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2021年复合材料市场回顾及2022年市场展望:航空航天领域用复合材料

发布时间:2022-05-29 07:36:31 来源:欧宝APP官网 作者:欧宝app下载 浏览量:8

  每年12月初,Composites World杂志均会撰写系列文章介绍当年复合材料在不同应用领域如航空航天、体育休闲、压力容器、可再生能源等的应用最新进展情况,并对新一年的发展进行展望。本文主要概述了2021年复合材料在航空航天领域的市场并对2022年进行了展望。

  2021年初全球开始了COVID-19疫苗的全球分发,这似乎已经拉开冠状病毒大流行结束的序幕。但是,一些其他不确定如疫苗抗性、COVID变体、全球疫苗分布不均等使得COVID-19撤退成一系列从城市到城市、州到州、地区到地区和国家到国家不同的高峰和低谷。所有这些加在一起表明,即使新冠病毒现在在总体上得到了更好的管理和控制,未来它对全球公共卫生仍将是一个无限期的挑战。

  然而,疫苗的供应已经让许多人恢复了对航空旅行的信心。客运航空旅行在 2021 年春夏开始复苏,主要是休闲旅行。随着 2021 年夏中至夏末的 delta 变体的传播,商业交通受到了适度抑制。然而,随着这种变体的消退,越来越多的乘客返回,包括梦寐以求的商务旅客。事实上,在整个 2021 年,美国运输安全管理局 (TSA) 的旅客吞吐量数据显示旅客人数稳步增加。下表显示了与 2019 年大流行前数据相比的 2021 年 TSA 吞吐量数字。2021 年初,旅客吞吐量始终不到 2019 年的一半。到夏季和初秋,这个差距显着缩小;到 2021 年 10 月,每日平均数据为2019年数值的80%。

  航空航天行业分析师长期以来一直预测,由单通道 (SA) 和支线飞机服务的国内航线将首先从 COVID-19 萧条中恢复过来,然后在 12-24 个月后由双通道飞机服务的长途/国际航线逐渐恢复。这一预测似乎正在所有地区实现。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材料最密集的商用飞机)通常为国际旅客提供服务,但事实证明它们恢复服务的速度较慢。

  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估中称,世界航空市场将持续走向单一通道飞机,这对供应商和喷气客机融资产生深远的影响。这种转变可能会对B787和A350计划产生何种影响尚待观察,但至少存在持续增长的TA飞机需求的不确定性。波音 747 和空客 A380 等大型 TA 已退出市场,787 和 A350 似乎是不错的替代品,但 COVID-19 带来的巨大变化已经动摇了人们对飞机使用的信心,传统的假设很难依赖。

  无论TAs的长期命运如何,国际旅行都有望回归,并且需要大容量、长途飞机。TEAL集团的报告显示,在2021年底和2022年初,TA交付量略有上升(下图),到了2024年初交付量持平,然后到 2024 年和 2025 年略有增加。简言之,目前的TA库存加上稳定的新产量,预计足以满足需求。另一方面,SAs的交付量预计将在2023年超过2018年的峰值,并在2025年达到125架/月。

  在新冠疫情大流行期间,空客和波音在流感大流行前出现的波动状态一直持续,并且在某些方面变得更加不同。波音737 MAX在两次坠机后于流感大流行前停飞,并于2020年11月重新投入使用,这使得波音公司得以开始交付大量累积飞机的漫长过程。波音737是最赚钱的飞机,因此它的回归为公司提供了急需的现金。

  然而,与此同时,在2020年末,复合材料密集型波音787被发现在某些机身筒体部分的零件之间存在垫片尺寸不当。机身和垫片由碳纤维复合材料制成;垫片是填补一个机身部分与另一个机身部分邻接的间隙所必需的。该垫片问题已得到纠正,但在评估该问题时,波音公司发现了一些内部机身蒙皮(也是复合材料)表面平整度的一个不相关问题。截至2021年10月下旬,波音公司仍在开发解决美国FAA监管机构扁平度问题的解决方案。

