corp.在2021年8月的商业和国防航空航天评价中称,世界航空商场将继续走向单一通道飞机,这对供给商和喷气客机融资发生深远的影响。这种改动或许会对B787和A350方案发生何种影响尚待调查,但至少存在继续添加的TA飞机需求的不确认性。波音 747 和空客 A380 等大型 TA 已退出商场,787 和 A350 好像是不错的替代品,但 COVID-19 带来的巨大改动现已动摇了人们对飞机运用的决心,传统的假定很难依靠。
不管TAs的长时刻命运怎么,世界游览都有望回归,并且需求大容量、长途飞机。TEAL集团的陈述显现,在2021年底和2022年头,TA交给量略有上升(下图),到了2024年头交给量相等,然后到 2024 年和 2025 年略有添加。简言之,现在的TA库存加上安稳的新产值,估计足以满意需求。另一方面,SAs的交给量估计将在2023年超越2018年的峰值,并在2025年到达125架/月。
在新冠疫情大盛行期间,空客和波音在流感大盛行前呈现的动摇状况一向继续,并且在某些方面变得愈加不同。波音737 MAX在两次坠机后于流感大盛行前停飞,并于2020年11月从头投入运用,这使得波音公司得以开端交给很多累积飞机的绵长进程。波音737是最挣钱的飞机,因而它的回归为公司供给了急需的现金。
但是,与此一起,在2020年底,复合资料密布型波音787被发现在某些机身筒体部分的零件之间存在垫片尺度不妥。机身和垫片由碳纤维复合资料制成;垫片是添补一个机身部分与另一个机身部分邻接的空隙所必需的。该垫片问题已得到纠正,但在评价该问题时,波音公司发现了一些内部机身蒙皮(也是复合资料)外表平整度的一个不相关问题。到2021年10月下旬,波音公司仍在开发处理美国FAA监管组织扁平度问题的处理方案。
垫片问题和外表平整度问题都不被视为对飞机结构健康或功能的要挟,但在737飞机坠毁后,该公司和联邦航空局在慎重方面犯了过错。因而,一切从坐落美国南卡罗来纳州北查尔斯顿的总装线飞机依然无法交给。COVID 导致对 787 的需求下降,使得此次交给暂停的机遇不像其他方法那样具有影响力,但波音公司当然期望处理这个问题,并预备在需求康复后赶快交给 787。
就空客而言,假如不扩展的话,它坚持了与波音比较的巨大竞赛优势。空客的飞机组合为其供给了满意任何航空公司需求的产品挑选,从小型SA(150座A220)到长途TA(400座A350-1000)。介于两者之间的是空客最挣钱和最成功的飞机,单通道A320,现在包含A321XLR,这是一种可包容244名乘客的长途(4700海里)单通道飞机。在2019年巴黎航空展上推出的A321XLR估计将于2023年投入运用。
复合资料密布型空客 A400M 军用运送机在 2019 年巴黎航展上展现
波音公司没有一架能与空客A321XLR竞赛的飞机。在新冠疫情大盛行之前,波音公司在图纸上画了一架名为NMA(新中型飞机)的新飞机,这是一架双通道、200-270座、4000-5000海里的飞机,能够在波音公司的737 MAX 10和787-8系列之间飞翔。据估测,这样一架飞机将很多运用复合资料。但是,终究波音无法让商场信任 NMA 是必要的,并且该公司有很多资源致力于让 737 MAX 从头复飞。
波音面对的第三个应战是777X,它是十分成功的777的继任者。777X是一款可包容426名乘客、航程为7285海里的TA,2013年发布时含义严重,但由于TA商场的远景尚不明亮,波音将怎么布置777X还有待调查。777X本来应该在2021得到认证,但发动机问题和疫情影响将其推迟到 2023 年。从复合资料的视点来看,777X是值得重视的,由于它具有航空航天职业最大的碳纤维复合资料机翼,跨度71.8米。机翼由波音公司在其坐落华盛顿州埃弗雷特的复合资料机翼中心制作,并在直径8.5米、长37米的大型ASC工艺体系高压釜中固化。
B787和A350中运用的复合资料占每架飞机的50%以上(按分量计),是复合资料在首要结构中运用的里程碑。但是,对这些飞机的需求缺少按捺了对用于制作飞机的复合资料包含纤维、树脂、粘合剂等的需求。此外,由于航空航天复合资料的供给链相对较小,人们敏锐地感受到需求的这种改动。经过这种方法,这种疫情影响对服务于航空复合资料职业的资料供给商和制作商来说特别具有应战性。
尽管如此,即便在疫情盛行之前,波音和空客就经过其供给链发出了关于下一代飞机——特别是下一代SA飞机——的资料和工艺(M&P)需求的激烈信号。假定两家公司都有或许在2025-2030年的某个时刻宣告一架全新SA飞机。这两家飞机的新SA或许会以现在737或A320上未选用的方法运用复合资料。这将包含复合资料机翼、复合资料尾翼和复合资料机身。此外,两家公司都猜测新SA的制作率为每月60-100。一切这些都意味着,用于制作787和A350结构的M&P(高压釜固化预浸料)或许缺少以满意SA率要求。因而,整个航空供给链都在寻求能够满意这些需求的高度主动化、高效、非高压釜(OOA)技能。
