每年12月，Composites World雜志均會撰寫系列文章介紹當年復合材料在不同應用領域如航空航天、體育休閑、壓力容器、可再生能源等的應用最新進展情況，并對新一年的發展進行展望。本文概述了2022年復合材料在航空工業（包括近年來火熱的空中出租車）領域的市場分析。
隨著全球新冠肺炎疫情的日趨緩和，全球航空客運業在2022年開始復蘇，預計2023年全年將加速復蘇，從而使商業航空旅游業接近2019年以來的最高水平。而這一復蘇也勢必將增加美國波音、歐洲空客以及整個航空供應鏈的生產壓力。
根據美國航空航天咨詢公司Teneo 的說法，2022年新冠疫情的政策緩和有助于促進美國客運航空旅行的廣泛復蘇。在英國，相關政策實施的時間更長，使得航空旅行的復蘇滯后，但也遵循類似的模式。此外，Teneo預測，到2023年底，全球大多數航空旅行水平將比2019年疫情前低幾個百分點（見下圖）。
Teneo對2023年以美國為中心的客運航空旅行的預測
正如2020年疫情流行開始時所預測的那樣，全球國內航空旅行的恢復速度快于國際航空旅行，但2023年國際旅行將恢復到接近疫情前的水平。國際航空旅行的回歸預示著寬體飛機的使用將增加，包括復合材料密集型空客A350和波音787，當新冠疫情來襲時，這兩種飛機的生產速度都急劇下降。
2022年9月，空客公司宣布，由于預計需求將持續增長，空客已開始逐步提高飛機制造率。具體而言，空客表示其計劃在2022年交付近700架飛機，盡管截至2022年9月，該公司年內交付總量僅為437架。按照其生產速度，空客有望在2022年內交付近600架飛機，盡管該公司表示將在今年余下時間增加產量以實現目標。
無論情況如何，到2025年，空客公司計劃將產量提高到每年近1000架，這意味著每月產量約有80架。這樣的速度不僅給空客公司帶來了壓力，也給該公司的供應鏈帶來了壓力，包括航空領域用復合材料的供應鏈。
空客A321XLR 是空客 A321neo 系列的最新和最長的迭代。這架單通道飛機專為長途水上航線設計，深受客戶歡迎，訂購量超過 500 架。A321XLR 預計將于 2024 年投入使用。圖片來源：空客
波音在市場上的地位要弱于空客，這家總部位于西雅圖的飛機制造商在去年花了大量時間讓其737 MAX和787供應鏈的運轉，自2021年以來，后者的交付已經暫停，等待美國聯邦航空管理局（FAA）對制造異常情況進行評估，其中涉及一些復合材料機身部分的制造。據悉，波音公司已經解決了異常情況，并于2022年9月恢復787交付。
2022年9月，波音公司交付了51架飛機，截至9月，2022年內共交付328架飛機。按照這個速度，波音有望在2022年底前交付437架飛機，這比空客的目標數量少得多，但對于一家在過去三年中一直受到安全和制造挑戰困擾的公司來說，這是一個巨大的進步。
隨著A350和787的生產開始恢復正常，整個航空工業尤其是復合材料行業面臨的問題是，下一個大型飛機項目將于何時宣布？
空客暫無新的計劃，目前它的飛機涵蓋了所有飛機類別，幾乎沒有戰略弱點。波音公司則相對較弱，因為它沒有一架遠程單通道飛機來取代757并與空客A321XLR競爭。這一弱勢再加上737的架構限制（不容易擴展），預示著波音可能會在相對較短的時間內宣布一項新的遠程單通道計劃。
但是，開發一款新飛機需要資金高昂（150億至200億美元），且波音在737 MAX墜毀和787交付暫停后仍在重建資金上面臨挑戰。雖然面臨財務和其他方面的挑戰，但很明顯，波音公司需要開發一款新飛機來填補其757曾經占據的投資組合中的產品空白。其直接競爭產品為空客A321XLR，這款單通道飛機最多可容納200名乘客，航程8700公里，是業內航程最長的窄體客機。A321XLR也有500多架訂單，預計將于2024年投入使用。
兩架美國航空波音787飛機，787飛機在2021大多數時間和2022年部分時間暫停交付，而該公司和聯邦航空局解決了一些與復合材料相關的制造異常問題；幸運的是，這一時間恰逢新冠疫情導致國際航空旅行大幅放緩，目前飛機的交付已經恢復。
過去幾年，波音公司在市場上非正式地推出了一些概念飛機，測試了人們對各種配置和尺寸的興趣，其中包括新型中型飛機（NMA），這是一種比787更小的復合材料密集型雙通道飛機。盡管NMA在早期設計階段之后尚未成熟，但從各方面來看，波音公司仍在評估清潔飛機的新設計方案。這款飛機何時公布一直是大家猜測的主題，但在2023年底之前似乎不太可能。
