空客A350前機(jī)身部分裝配

    新冠肺炎疫情對(duì)于航空行業(yè)來說，以前所未有的方式遏制了原本應(yīng)穩(wěn)定快速發(fā)展的民航業(yè)。這種影響從航空公司開始，逐步蔓延到了主要飛機(jī)制造商和整個(gè)航空工業(yè)供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)。

 

 

    受到疫情影響，波音公司和空客公司均選擇下調(diào)了所有在產(chǎn)機(jī)型生產(chǎn)率。由于兩次墜機(jī)事件導(dǎo)致于2019年停產(chǎn)的737 MAX，波音公司實(shí)際上于2020年5月以非常低的生產(chǎn)速度重啟了該機(jī)生產(chǎn)計(jì)劃，其目的是盡快讓該機(jī)型重新通過適航審查以便實(shí)現(xiàn)復(fù)飛。波音表示，希望到2022年能夠?qū)?37 MAX的月產(chǎn)量增加至31架。其他機(jī)型中，波音777/777X每月產(chǎn)量減少到5架，波音767減少到6架，大量使用復(fù)合材料的波音787則減少到10架（預(yù)計(jì)到2021年可能繼續(xù)減少至6架）。

 

    空客公司將A320產(chǎn)量從2019年的平均每月53架減少到40架。A330和大量應(yīng)用復(fù)合材料的A350產(chǎn)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(guān)閉美國(guó)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(guó)南卡羅來納州北查爾斯頓的工廠中。

 

    對(duì)于世界其他地區(qū)，前景則更不明確。大多數(shù)市場(chǎng)分析師預(yù)測(cè)，服務(wù)于國(guó)內(nèi)和相鄰區(qū)域航線的單通道飛機(jī)，如波音737、空客A220和A320等，將首先恢復(fù)運(yùn)營(yíng)，有可能在2024年前使該類型飛機(jī)生產(chǎn)和交付恢復(fù)到2019年的水平。而大型雙通道飛機(jī)的恢復(fù)速度則會(huì)更慢。咨詢公司蒂爾集團(tuán)預(yù)測(cè)，如波音787、波音777X、空客A350、空客A330等雙通道飛機(jī)的生產(chǎn)和交付可能直到2030年之后才能恢復(fù)到2019年的水平。

 

    空客公司能夠提供的飛機(jī)產(chǎn)品組合覆蓋所有類型的飛機(jī)，全面滿足所有航空公司的需求——從較小的單通道150座級(jí)客機(jī)A220到長(zhǎng)途雙通道400座級(jí)客機(jī)A350-1000。而事實(shí)上，介于兩者之間的產(chǎn)品，是空客公司最賺錢、最成功的飛機(jī)產(chǎn)品，即單通道客機(jī)A320以及目前最新的A321XLR，后者是一款長(zhǎng)航程（8700千米）的單通道飛機(jī)，預(yù)計(jì)會(huì)在2023年開始正式投入運(yùn)營(yíng)?？湛凸臼紫瘓?zhí)行官Guillaume Faury在公開聲明中表示，有意愿確保飛機(jī)恢復(fù)生產(chǎn)后，維持空客公司及其供應(yīng)鏈的穩(wěn)定和完整。為達(dá)到這一目的，空客公司不愿對(duì)飛機(jī)生產(chǎn)率進(jìn)行顛覆性調(diào)整，尤其希望其在2021年開始實(shí)現(xiàn)復(fù)蘇。

 

     相反，波音公司則處于劣勢(shì)。首先，由于飛機(jī)的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)導(dǎo)致兩次致命的墜機(jī)事故，波音對(duì)標(biāo)空客A320系列的737 MAX機(jī)型于2019年停飛。第二，波音公司旗下并沒有能夠與空客A321XLR競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)型。第三，波音777X原本應(yīng)該在2021年獲得適航認(rèn)證，但發(fā)動(dòng)機(jī)的問題和新冠疫情大流行將這一進(jìn)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(jī)。2020年4月波音宣布放棄收購(gòu)巴航工業(yè)，并指出其原因是巴航工業(yè)未履行某些義務(wù)。

 

 

    在疫情發(fā)生之前，航空復(fù)合材料供應(yīng)鏈一直在緊鑼密鼓的備料，進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備，為即將到來的1~2個(gè)新飛機(jī)項(xiàng)目做準(zhǔn)備。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為這兩個(gè)項(xiàng)目將主要是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)空客A320和波音737單通道飛機(jī)的升級(jí)替代產(chǎn)品，計(jì)劃在2030年投入運(yùn)營(yíng)。這兩款機(jī)型按照原計(jì)劃將以每月60~100架的速度制造，這將會(huì)生產(chǎn)和使用大量的復(fù)合材料。

 

