尽管全世界仍在等待空客和波音公司宣布新的单通道项目，但很明显，复合材料将在其制造中发挥作用。但以什么方式，以什么能力？ 空客A320 总装线
在 2007 年接受《设计新闻》采访时，时任波音 787项目技术集成总监的艾伦·米勒（Alan Miller）博士评论了航空航天行业在采用复合材料方面面临的挑战。“（在波音 787 梦想客机问世之前）我们还没有大规模的应用。复合材料行业以前从未遇到过这种情况。这是我们必须攀登的一座山。”
787 是商用飞机复合材料使用的一个阶段性变化。飞机结构的设计约为 50%的复合材料，超过了当时任何其他大型商用飞机。因此，787 的生产需要在碳纤维和零部件制造能力方面进行大量投资。它还为 777X、A350和 A220 等新项目的更多采用铺平了道路。尽管复合材料被广泛采用，但该行业生产最多的两种飞机，空客 A320 和波音 737 系列，含有的复合材料相对较少。737 MAX 是波音 737 的最新版本，于 1968 年首次投入使用，其飞机结构中仅包含约 10%的复合材料。A320 大约含有 15%。这些飞机合计占全球可用座位里程的近60%。在其设计中加入更多的复合材料对航空航天和复合材料行业来说仍然是一个巨大的机会，但与当今的双通道计划（如 787 或 A350）或较小的 A220 单通道计划（含 46%的复合材料）相比，这也是一个相当大的挑战。我们相信波音和空客的下一个新飞机项目将是单通道飞机。几乎可以肯定的是，这些项目将比当前一代具有更多的复合材料。虽然双通道飞机通常以每月 5-15架的速度生产，但新的单通道设计需要能够达到每月 100 架飞机的工艺。这种转变有可能成为航空航天和复合材料行业的又一次重大变革——所有这些都对飞机的设计、引入时间和所需技术产生了影响。复合材料行业似乎还有另一座山要爬。
许多关于复合材料与金属材料的讨论都集中在重量节省上；轻质特性被视为飞机节省燃料的主要驱动因素。然而，复合材料的真正好处更为微妙。复合材料通常可以实现更大的设计自由度和空气动力学优势，这超过了单独的重量节省。图 1 展示了一架蓝色 767-300，这是一种在 20 世纪80 年代投入使用的金属设计。上面覆盖着灰色的是一辆 787-8，它的长度和座位容量大致相似。值得注意的是，787 的机翼比旧的 767 设计延伸得更长。如果我们检查机翼的横截面厚度，我们会发现 787 平均薄约 10%。更长、更薄的机翼减少了飞机的阻力，从而实现了更高效的空气动力学设计。
复合材料通过其强度、刚度和轻质特性的结合实现了这一设计。结合改进的发动机，这种设计使 787 每座公里的燃料消耗量低得多。事实上，787 的机体重量（不包括发动机）比 767 重 30%。然而，尽管重量很大，但由于其更高效的几何形状，它仍然可以实现可观的燃油节约和近两倍的续航里程。777X 对其复合材料机翼采用了类似的策略，将机翼跨度从 777-300ER 的 64.8 米延长到 777-9 的 71.8 米。据波音公司称，这将使燃料消耗减少约 10%。较长的机翼非常有效，因此该设计可以证明折叠翼尖是合理的，以确保飞机与现有 777 飞机保持在相同的机场代码内，并可以进入现有的机场大门。一些高级计算可以深入了解这些程序的权衡（图 2）。如果我们考虑一架空客 A321neo，由于复合材料，其机翼重量降低了 20%，但与当前设计的几何形状相同，我们的计算估计，典型任务的燃料消耗将减少 1.5%~2%。相反，假设我们将机翼替换为全复合材料设计，其重量与金属机翼相同，但跨度更长，横截面更薄。如果这样的机翼将平均巡航升阻比从 18 提高到 19，我们估计这将相当于燃料消耗减少 5%~7%，尽管没有节省重量。这些空气动力学的改进比重量的节省有更大的影响，但它们只能通过转向复合材料来实现。
