【市场观察】2020年航空航天领域用复合材料市场回顾
摘 要
不觉间已经临近2020年末，本公众号市场观察板块将推出2020年度各领域用复合材料现状及概述专题评述，前两期文章中分别介绍了建筑工业、压力容器用复合材料市场概况。
本期将详细盘点疫情爆发对航空工业产生不利影响宏观背景下，2020年国外开展的航空航天领域用复合材料项目研究和进展情况。
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。
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。
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