熱塑性復合材料、非熱壓罐成型、3D打印等未來復合材料技術正逐漸走向舞臺中央，氫儲罐、城市空中交通飛行器也將成為應用復合材料的新市場。

商用飛機復合材料的未來

波音787和空客A350中使用的復合材料占單機重量的50%以上，它們也代表著復合材料在主承力結構中應用的里程碑。然而，對這兩型飛機需求的不足，抑制了市場對用于制造飛機的復合材料——包括纖維、樹脂、膠粘劑等材料的需求。此外，由于航空復合材料供應鏈相對比較集中，因此對于需求端的這種變化非常敏感。在這種現實條件下，這兩年的疫情爆發給服務于航空復合材料行業的材料供應商和制造商帶來了諸多挑戰。

2020年4月30日，第二架波音777X首飛成功。從復合材料的角度來看，777X具有航空航天工業中最大的碳纖維復合材料機翼，翼展長達71.8m。

“明日之翼”計劃的首款全尺寸機翼原型件。

疫情可能推遲新款單通道飛機研發的時間，但并沒有改變空客和波音對未來單通道客機基本材料和工藝技術的要求。尤其是空客一直在與供應商積極溝通，要求加快復合材料技術的成熟，并為飛機高速生產做好準備。

想要實現這個目標并非易事，因為航空航天工業目前已經存在很多高品質且經過數十年應用驗證過的材料。主機或者一些零部件制造商不會主動放棄這些物美價廉的成熟材料，只是其中大部分材料均需要采用熱壓罐固化。如果徹底擺脫熱壓罐固化過程，以目前的技術水平，需要使用液態樹脂灌注、樹脂傳遞模塑(RTM)、壓制模塑或索性更換使用熱塑性復合材料，無論是哪種方式，都需要對材料進行一定程度的鑒定，而材料鑒定是一個既耗時且成本高昂的過程。不過，如果主機制造商的最終回報是高效且具有成本效益的高質量機身結構或部件結構，那么就擁有足夠的理由去完成相應的材料鑒定。

GKN航宇公司設計的翼肋成為“明日之翼”演示驗證件上的第14號翼肋部件。

能夠讓廠商付諸這種努力，在航空復合材料行業中的一些項目中體現的最為明顯。目前最引人注目的項目就是空客發展多年的“明日之翼”計劃，該項目由一系列一級供應商組成的團隊共同參與，旨在研發出用于制造單通道飛機機翼的非熱壓罐復合材料用材體系和工藝技術。“明日之翼”項目的合作伙伴包括美國勢必銳航空系統公司（下機翼蒙皮灌注成型）、英國GKN航宇（翼梁、翼肋設計制造）、法國大合公司（翼梁、翼肋設計制造）、奧地利FACC公司（襟翼制造）和空客（上機翼蒙皮制造）自身。

空客于2021年9月22日宣布，已經開始組裝第一個“明日之翼”的原型件。在整個項目完成過程中，將共制造三個全尺寸機翼原型件。第一個將主要用于了解系統集成；第二個將進行結構測試，并與計算建模結果進行比對；第三個將完全裝配；并測試規模化生產可行性，并與工業建模結果進行比較。

值得注意的是，“明日之翼”項目目前正在評估使用熱塑性復合材料制造翼肋。這項工作是非常值得關注的，因為即使在波音787和空客A350中，翼肋也是采用鋁合金制成的。翼肋轉向復合材料將是行業的重要里程碑，兩家一級航空航天制造商已開發出用于制造翼肋的復合材料和工藝。GKN航宇公司已經完成了機翼第14翼肋部件的演示驗證件，該部件使用索爾維復合材料公司提供的碳纖維/聚醚酮酮單向預浸帶壓制成型工藝。法國大合公司也使用類似工藝開發了5個翼肋演示驗證件，主要采用了東麗先進復合材料公司提供的碳纖維/聚芳醚酮單向預浸帶。