因此，我们相信，下一代单通道飞机几乎肯定会有复合材料机翼。潜在的燃料节约太大了，无法考虑金属结构。图 2. 表示性燃油燃烧改善。使用复合材料的空气动力学变化可能比单独节省重量产生更大的影响。
然而，对于机身来说，这种权衡并不那么明确。机身本身不像机翼那样具有任何空气动力学优势。在机身壁板相对较厚的宽体飞机上，复合材料往往具有更大的优势。窄体飞机更频繁的起飞和降落周期往往需要额外的材料，这降低了改用复合材料的好处。我们估计，使用复合材料将机身重量减少 20%，将使油耗下降 1.5%。随着气候变化的影响，每一滴节省的燃料都很重要。但在机身中使用复合材料还有其他缺点，包括成本和可制造性。原始设备制造商是否选择复合材料机身可能取决于两个相互关联的因素：时机和技术。
也许下一代单通道最大的未知数是它的到货日期。波音公司的 737 MAX 项目于 2017 年投入使用。空客的 A320neo 自 2016 年开始服役，A321XLR 机型预计将于2024年晚些时候交付。A321neo（以及 LR-长航程和 XLR-超航程变体）多年来一直是波音公司的问题；该飞机满足了许多航空公司在航程、运力和经济性方面的关键需求。尽管波音公司试图使用 MAX 进行竞争，但空客的机型在续航里程方面表现出色。截至 2024 年 3 月底，空客积压了 7177架 A320 系列飞机，其中 4947 架为 A321。相比之下，整个波音 737 家族积压了 4828 架飞机。在疫情之前，波音公司应对空客挑战的解决方案是 “新型中型飞机”（NMA），有时被称为市场中的中型飞机或 797。据了解，这架飞机是一架小型双通道飞机，但由于疫情和 737 MAX 的挑战，该项目最终被搁置。对波音公司来说，新的单通道飞机提供了一个更好地与空客产品竞争的机会，尤其是 A321XLR。由于 737 是基于 20 世纪 60 年代的设计，即使与最新型号相比，设计新机型可以提供显著的改进。然而，在 2022 年 11 月，波音公司首席执行官大卫·卡尔霍恩（David Calhoun）表示，他预计要到 2030年中才会有新的计划，并表示“我认为我们甚至不会在这十年内开始绘图。”对于 2035 年投入服务，业界预计将在 2028 年左右宣布新计划，距离下一个计划开始还有大约四年的时间。
此外，2024年 3 月，卡尔霍恩宣布，他将于 2024 年底与董事会主席一起卸任。虽然不能保证战略的转变，但波音公司有可能重新评估其产品决策，并在几年内推进新飞机的计划。尽管波音公司可能没有立即制定新项目的计划，但我们知道，研发项目将继续确保公司做好准备。对于空中客车公司，行业评论传统上认为，空中客车公司可能会等待波音公司宣布决定，然后再宣布自己的决定。然而，最近，我们认为空客的决定越来越与波音脱钩，它很可能会推进自己的议程。例如，该公司已经在其“明日之翼”项目上投资了近十年。这些发展可能会转化为 A320neo 系列飞机，我们认为这可能是对波音公司任何新的单通道计划的回应。航空航天供应基地似乎渴望下一代飞机。几年来，该行业本身的盈利能力一直很低，新项目为差异化和增长创造了机会。除了经济方面，许多供应商的工程人才利用不足，一项新计划可以帮助重振员工队伍。在 2019 年的高峰期，波音 787 的产量达到了每月14 架。空中客车公司计划在 2028 年将 A350 的产量提高到每月 12 架。然而，对于 A320 家族来说，产量要高得多。空中客车公司宣布计划到 2026 年将 A320neo 系列飞机的产量提高到每月 75 架。
如此高的生产率给复合材料带来了许多挑战。787航空结构是使用碳纤维预浸料的自动胶带叠层（ATL）制造的，这需要热压罐。例如，787 中央翼盒的固化时间为 8-9 小时。在非常高的生产率下，这些零件将需要非常大的热压罐资本支出，再加上工厂空间来支持这么庞大的工业设施。
