复合材料终端市场：航空航天（2023年）

根据航空航天咨询公司Teneo（美国纽约州纽约）的数据，2022年新冠肺炎法规的放松有助于刺激美国客运航空旅行的广泛复苏。在英国，法规实施时间更长，航空旅行复苏滞后，但遵循类似的模式。此外，Teneo预测，到2023年底，大多数全球航空旅行将比2019年大流行前的水平低几个百分点（见下图1）。

图1 Teneo对2023年以美国为中心的客运航空旅行的预测

 

正如2020年大流行开始时预测的那样，全球国内航空旅行的复苏速度快于国际航空旅行，但2023年国际旅行应该会恢复到接近大流行前的水平。国际航空旅行的回归预示着宽体飞机的使用增加，包括复合材料密集型空客A350和波音787，当COVID来袭时，这两架飞机的生产率急剧下降。

 

 

就空客公司而言，它于2022年9月宣布，已开始一项多年的努力，以逐步提高飞机制造率，以应对需求持续增长。具体而言，空中客车公司表示，它打算在2022年交付近700架飞机。按照这个速度，空中客车公司正在交付近600架飞机，尽管该公司表示将在今年剩余时间内增加产量以达到目标。

 

到2025年，空中客车公司打算将产量增加到每年近1000架飞机，这意味着每月产量约为80架飞机。这样的速度不仅给空中客车公司带来了压力，也给公司的供应链带来了压力，包括复合材料航空航天供应链。

 

波音在市场上的地位弱于空客。这家总部位于西雅图的飞机制造商去年大部分时间都在让其737MAX和787供应链再次运转。后者的交付自2021年以来一直暂停，等待美国联邦航空管理局（FAA）对涉及某些复合材料机身部分制造的制造异常进行评估。波音公司解决了这些异常情况，并于2022年9月恢复了787次交付。

 

波音公司在2022年9月交付了51架飞机，截至9月年初至今共交付了328架飞机。按照这个速度，波音公司有望在2022年底前交付437架飞机——比空客的目标少得多，但对于一家在过去三年中一直受到安全和制造挑战困扰的公司来说，这是一个很大的进步。

 

 

随着A350和787的生产刚刚开始恢复正常，整个航空航天工业，特别是复合材料行业悬而未决的问题是，下一个主要飞机计划何时公布？

 

空客公司不需要宣布新计划，因为它拥有每个主要飞机类别的飞机，几乎没有战略弱点。然而，波音公司相对较弱，没有远程单通道飞机来取代757并与空中客车A321XLR竞争。这一事实，再加上737的架构限制（它不容易扩展），表明波音可能会相对较快地宣布一个新的远程单通道计划。

 

然而，开发一架新飞机需要资金（150亿至200亿美元），波音仍在筹备现金，以应对737MAX坠毁和787交付暂停后的挑战。尽管面临财务和其他挑战，但很明显，波音需要开发一种新飞机来填补其曾经被757占据的投资组合中的空白。空客A321XLR占据了相同的空间，这是一款单通道，最多可容纳200名乘客，航程为8，700公里，使其成为业内航程最长的窄体飞机。A321XLR也有500多个订单，预计将于2024年投入使用。

图3 两架波音787，带有美国航空公司的涂装

 

在过去的几年里，波音公司非正式地在市场上推出了一些概念飞机，测试了人们对各种配置和尺寸的兴趣。这包括新的中型飞机（NMA），这是一种比787小的复合材料密集型双通道飞机。虽然NMA尚未超越早期设计阶段，但从各方面来看，波音公司仍在继续评估全新飞机的新设计方案。这架飞机何时可能被宣布是很多猜测的主题，但在2023年底之前似乎不太可能。

 

 

与此同时，航空复合材料供应链上下的制造商正在积极重新定位自己，以满足接下来宣布的任何飞机项目的需求。即使航空航天业不确定下一个飞机项目的尺寸和规格，我们对材料和工艺（M&P）的期望也有很多了解。

 

随着航空航天业从宽体架构转向窄体架构，人们普遍认为，无论波音或空中客车公司接下来开发什么飞机，都将是一个每月需要多达100架飞机的市场。此外，新飞机肯定会有复合材料机翼，也可能是复合材料机身。

 

每月生产100套复合材料主要飞机结构将需要复合材料M&P组合，这是迄今为止在商业航空航天工业中从未见过的。这种M&P趋势的主要推动力将远离高压釜所代表的瓶颈转向液体工艺，如树脂传递模塑（RTM）、树脂灌注、压缩成型和热塑性复合材料。M&P趋势还将有利于更多的自动化，改进的过程控制，更多的零件集成，更少的接触劳动力和更少的紧固件。