  垫片问题和表面平整度问题都不被视为对飞机结构健康或性能的威胁,但在737飞机坠毁后,该公司和联邦航空局在谨慎方面犯了错误。因此,所有从位于美国南卡罗来纳州北查尔斯顿的总装线飞机仍然无法交付。COVID 导致对 787 的需求下降,使得此次交付暂停的时机不像其他方式那样具有影响力,但波音公司当然希望解决这个问题,并准备在需求恢复后尽快交付 787。

  就空客而言,如果不扩大的话,它保持了与波音相比的巨大竞争优势。空客的飞机组合为其提供了满足任何航空公司需求的产品选择,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赚钱和最成功的飞机,单通道A320,现在包括A321XLR,这是一种可容纳244名乘客的远程(4700海里)单通道飞机。在2019年巴黎航空展上推出的A321XLR预计将于2023年投入使用。

  复合材料密集型空客 A400M 军用运输机在 2019 年巴黎航展上展示

  波音公司没有一架能与空客A321XLR竞争的飞机。在新冠疫情大流行之前,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,可以在波音公司的737 MAX 10和787-8系列之间飞行。据推测,这样一架飞机将大量使用复合材料。然而,最终波音无法让市场相信 NMA 是必要的,而且该公司有大量资源致力于让 737 MAX 重新复飞。

  波音面临的第三个挑战是777X,它是非常成功的777的继任者。777X是一款可容纳426名乘客、航程为7285海里的TA,2013年发布时意义重大,但由于TA市场的前景尚不明朗,波音将如何部署777X还有待观察。777X原本应该在2021得到认证,但发动机问题和疫情影响将其推迟到 2023 年。从复合材料的角度来看,777X是值得关注的,因为它具有航空航天行业最大的碳纤维复合材料机翼,跨度71.8米。机翼由波音公司在其位于华盛顿州埃弗雷特的复合材料机翼中心制造,并在直径8.5米、长37米的大型ASC工艺系统高压釜中固化。

  B787和A350中使用的复合材料占每架飞机的50%以上(按重量计),是复合材料在主要结构中应用的里程碑。然而,对这些飞机的需求不足抑制了对用于制造飞机的复合材料包括纤维、树脂、粘合剂等的需求。此外,由于航空航天复合材料的供应链相对较小,人们敏锐地感受到需求的这种变化。通过这种方式,这种疫情影响对服务于航空复合材料行业的材料供应商和制造商来说尤其具有挑战性。

  尽管如此,即使在疫情流行之前,波音和空客就通过其供应链发出了关于下一代飞机——特别是下一代SA飞机——的材料和工艺(M&P)需求的强烈信号。假设两家公司都有可能在2025-2030年的某个时间宣布一架全新SA飞机。这两家飞机的新SA可能会以目前737或A320上未采用的方式使用复合材料。这将包括复合材料机翼、复合材料尾翼和复合材料机身。此外,两家公司都预测新SA的制造率为每月60-100。所有这些都意味着,用于制造787和A350结构的M&P(高压釜固化预浸料)可能不足以满足SA率要求。因此,整个航空供应链都在追求能够满足这些需求的高度自动化、高效、非高压釜(OOA)技术。

  这场大流行可能推迟了新SA开发的时间,但它并没有改变空客或波音公司对清洁SA的基本M&P要求。特别是空中客车公司,已经向其供应商表明需要加速提高复合材料技术的成熟度,使其为高速飞机生产做好准备。航空航天工业充斥着高质量的材料,这些材料已经使用了几十年。飞机制造商很容易继续使用这些材料,除非其中许多材料需要高压釜固化。从高压釜中取出并使用液体树脂灌注、树脂传递模塑(RTM)、压缩模塑或热塑性复合材料需要对材料进行一定程度的鉴定,鉴定是一个耗时、昂贵的过程。然而,如果机身的最终回报是高效、经济的高质量结构,则可以也将追求资格认证。