大合集團在“明日之翼”項目中負責的五個翼肋和1個翼梁所在的位置。

大合集團同時還使用真空袋非熱壓罐熱固性復合材料為“明日之翼”制造了一款2m長的內翼梁結構。該結構使用美國赫式公司的177℃非熱壓罐固化M56環氧樹脂，預浸入赫式公司的AS4碳纖維織物和IM7單向碳纖維帶制造而成。翼梁制造的過程使用法國科里奧利復合材料公司的自動纖維鋪放（AFP）系統，這套系統目前支持材料的陽模制造。鋪層后，翼梁部件利用非熱壓罐工藝固化而成。

大合集團為空客“明日之翼”項目開發的內翼梁結構。

為飛機結構開發新的復合材料和工藝的另一項重要工作，就是“潔凈天空2”（Clean Sky 2）計劃。這是一項針對使用復合材料和非復合材料的各類飛機零部件和系統技術的歐盟計劃。“潔凈天空2”中，與復合材料相關項目主要包括熱塑性復合材料在機身結構中的應用、熱塑性復合材料焊接技術、翼盒灌注工藝、3D打印技術、熱隔膜成型（HDF）等發展和應用。

氫動力相關研究處于上升期

2020年6月，當法國政府宣布推行總價值170億美元的新冠疫情救助計劃與“潔凈天空2”計劃中發布的“氫動力航空”研究報告中的目標掛鉤時，氫動力商用飛機的發展前景突然變得非常明確，需求也變得迫切。法國航空公司也就此表態，希望到2024年，能夠將國內航班執飛過程中的二氧化碳排放量減少一半。

2020年9月，空客宣布啟動ZEROe計劃，該計劃包括三種飛機概念，每一種都由氫能源提供動力：

空客ZEROe計劃的三種飛機概念。

2021年4月，空客宣布了一項全新的ASCEND計劃，意在通過結合液氫和超導技術，演示驗證純電或混合電力推進系統。空客表示，將在其德國子公司UpNext建造一臺地面演示驗證機，其目標是與傳統推進技術相比，動力系統重量和電力損失至少減少50%，同時將效率提高5%～6%。使用超導技術帶來的挑戰是需要長時低溫。ASCEND計劃演示驗證機搭載的動力系統將包含低溫冷卻系統、超導電機、低溫冷卻電機控制單元和超導配電系統（包括電纜和保護結構）等。ASCEND計劃將2022—2023年選擇演示驗證概念方案，2025年制造出演示驗證機，并在2025—2026年確定最終飛機方案，以便完成其2035年前投入使用的目標。

隨著氫燃料推進系統的發展，無論氫燃料是氣態或是液態，復合材料在氫儲存和輸送中將扮演至關重要的角色。用于儲存氫能源的復合材料壓力容器主要為IV型——全復合材料結構，通常具有聚合物（通常是高密度聚乙烯）襯里以及碳纖維或碳纖維/玻璃纖維混合復合材料內部結構，復合材料承擔全部結構載荷。碳纖維IV型容器強度高、重量輕，由于所用纖維類型要求較高，因此往往比金屬儲罐成本更高。碳纖維在低溫儲罐中的使用更為受限，預計未來的主要研發工作將集中在這一領域。

美國環球氫能公司使用氫燃料電池推進系統改裝超過15架ATR 72 和德·哈維蘭公司的沖-8區域渦輪螺旋槳飛機。

從事儲氫的科技公司美國環球氫能，正在開發用于商用飛機的干碳纖維外包裹儲氫模塊。該公司在2021年7月宣布與冰島航空集團、諾斯特姆航空公司和阿拉斯加海盜航空公司簽署了意向書，推廣使用氫燃料電池推進系統改造超過15架ATR 72和加拿大德·哈維蘭公司的沖-8（Dash 8）系列區域渦輪螺旋槳飛機。