这场大盛行或许推迟了新SA开发的时刻,但它并没有改动空客或波音公司对清洁SA的根本M&P要求。特别是空中客车公司,现已向其供给商标明需求加快进步复合资料技能的老练度,使其为高速飞机出产做好预备。航空航天工业充满着高质量的资料,这些资料现已运用了几十年。飞机制作商很简略继续运用这些资料,除非其间许多资料需求高压釜固化。从高压釜中取出并运用液体树脂灌注、树脂传递模塑(RTM)、紧缩模塑或热塑性复合资料需求对资料进行必定程度的判定,判定是一个耗时、贵重的进程。但是,假如机身的终究报答是高效、经济的高质量结构,则能够也将寻求资历认证。
这种尽力在航空复合资料职业的一些项目中最为明显。最有目共睹的项目是空客的明日之翼(WOT)项目,该项目由一级合作伙伴组成,旨在开发OOA复合资料M&P技能,用于制作SA尺度飞机的机翼。在WOT的合作伙伴包含Spirit AeroSystems(灌注下机翼蒙皮, 美国堪萨斯州威奇托)、GKN Aerospace(英国雷迪奇,spar、ribs)、Daher(spar、ribs,法国巴黎)、FACC(襟翼,Ried im Innkreis , 奥地利)和空客自身(上机翼蒙皮)。空客公司于2021年9月22宣告拼装了第一个WOT原型。一共将制作三个全尺度原型机翼。第一个将用于了解体系集成,第二个将进行结构测验以与计算机模型进行比较,第三个将拼装以测验扩展出产并与工业模型进行比较。
值得注意的是,WOT正在评价加强肋中的热塑性复合资料。这一点很重要,由于即便在787和A350中,肋骨也是铝的,向复合资料的改动将是一个重要的里程碑。两个一级航空航天制作商开发了用于肋骨制作的复合资料M&P。总部设在英国的GKN宇航公司运用Solvay复合资料公司的碳纤维/ PEKK UD带经过紧缩成型工艺加工14个肋。总部坐落法国的Daher运用相似的工艺开发了五个演示肋骨,选用了东丽先进复合资料的碳纤维/PAEK UD胶带。
Daher还运用真空袋(VBO)OOA热固性资料——美国HexcelM56 350°F固化OOA环氧树脂——为WOT制作了一个2米长的内翼梁结构,该资料包含Hexcel AS4碳纤维织物和IM7 碳纤维单向带。用于制作翼梁的制作进程是运用科里奥利复合资料(法国)体系的主动纤维铺放(AFP),该体系将资料运用于阳模。
为航空结构开发复合资料M&P的另一个值得注意的尽力是Clean Sky 2,这是一个欧盟项目,针对运用复合资料和非复合资料的各种飞机零件和体系的技能。Clean Sky 2中闻名的复合资料相关项目的方针是在机身结构中运用热塑性塑料、热塑性塑料焊接、机翼箱灌注、3D打印、热褶皱成型等。
即便航空航天职业专心于高速航空结构制作,一些飞机类型——公务机、通勤飞机——将以较低的产值制作,并或许从更有效地运用复合资料中获益。这是名为OPTICOMS的清洁天空项目的要点,该项目由以色列航空航天工业(IAI,Lod)牵头,包含科里奥利、Techni Modul Engineering(TME,法国)和Danobat(Elgoibar,西班牙)在内。OPTICOMS是一个由多个部分组成的项目,旨在进行一系列十分具体的权衡研讨,以评价和确认最佳机翼规划、资料组合和OOA制作工艺,然后完成小批量全复合资料机翼箱的主动化制作。
2020年6月,当法国耗资170亿美元的大盛行救助方案与清洁天空2号(Clean Sky 2)发布的“氢动力航空”陈述中的方针挂钩时,开展氢动力商用飞机的远景忽然变得急迫起来。法航还表明,到2024年,国内航班的二氧化碳排放量将削减一半。然后,在2020年7月,空客首席执行官Guillaume Faury在承受《航空周刊》(Aviation Week)采访时许诺在2035年前推出首款脱碳飞机EIS;他猜测项目将于2027-28年发动,必要技能将于2025年老练。
2020年9月,空中客车公司宣告发动其ZEROe方案,该方案由三种飞机概念组成,每种飞机均由氢气驱动:
涡轮电扇规划(120-200名乘客),航程超越2000海里,能够跨洲运转,由改善的燃气轮机发动机经过焚烧以氢气为动力,而不是喷气燃料。液氢将经过坐落后压力隔板后边的储罐进行贮存和分配。
涡轮螺旋桨规划(最多100名乘客),运用涡轮螺旋桨发动机替代涡扇发动机,并经过改善型燃气涡轮发动机中的氢焚烧供给动力,可行进1000海里以上,是短途游览的抱负挑选。
“混合翼身”规划(最多200名乘客)概念,其间机翼与飞机主体交融,规划与涡扇概念相似。超宽的机身为储氢和分配以及客舱布局供给了多种挑选。