  这种努力在航空复合材料行业的一些项目中最为明显。最引人注目的项目是空客的明天之翼(WOT)项目,该项目由一级合作伙伴组成,旨在开发OOA复合材料M&P技术,用于制造SA尺寸飞机的机翼。在WOT的合作伙伴包括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)和空客本身(上机翼蒙皮)。空客公司于2021年9月22宣布组装了第一个WOT原型。总共将制造三个全尺寸原型机翼。第一个将用于了解系统集成,第二个将进行结构测试以与计算机模型进行比较,第三个将组装以测试扩大生产并与工业模型进行比较。

  值得注意的是,WOT正在评估加强肋中的热塑性复合材料。这一点很重要,因为即使在787和A350中,肋骨也是铝的,向复合材料的转变将是一个重要的里程碑。两个一级航空航天制造商开发了用于肋骨制造的复合材料M&P。总部设在英国的GKN宇航公司使用Solvay复合材料公司的碳纤维/ PEKK UD带通过压缩成型工艺加工14个肋。总部位于法国的Daher使用类似的工艺开发了五个演示肋骨,选用了东丽先进复合材料的碳纤维/PAEK UD胶带。

  Daher还使用真空袋(VBO)OOA热固性材料——美国HexcelM56 350°F固化OOA环氧树脂——为WOT制造了一个2米长的内翼梁结构,该材料包括Hexcel AS4碳纤维织物和IM7 碳纤维单向带。用于制造翼梁的制造过程是使用科里奥利复合材料(法国)系统的自动纤维铺放(AFP),该系统将材料应用于阳模。

  为航空结构开发复合材料M&P的另一个值得注意的努力是Clean Sky 2,这是一个欧盟项目,针对使用复合材料和非复合材料的各种飞机零件和系统的技术。Clean Sky 2中著名的复合材料相关项目的目标是在机身结构中使用热塑性塑料、热塑性塑料焊接、机翼箱灌注、3D打印、热褶皱成型等。

  即使航空航天行业专注于高速航空结构制造,一些飞机类型——公务机、通勤飞机——将以较低的产量制造,并可能从更有效地使用复合材料中获益。这是名为OPTICOMS的清洁天空项目的重点,该项目由以色列航空航天工业(IAI,Lod)牵头,包括科里奥利、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,旨在进行一系列非常详细的权衡研究,以评估和确定最佳机翼设计、材料组合和OOA制造工艺,从而实现小批量全复合材料机翼箱的自动化制造。

  2020年6月,当法国耗资170亿美元的大流行救济计划与清洁天空2号(Clean Sky 2)发布的“氢动力航空”报告中的目标挂钩时,发展氢动力商用飞机的前景突然变得紧迫起来。法航还表示,到2024年,国内航班的二氧化碳排放量将减少一半。然后,在2020年7月,空客首席执行官Guillaume Faury在接受《航空周刊》(Aviation Week)采访时承诺在2035年前推出首款脱碳飞机EIS;他预测项目将于2027-28年启动,必要技术将于2025年成熟。

  2020年9月,空中客车公司宣布启动其ZEROe计划,该计划由三种飞机概念组成,每种飞机均由氢气驱动:

  涡轮风扇设计(120-200名乘客),航程超过2000海里,能够跨洲运行,由改进的燃气轮机发动机通过燃烧以氢气为动力,而不是喷气燃料。液氢将通过位于后压力隔板后面的储罐进行储存和分配。

  涡轮螺旋桨设计(最多100名乘客),使用涡轮螺旋桨发动机代替涡扇发动机,并通过改进型燃气涡轮发动机中的氢燃烧提供动力,可行驶1000海里以上,是短途旅行的理想选择。

  “混合翼身”设计(最多200名乘客)概念,其中机翼与飞机主体融合,范围与涡扇概念相似。超宽的机身为储氢和分配以及客舱布局提供了多种选择。

  2021年4月,空中客车公司宣布其ASCEND项目来展示结合液氢和超导技术的电动或混合电力推进系统。该公司表示,空中客车子公司UpNext(德国奥托布伦)将建造一个地面演示器,目标是与传统技术相比,动力总成重量和电气损耗至少减少50%,同时效率提高5-6%。超导技术的使用带来的挑战是保持氢的液态需要低温。ASCEND演示车将配备一个动力系统,包括低温冷却系统、超导电机、低温冷却电机控制单元和超导配电系统,包括电缆和保护机构。