存在非热压罐（OOA）解决方案，这形成了“明日之翼”和类似项目背后的大部分研究。然而，以这种飞机的规模和生产速度来看，很少有例子。A220 比 A320小，采用全复合材料机翼，依靠树脂注入。尽管该计划的初衷是在没有高压釜的情况下生产机翼，但由于灌注过程的缺陷，最终固化仍然需要热压罐。我们预计，为了经济地生产这些飞机，机翼需要 OOA 工艺。对于机身，技术开发仍然活跃。作为“清洁天空 2”项目的一部分，欧盟目前有多功能机身演示器（MFFD）计划，该计划展示了几种新型热塑性复合材料技术。日本“HondaJet”公务机也采用了复合材料机身，其目标是在 2028 年获得认证，使飞机能够在更高的高度飞行，燃烧更少的燃料。值得注意的是，这种设计采用了热塑性塑料，Spirit AeroSystems 和 GKN Aerospace 帮助开创了该飞机的许多工艺。如果从质量和生产经济的角度来看，这一计划被证明是成功的，这将进一步增强人们对使用热塑性复合材料航空结构的信心。空中客车公司和波音公司越是深入推进这些新项目，我们就越有可能相信包括机身在内的热塑性复合材料将被纳入这架飞机的设计中。如果波音公司在 2030 年代上半年宣布飞机计划，我们相信它很可能会有复合材料机翼和铝制机身。或者，如果这种情况发生在下一个十年末，它更有可能采用复合材料机身和热塑性技术。图 3. 年碳纤维需求量。复合材料单通道可能是航空航天行业碳纤维需求的最大驱动因素之一。
对于复合材料行业来说，两个大型单通道项目的影 响可能是显著的（图 3）。假设两个全面升级的复合材 料机翼单通道项目每月交付 100 架飞机（或总共 200 架），我们估计每年对超过 10000 公吨碳纤维的需求。包括机身在内，这一数字上升到 13000 多公吨。这占目前航空航天碳纤维需求量的 90%以上，占所有细分市场每年消耗的 130000 多公吨碳纤维的近 10%。然而，碳纤维增长的美元价值将远高于 10%，因为航空航天消耗的碳纤维在碳纤维行业的整体价值中所占比例要高得多。
然而，为了给航空航天领域一种规模感，我们最乐观的城市空中交通（UAM-urban air mobility）预测为每年 10000 台，预测整个行业只需要 4000 公吨碳纤维。因此，尽管无人机被宣传为航空航天复合材料的下一个前沿领域，但我们的分析表明，下一个单通道项目将对复合材料行业产生更大的影响。除了满足材料生产要求外，该行业面临的最大挑战将是以可行的成本实现复合材料零件的质量和一致的生产率。尽管自动化取得了进步，但今天的大部分航空结构活动仍然是劳动密集型的。复合材料尤其需要熟练的劳动力。为了应对这些飞机带来的速率挑战，航空航天复合材料技术必须从一个工艺行业发展到一个以更自动化和高速率工艺为主的行业。在下一代机身中采用复合材料需要新技术、先进的供应链和原始设备制造商的领导。在航空航天复合材料领域，下一个要攀登的高峰不仅仅是一次升级，而是一次重新定义航空航天和复合材料生产技术边界的机会。简评
空客“新 A320”机翼采用环氧热固性碳纤维复合材料、机身采用高温热塑 性碳纤维复合材料，已经是板上钉钉，毫无悬念了。
波音“新型中型飞机”（NMA），机身、机翼都采用复合材料。但是没有提到用高温热塑性碳纤维复合材料。它的新特点是，客舱是双通道；而货舱是单通道设计。
到 2030 年波音推出代替现 737MAX 的新方案，飞机一但投入市场，C919就更难与波音、空客竞争了！
原文见《 The next-generation single-aisle: Implications for the composites industry 》