除了航空航天外，氫動力的發展所涉及領域非常廣泛，包括汽車/卡車運輸行業和軌道運輸行業等。受此影響，儲氫技術和產品目前也得以迅速發展。

城市空中交通

城市空中交通(UAM)有時也稱為先進空中交通(AAM)，該領域正在不斷發展和成熟過程中。縱覽全球，目前全球有100多家公司致力于開發用于空中出租車或貨運服務的UAM飛行器，但只有少數公司獲得了足夠的資金來生產飛行器原型機或概念驗證機。比較有代表性的有美國貝塔科技公司、喬比航空、德國Lilium、德國Volocopter公司、英國垂直航空公司等。

英國垂直航空公司是一家專注于零排放航空的全球航空航天和技術公司，已獲得超過2億美元的外部融資，用于支持VA-X4 eVTOL飛行器的生產和認證。

盡管從技術上講，UAM的數量可能不會像汽車那樣多，但預期的市場總量代表了航空航天復合材料行業前所未有的變化，即使是每年增加1000架UAM飛行器，航空結構所需的復合材料也將要求高產能。正因為如此，復合材料行業預計對更高效、一致性更好、自動化程度更高、成本效益更好的航空結構制造需求更加迫切，整個行業也將面臨范式轉變。復合材料制造邁向上述真正的“工業化”，被認為是該行業整體成熟的必要條件，但由于缺乏強大的市場驅動力，這使工業化進程變得虛幻而不切實際。不過，隨著UAM領域的發展，復合材料行業目前擁有了實現工業化的潛在驅動力。

所有UAM飛行器制造商都必須在設計制造中大量使用復合材料。鑒于制造商目前大多是仍處于原型機設計或演示驗證階段，使用的材料和工藝都主要專注于使用合格技術，包括人工鋪放和熱壓罐固化。如果每年UAM飛行器的市場需求為數百架數量級，那么這種技術已經足以滿足需求。但隨著市場的增長和年產量的擴張，必須開發使用其他材料和工藝技術才能實現產量擴張需求。非熱壓罐材料和工藝，包括熱塑性復合材料等，幾乎肯定會因為UAM的發展而加速成熟和應用。

為應對UAM領域每年可能需要的大量高模量/高強度碳纖維，整個復合材料行業需要做到：通過自動纖維/纖維帶鋪放工藝提高自動化程度，擴大壓縮和拉擠工藝的使用，戰略性地使用纖維增強增材制造工藝、自動粘合和焊接工藝、實時在線檢測技術，增加使用低能耗材料，大量使用回收材料，大力開發和采用可持續能源、材料和工藝策略，盡量少或者不產生廢物等。喬比航空也在其公開聲明中也發表過類似觀點。

復合材料供應鏈顯然正在密切關注UAM市場。整個2021年，一些纖維、樹脂和預浸料供應商已顯著轉向UAM領域，特別是在商用航空需求因新冠疫情影響持續下降的現狀下。UAM有望在未來幾年甚至幾十年成為復合材料和工藝創新與發展的主要驅動力。

結束語

與2020年相比，2021年全球航空航天復合材料行業的發展略顯平淡。其主要原因還是新冠疫情的影響導致航空航天市場產生較大波動，增漲放緩，加上波音等頭部廠商分心解決737MAX系列復飛、787系列質量問題，新需求迫切性降低，新技術發展放緩，因此航空航天業對于復合材料行業發展的推動力有所減弱。

總的來看，航空航天領域依然對復合材料技術發展具有重要的牽引作用。技術發展雖然出現短暫停滯，但正是這樣的機會讓已經形成共識的先進工業技術擁有了成熟的窗口期，熱塑性復合材料、非熱壓罐成型、3D打印等未來將在復合材料行業扮演重要角色的核心技術正逐漸走向舞臺中央。此外，氫儲罐、城市空運交通正飛速發展，復合材料將在未來幾年收獲更多的市場機遇和份額空間。

凜冬即將過去，復合材料技術發展依然值得期待。（作者：陳濟桁，航空工業發展研究中心）

關鍵詞： 復合材料 航空航天