 

这种从高压釜中迁移出来的挑战之一是将纤维/树脂组合用于以前从未使用过的结构中。这种创新对复合材料行业有利，但它需要资格认证计划来证明这些材料在其预期应用中的可行性。这种认证既耗时又昂贵，但如果空气复合材料行业要满足下一代飞机制造的需求，这是必要的。

 

预见到这些趋势，一级和二级航空航天复合材料制造商正在积极努力实现运营现代化，以满足飞机原始设备制造商的需求。这种对M&P地位的争夺可以在复合材料制造商最近开发的一些技术和应用中看到。这项工作的例子如下：

图4 帝人非卷曲织物，切割并准备预成型，用于吉凯恩明日航空航天翼（WOT）一体式翼梁

 

用于高速飞机制造的一体式单发17米翼梁。空中客车明日机翼（WOT）计划采用了几种新的复合材料M&P技术，旨在推进机翼制造并减轻重量。WOT中最大的结构之一是一体式17米碳纤维复合材料梁，由GKNA erospace（英国Western Approach）通过RTM开发和制造。C形翼梁的独特之处在于，对于单个RTM部件来说，它非常大，并且它使用了帝人（日本东京）的非卷曲织物（NCF），GKN设法将其放置在工具上而无需切割或飞奔。空中客车公司已经组装了第一台WOT演示器，并将进行测试以评估设计和材料的可行性。WOT中的技术是否以及如何部署在飞机上还有待观察。

图5 山姆|XL焊接技术使用带有吸盘和焊头的末端执行器来放置欧米茄纵梁并将它们粘焊到皮肤上。正在为下一代飞机项目评估热塑性飞机结构的焊接

 

热塑性复合材料焊接技术推动了更可持续的机身发展。由欧盟清洁航空计划运营的多功能机身演示器（MFFD）项目正在评估热塑性复合材料在飞机机身结构中的潜在用途，包括蒙皮，纵梁和框架。工作正在由GKN航空航天公司（下半部分），DLR（上半部分;德国科隆）和弗劳恩霍夫（组装；国慕尼黑）。MFFD的目标之一是利用热塑性塑料的可焊性作为机身的组装技术，以减少机械紧固件的使用。MFFD正在评估几种焊接技术，测量焊接速度，焊接质量和其他变量。热塑性塑料对于整个航空结构来说是一个有吸引力的选择，因为它们提供高压釜外（OOA）加工性，以及易于处理的材料和良好的韧性性能。

 

威奇托州立大学（WSU，美国堪萨斯州威奇托）的国家航空研究所（NIAR）正在迅速发展下一代复合材料制造的制造技术中心。CW于2022年初访问了NIAR，并发布了我们在那里发现的这份报告。简而言之，NIAR正在其ATLAS设施中汇总各种制造技术，为复合材料行业和WSU学生提供M&P开发的演示选项。ATLAS具有Electroimpact（美国华盛顿州马科尔蒂奥）自动纤维铺装机（AFP），科里奥利（法国奎文）AFP机，Mikrosam（马其顿普里莱普）免工具纤维铺装系统，Cevotec（德国慕尼黑）自动贴片贴片系统（APP），克劳斯玛菲（慕尼黑）注塑包覆成型系统，恩格尔（奥地利施韦特贝格）注塑包覆成型系统，ASC工艺系统（美国加利福尼亚州瓦伦西亚）高压釜和索尔维复合材料（美国佐治亚州阿尔法利塔）实验室。NIAR也是高级虚拟工程和测试（AVET）实验室的所在地，该实验室专注于虚拟数学建模技术的开发和验证，使航空航天制造商能够最大限度地减少从概念设计状态到分析认证的全面物理测试。这里的目标是缩短材料测试和鉴定周期，使新材料更快地进入航空航天结构。

图7 Qarbon Aerospace的单向（UD）复合材料专利机器人感应焊接技术已推进到TRL 5，用于封闭式航空结构，例如机翼箱演示器。

 

 

复合材料行业即将出现的是先进空中交通（AAM）市场，该市场计划在主要城市及其周边地区提供空中出租车服务，以帮助乘客绕过地面交通。AAM飞机几乎完全由三到六人座，全电动，复合密集型eVTOL飞机组成，航程可达150公里。

 

全球有数百家AAM飞机制造商在开展业务，但只有少数几家拥有足够的资金支持投入使用，如AAM现实指数所示。该市场的先行者计划在 2022 年和 2