2021年4月,空中客车公司宣告其ASCEND项目来展现结合液氢和超导技能的电动或混合电力推动体系。该公司表明,空中客车子公司UpNext(德国奥托布伦)将制作一个地上演示器,方针是与传统技能比较,动力总成分量和电气损耗至少削减50%,一起功率进步5-6%。超导技能的运用带来的应战是坚持氢的液态需求低温。ASCEND演示车将装备一个动力体系,包含低温冷却体系、超导电机、低温冷却电机操控单元和超导配电体系,包含电缆和维护组织。
跟着氢燃料推动技能的开展,一个最大问题是复合资料将在贮存和运送氢气中扮演什么人物,不管氢气是气态仍是液态。规划用于贮存氢气的复合资料压力容器归于IV类,包含一个用碳纤维包裹的热塑性内衬。IV型碳纤维容器具有高强度和轻分量,但依据所用纤维的类型,其价格往往比金属替代品更高。碳纤维在冷冻罐中的运用更为有限,估计研制作业将会集在这一运用上。
坐落储氢范畴最前沿的一家公司是Universal Hydrogen举世氢气公司(美国加利福尼亚州洛杉矶市),该公司正在开发用于商用飞机的干碳纤维包覆储氢模块。举世公司在7月份宣告,它已与冰岛航空集团、Air Nostrum 和 Ravn Alaska签署意向书(LOI),用氢燃料电池推动体系改装超越15架ATR 72和德哈维兰加拿大Dash 8区域涡轮螺旋桨发动机。10月,举世公司表明已取得资金,协助其于2022年在美国华盛顿州摩西湖(Moses Lake)进行氢燃料电池动力总成在一架40多人的支线客机上的初次试飞。
城市空中交通(UAM),有时被称为高档空中交通(AAM),正在不断开展和老练。UAM飞机是小型2-6人旋翼飞机或电池供电的飞机,能够笔直起飞和着陆,可由驾驭员驾驭或主动驾驭,规划用于城际或城内运送乘客或货品,作为点对点空中出租车服务。UAM被定位为一种经济、便利、简略的方法,能够绕过交通堵塞,交通堵塞已成为在大城市区域内和周围行进的标志。
现在有100多家公司致力于开发用于空中出租车或货运服务的UAM飞机,但只需少数公司取得满足的资金来出产飞翔原型或许。他们包含但不限于:Archer(Calif.,美国)、 Beta Technologies(南伯灵顿,VT,美国),EHang(广州,我国)、Jobe航空公司(圣克鲁斯,Calif.,美国),现代(首尔,韩国)、Lilium (慕尼黑,德国)、Pipistrel(Ajdov,斯洛文尼亚)、Vertical Aerospace(布里斯托尔,英国)、Volocopter(德国)和Wisk(美国加利福尼亚州山景城)。
第一艘UAM飞机估计最快将于2023年在几个城市投入运用,随后将逐渐扩展至2025-2026年。但是,到2025-2030年,UAM 的添加估计将大幅添加。就单位而言,该商场的规划没有彻底合理化,但一些分析师猜测,到2035年,每年将有10000家。
尽管从技能上讲,这些数量或许不像轿车,但UAM预期类型的数量代表了航空航天复合资料职业史无前例的阶跃改动,在航空航天复合资料职业,即便是每年 1,000 套首要航空结构也被视为高数量。因而,复合资料职业估计将呈现更高效、更共同、主动化、本钱效益更高的航空结构制作的范式转化需求。复合资料制作业的这种“工业化”被认为是该职业全面老练的必要条件,但由于缺少强壮的商场驱动力,使得其更具概念性而非现实性。但是,在UAM,复合资料职业现在有了一个许诺完成工业化的驱动力。
一切 UAM 飞机制作商都有必要在其规划中运用复合资料,但鉴于每个制作商仍处于原型规划或演示阶段,M&P 专心于运用合格技能,包含手糊和高压釜固化。只需每年的数量到达数百,这就满足了。但跟着商场的添加和年产值的添加,有必要开发其他技能。OOA M&P,包含热塑性塑料,简直必定会为这个范畴开发。
复合资料职业需求什么才干有效地为UAM服务?Misha Pollack曾担任Uber的车辆规划和结构负责人,现任科利尔研讨公司(Collier Research)的立异总监。她在CAMX 2020讲演中表明,到2035年,UAM每年将需求多达4500吨的高模量高强度碳纤维,经过主动胶带和纤维铺设进步主动化程度,紧缩和拉挤工艺的扩展运用、纤维增材制作的战略性运用、主动粘合和焊接、实时在线检测、少数或无糟蹋、低能耗资料的添加运用、收回资料的很多运用和可继续动力的运用,资料和工艺战略。Joby Aviation在其公告中也宣布了相似的声明。
复合资料供给链明显正在重视UAM商场。在整个 2021 年,一些纤维、树脂和预浸料供给商已明显转向 UAM,特别是在商业航空航天需求因 COVID-19 而下降的状况下。UAM 有望在未来几年乃至几十年成为复合资料 M&P 立异和开展的首要驱动力。