    新型單通道飛機(jī)復(fù)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(jī)翼、翼盒和尾部結(jié)構(gòu)甚至機(jī)身，都將使用復(fù)合材料。但是，疫情不僅減緩了現(xiàn)有飛機(jī)的生產(chǎn)速度，也推遲了新飛機(jī)的研發(fā)進(jìn)程，影響了供應(yīng)鏈中已經(jīng)部署的一些材料和工藝技術(shù)。鑒于此，2020年，全球范圍內(nèi)有多個(gè)研發(fā)計(jì)劃正在開展，追求實(shí)現(xiàn)高速率、高質(zhì)量、非熱壓罐（OOA）工藝的航空復(fù)合材料制造解決方案。

 

    “潔凈天空”2多功能機(jī)身演示驗(yàn)證項(xiàng)目大部分都在歐洲進(jìn)行，其中最引人注目的子項(xiàng)目之一就是多功能機(jī)身演示驗(yàn)證（MFFD）。該項(xiàng)目由空客公司與學(xué)術(shù)界和航空工業(yè)界的合作伙伴共同領(lǐng)導(dǎo)，其交付成果是一款長(zhǎng)8米的熱塑性復(fù)合材料單通道商用飛機(jī)機(jī)身整體結(jié)構(gòu)，計(jì)劃于2022年生產(chǎn)。MFFD是“潔凈天空”2計(jì)劃大型客機(jī)（LPA）創(chuàng)新飛機(jī)演示平臺(tái)（IADP）中生產(chǎn)的3個(gè)全尺寸機(jī)身部件之一。MFFD項(xiàng)目中下部機(jī)身是通過STUNNING子項(xiàng)目設(shè)計(jì)制造的，該項(xiàng)目全稱為“智能多功能一體化熱塑性機(jī)身”。該機(jī)身包括整個(gè)下部機(jī)身殼體結(jié)構(gòu)、焊接縱梁和結(jié)構(gòu)框架、機(jī)艙和貨艙地板結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的內(nèi)飾結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)。

 

    由空客公司牽頭的另一個(gè)備受矚目的項(xiàng)目則是“明日之翼”（WOT）。該項(xiàng)目旨在評(píng)估利用非熱壓罐工藝（OOA）制造機(jī)翼結(jié)構(gòu)的成本和技術(shù)可行性。參與該項(xiàng)目的主要企業(yè)和機(jī)構(gòu)包括斯普利特航空系統(tǒng)歐洲公司、英國(guó)GKN航宇公司、美國(guó)諾格公司和英國(guó)國(guó)家復(fù)合材料中心。2020年之前，斯普利特公司已經(jīng)制造了一款長(zhǎng)達(dá)7米的機(jī)翼蒙皮演示驗(yàn)證縮比件，隨后在2020年夏季交付17米長(zhǎng)的全尺寸制造工具，可后續(xù)制造用于測(cè)試和評(píng)估的結(jié)構(gòu)件。17米的演示驗(yàn)證件代表了“明日之翼”計(jì)劃中實(shí)際下機(jī)翼蒙皮的近似形狀和尺寸。理論上來看，“明日之翼”計(jì)劃中完成的機(jī)翼將用于全新的單通道商用飛機(jī)，主要市場(chǎng)定位是替代現(xiàn)有的空客A320的鋁合金機(jī)翼。

 

     下一代擾流板項(xiàng)目是由空客公司和斯普利特航空系統(tǒng)公司共同牽頭的另一項(xiàng)先進(jìn)材料與工藝項(xiàng)目，更具有直接實(shí)用價(jià)值，也著眼了未來航空部件的生產(chǎn)制造。按照原計(jì)劃每月生產(chǎn)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(chǎn)線每年將生產(chǎn)近6500個(gè)擾流板。

 

 

    燃燒氫能驅(qū)動(dòng)的商用飛機(jī)，發(fā)展前景在2020年突然變得十分“迫切”。2020年6月，法國(guó)政府出臺(tái)的總價(jià)值170億美元的疫情救助計(jì)劃，與歐洲潔凈天空2發(fā)布的“氫動(dòng)力航空”研究報(bào)告的總目標(biāo)掛鉤。法國(guó)航空公司也表示，到2024年，將致力于將法國(guó)境內(nèi)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(zhí)行官Guillaume Faury表示，首架“零碳”飛機(jī)EIS將在2035年問世。根據(jù)它的預(yù)計(jì)，該項(xiàng)目將于2027~2028年正式啟動(dòng)，2025年前將使必要的技術(shù)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(yùn)輸、傳送及存儲(chǔ)技術(shù)的迅速發(fā)展。將這類技術(shù)完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化并非易事，目前工程人員已經(jīng)進(jìn)行了各種嘗試。2020年7月，美國(guó)ZeroAvia公司完成了對(duì)一款單發(fā)、6座、名為pipe飛機(jī)的飛行測(cè)試，該機(jī)經(jīng)過改裝后使用壓縮氫氣作為能源。此后，該公司計(jì)劃在美國(guó)境內(nèi)相同的飛行測(cè)試路線上，使用類似改裝的19座雙渦輪螺旋槳飛機(jī)道尼爾Do228進(jìn)行相同的測(cè)試，計(jì)劃在2023年使這類20座級(jí)別的氫燃料飛機(jī)完成約804千米（500英里）航程的飛行。