  随着氢燃料推进技术的发展,一个最大问题是复合材料将在储存和输送氢气中扮演什么角色,无论氢气是气态还是液态。设计用于储存氢气的复合材料压力容器属于IV类,包括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重量,但根据所用纤维的类型,其价格往往比金属替代品更高。碳纤维在冷冻罐中的应用更为有限,预计研发工作将集中在这一应用上。

  位于储氢领域最前沿的一家公司是Universal Hydrogen环球氢气公司(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。环球公司在7月份宣布,它已与冰岛航空集团、Air Nostrum 和 Ravn Alaska签署意向书(LOI),用氢燃料电池推进系统改装超过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,环球公司表示已获得资金,帮助其于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首次试飞。

  城市空中交通(UAM),有时被称为高级空中交通(AAM),正在不断发展和成熟。UAM飞机是小型2-6人旋翼飞机或电池供电的飞机,能够垂直起飞和着陆,可由驾驶员驾驶或自动驾驶,设计用于城际或城内运送乘客或货物,作为点对点空中出租车服务。UAM被定位为一种经济、方便、简单的方式,可以绕过交通堵塞,交通堵塞已成为在大城市区域内和周围行驶的标志。

  目前有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,但只有少数公司获得足够的资金来生产飞行原型或示威者。他们包括但不限于:Archer(Calif.,美国)、 Beta Technologies(南伯灵顿,VT,美国),EHang(广州,中国)、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飞机预计最快将于2023年在几个城市投入使用,随后将逐步扩展至2025-2026年。然而,到2025-2030年,UAM 的增长预计将大幅增加。就单位而言,该市场的规模尚未完全合理化,但一些分析师预测,到2035年,每年将有10000家。

  虽然从技术上讲,这些数量可能不像汽车,但UAM预期类型的数量代表了航空航天复合材料行业前所未有的阶跃变化,在航空航天复合材料行业,即使是每年 1,000 套主要航空结构也被视为高数量。因此,复合材料行业预计将出现更高效、更一致、自动化、成本效益更高的航空结构制造的范式转换需求。复合材料制造业的这种“工业化”被认为是该行业全面成熟的必要条件,但由于缺乏强大的市场驱动力,使得其更具概念性而非现实性。然而,在UAM,复合材料行业现在有了一个承诺实现工业化的驱动力。

  所有 UAM 飞机制造商都必须在其设计中使用复合材料,但鉴于每个制造商仍处于原型设计或演示阶段,M&P 专注于使用合格技术,包括手糊和高压釜固化。只要每年的数量达到数百,这就足够了。但随着市场的增长和年产量的增加,必须开发其他技术。OOA M&P,包括热塑性塑料,几乎肯定会为这个领域开发。

  复合材料行业需要什么才能有效地为UAM服务?Misha Pollack曾担任Uber的车辆设计和结构负责人,现任科利尔研究公司(Collier Research)的创新总监。她在CAMX 2020演讲中表示,到2035年,UAM每年将需要多达4500吨的高模量高强度碳纤维,通过自动胶带和纤维铺设提高自动化程度,压缩和拉挤工艺的扩展使用、纤维增材制造的战略性使用、自动粘合和焊接、实时在线检测、少量或无浪费、低能耗材料的增加使用、回收材料的大量使用和可持续能源的应用,材料和工艺策略。Joby Aviation在其公告中也发表了类似的声明。

  复合材料供应链显然正在关注UAM市场。在整个 2021 年,一些纤维、树脂和预浸料供应商已显着转向 UAM,特别是在商业航空航天需求因 COVID-19 而下降的情况下。UAM 有望在未来几年甚至几十年成为复合材料 M&P 创新和发展的主要驱动力。

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