 

    2020年8月，美國(guó)環(huán)球氫能公司宣布可為50座級(jí)飛機(jī)提供雙儲(chǔ)能燃料容器模塊，有望在2024年前后在區(qū)域航空、倉(cāng)儲(chǔ)物流運(yùn)輸和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化。

 

    如果以氫能源為動(dòng)力的航空飛行真正實(shí)現(xiàn)，那么它最可能首先在支線飛機(jī)中實(shí)現(xiàn)。之后是單通道飛機(jī)，如空客A220和A320等。最晚實(shí)現(xiàn)氫動(dòng)力飛行的飛機(jī)將會(huì)是以空客A350為代表的遠(yuǎn)程寬體機(jī)型。

 

    復(fù)合材料在儲(chǔ)氫系統(tǒng)中使用的最大挑戰(zhàn)之一是貯存液態(tài)氫燃料時(shí)需要面對(duì)的極低溫要求，空客公司稱這是其在ZEROe計(jì)劃要解決的首要問題。另一大挑戰(zhàn)是在飛機(jī)飛行過程中，隨著飛機(jī)高度的升高和降低，外部環(huán)境壓力發(fā)生變化，對(duì)儲(chǔ)氫容器的壓力也發(fā)生了潛在變化。因此，若要在2035年前使氫動(dòng)力飛行成為現(xiàn)實(shí)，都必須消除以上述兩大挑戰(zhàn)為代表的重大技術(shù)障礙。

 

 

    復(fù)合材料通常被認(rèn)為是金屬材料的競(jìng)爭(zhēng)者，但在航空航天領(lǐng)域，復(fù)合材料也會(huì)與自身展開競(jìng)爭(zhēng)。其中最典型的一個(gè)例子就是熱固性復(fù)合材料與熱塑性復(fù)合材料。熱固性復(fù)合材料已經(jīng)證明了其在航空航天領(lǐng)域中具有廣泛可靠的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)；而熱塑性復(fù)合材料，盡管在工業(yè)界十分常見，但在大型航空一級(jí)結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用歷程并不長(zhǎng)。近年來的一些研究對(duì)兩種材料及其相關(guān)工藝進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比。

 

    在德國(guó)奧格斯堡，德國(guó)航空航天中心（DLR）結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)研究所下設(shè)的輕質(zhì)產(chǎn)品技術(shù)中心（ZLP），對(duì)比了雙通道空客A350液態(tài)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(gè)項(xiàng)目均與一級(jí)結(jié)構(gòu)供應(yīng)商德國(guó)PAG公司合作，并在評(píng)估生產(chǎn)周期與制造成本的同時(shí)，還驗(yàn)證了其自動(dòng)化生產(chǎn)制造能力。

 

    兩個(gè)項(xiàng)目的最終成果尚未出爐，但卻非常具有應(yīng)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(dòng)化生產(chǎn)制造能力以承擔(dān)先期成本才能夠兌現(xiàn)。

 

    熱塑性復(fù)合材料的制造工藝使結(jié)構(gòu)重量從41千克減少到35千克，工藝和裝配時(shí)間減少了75%，部件總成本減少了10%以上，不過該技術(shù)需要進(jìn)一步成熟才會(huì)被更多地應(yīng)用到大型航空結(jié)構(gòu)部件生產(chǎn)中。

 

 

    城市空運(yùn)交通（UAM）目前正處于起步階段，成為復(fù)合材料制造業(yè)中自動(dòng)化和工業(yè)化的重要驅(qū)動(dòng)力。UAM飛行器一般指準(zhǔn)乘2~6人的小型旋翼飛行器或固定翼飛機(jī)，由電池驅(qū)動(dòng)，能夠垂直起降，可人力駕駛，也可自動(dòng)駕駛。UAM飛行器一般被設(shè)計(jì)作為城際間的空中貨運(yùn)交通工具，此外也可成為一種全新的客運(yùn)交通工具，提供空中出租車服務(wù)。

 

    如今已經(jīng)有超過100家公司正專注于開發(fā)用于空中出租車或空中貨運(yùn)服務(wù)的UAM飛行器，但是只有少數(shù)公司獲得了充足的資金生產(chǎn)原型機(jī)或演示驗(yàn)證機(jī)。幾個(gè)典型的公司分別是：美國(guó)Beta科技、中國(guó)億航、美國(guó)Joby航空、德國(guó)Lilium、斯洛文尼亞Pipistrel、德國(guó)Volocopter和美國(guó)威斯克。上述廠商都在其工藝中廣泛使用了復(fù)合材料，不過隨著產(chǎn)品的迭代發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)化的生產(chǎn)方式終將應(yīng)用其中。

 

    空中出租車服務(wù)業(yè)務(wù)的領(lǐng)導(dǎo)者之一是優(yōu)步公司（Uber），該公司創(chuàng)建了空中乘車共享服務(wù)Uber Elevate。Uber Elevate目前已與多個(gè)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(xué)公司、貝爾公司、巴西航空工業(yè)公司、現(xiàn)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(yōu)步的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)人Mischa Pollack在CAMX 2020的演講中表示，該公司預(yù)計(jì)2023年將在幾個(gè)主要城市對(duì)其服務(wù)進(jìn)行初步驗(yàn)證，然后計(jì)劃于2026年推廣擴(kuò)張，最后在2028年開始進(jìn)行大規(guī)模推廣。至2035年，Uber Elevate預(yù)計(jì)將在50多個(gè)國(guó)家的主要市場(chǎng)中提供空中乘車共享服務(wù)，每年UAM飛行器的需求量將達(dá)到10000架。這一數(shù)字雖然接近了商用航空制造的速度，但仍需要復(fù)合材料制造業(yè)的升級(jí)才能夠?qū)崿F(xiàn)更大的發(fā)展。按照Mischa Pollack的期望，復(fù)合材料行業(yè)應(yīng)盡快落實(shí)多年來一直倡導(dǎo)和期待的工業(yè)化路線。目前看來，復(fù)合材料行業(yè)完成上述全部工作，大約還需要5年左右的時(shí)間。

 

 

    2020年，有兩家正在開發(fā)全新超聲速客機(jī)的公司備受矚目。其一是美國(guó)Boom Supersonic公司，另一家是美國(guó)Aerion公司。2020年10月7日，Boom推出了XB-1超聲速飛機(jī)，這是其主打產(chǎn)品“序幕”超聲速噴氣機(jī)的三分之一縮比演示驗(yàn)證機(jī)。大量使用復(fù)合材料的XB-1將展示和驗(yàn)證“序幕”的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，Boom公司的幾個(gè)階段目標(biāo)分別是：在2022年前建造完成演示驗(yàn)證機(jī)，在2025年正式推出“序幕”量產(chǎn)機(jī)，并計(jì)劃在2029年前開始投入運(yùn)營(yíng)。XB-1將計(jì)劃于2021年在美國(guó)加州莫哈韋進(jìn)行飛行測(cè)試，在此之前，該機(jī)將完成目前正在進(jìn)行的大量地面測(cè)試項(xiàng)目。同時(shí)，Boom表示將最終確定“序幕”的推進(jìn)系統(tǒng)，并進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試以驗(yàn)證飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。“序幕”的最高速度預(yù)計(jì)為2.2馬赫，巡航高度為19354米，載客量為55~75人。該機(jī)從悉尼飛往洛杉磯僅需 7個(gè)小時(shí)，從華盛頓特區(qū)飛往倫敦僅需 3.5個(gè)小時(shí)。

 

    美國(guó)Aerion則正在開發(fā)AS2公務(wù)機(jī)。該機(jī)可容納8~10名乘客，其超聲速巡航速度為1.4馬赫。該機(jī)有望實(shí)現(xiàn)4小時(shí)內(nèi)從紐約飛抵倫敦，在短短7小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(fā)尾翼，賽峰將設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙、制動(dòng)系統(tǒng)和起落架。2020年7月，Aerion于斯普利特航空系統(tǒng)公司簽署了一項(xiàng)備忘錄協(xié)議，擴(kuò)大斯普利特公司在AS2項(xiàng)目研發(fā)中的作用，包括前機(jī)身等部件的生產(chǎn)等。作為協(xié)議的一部分，斯普利特公司承諾對(duì)AS2進(jìn)行更多的投資，并增加了用于AS2復(fù)合材料前機(jī)身設(shè)計(jì)的工程資源。

 

    總的來看，疫情對(duì)于高端復(fù)合材料市場(chǎng)存在一定的沖擊，但隨著技術(shù)的進(jìn)步、成本的降低和新興市場(chǎng)應(yīng)用需求的增加，航空航天復(fù)合材料市場(chǎng)有望在疫情緩解后迅速實(shí)現(xiàn)復(fù)蘇，繼續(xù)保持較快的發(fā)展速度。