與此同時，航空復合材料供應鏈上的制造商正在熱切地對自己進行重新定位，以滿足接下來宣布的任何飛機項目的需求。即使航空工業對下一款飛機項目的尺寸和規格尚不確定，但人們對材料和工藝（materials and process，M&P）的期望已有很多了解。
隨著航空工業從寬體結構轉向窄體結構，人們普遍認為，無論波音或空客接下來開發什么樣的飛機，都將面向一個月需求多達100架飛機的市場。此外，新飛機肯定會采用復合材料機翼，也甚至可能有復合材料機身。
每月生產100套復合材料一級航空結構將需要迄今為止在商業航空工業中從未見過的復合材料M&P組合。這種M&P趨勢的主要推動力將遠離高壓釜所代表的瓶頸，轉向液體工藝，如樹脂傳遞模塑（RTM）、樹脂注入、壓縮成型和熱塑性復合材料。M&P趨勢還將有利于更多的自動化、改進的過程控制、更多的零件集成、更少的人工接觸和更少的緊固件。
這種不采用高壓釜工藝的挑戰之一是，纖維/樹脂組合正在考慮用于以前從未使用過的結構中。這種創新對復合材料行業是有益的，但它需要資格認證計劃來證明這些材料在其預期應用中的可行性。這樣的鑒定耗時且昂貴，但如果航空復合材料行業要滿足下一代飛機制造的需求，這則是必要的。
因為可以預見到這些趨勢，一級和二級航空復合材料制造商正在積極努力實現其業務的現代化，以滿足飛機原始設備制造商的需求。在復合材料制造商開發的一些最新技術和應用中，可以看到這種對M&P地位的爭奪。這項工作的示例如下：
用于高速率飛機制造的一體式一次性17米翼梁加工。空客公司明日之翼（Wing of Tomorrow，WOT）項目采用了幾種新的復合材料M&P技術，旨在推進機翼制造并減輕重量。WOT中最大的結構之一是由英國GKN Aerospace公司通過RTM開發和制造的17米長的一體式碳纖維復合材料梁。這款C型梁的獨特之處在于，對于單個RTM零件來說，它的尺寸非常大，并且它使用了日本Teijin公司的非卷曲織物（noncrimp fabric，NCF），GKN成功將其放置在工具上而不經切割?？湛鸵呀浗M裝了第一架WOT演示機，并將進行測試以評估設計和材料的可行性。WOT中的技術是否以及如何應用到飛機上還有待觀察。
用于GKN Aerospace 明日之翼（WOT）整體翼梁的日本帝人無卷曲織物
熱塑性復合材料焊接技術為更可持續的機身帶來了進步。由歐盟清潔航空計劃運營的多功能機身演示器（Multi-Functional Fuselage Demonstrator，MFFD）項目正在評估熱塑性復合材料在飛機機身結構中的潛在應用，主要包括蒙皮、桁條和框架。這項工作由英國GKN Aerospace（下半部分）、德國DLR（上半部分）和Fraunhofer（組裝）完成。MFFD的目標之一是利用熱塑性塑料的可焊性作為機身的組裝技術，以減少機械緊固件的使用。MFFD正在評估幾種焊接技術，測量焊接速度、焊接質量和其他變量。熱塑性塑料是整體航空結構的一個有吸引力的方案選擇，因為它們提供了高壓釜外（OOA）加工能力，以及易于處理的材料和良好的韌性性能。
熱塑性航空結構的焊接正在為下一代飛機項目進行評估，SAM|XL焊接技術使用帶有吸盤的末端執行器和超聲波焊極來放置桁條并對其點焊
美國威奇托州立大學（WSU）的國家航空研究所（ National Institute for Aviation Research，NIAR）下一代復合材料制造技術的中心，正在迅速發展。NIAR正在其ATLAS設施中聚集各種制造技術，為復合材料行業和WSU學生提供M&P開發的示范選項。ATLAS擁有Electroimpact（美國）自動纖維鋪放系統（AFP）、Coriolis（法國）AFP設備、Mikrosam（馬其頓）無工具纖維鋪放系統、Cevotec（德國）自動貼片鋪放系統（APP）、KraussMaffei（德國）注塑包覆成型系統、Engel（奧地利）注塑包覆成型系統、?ASC Process Systems（美國）高壓釜和Solvay復合材料（美國）實驗室。NIAR也是先進虛擬工程與測試（Advanced Virtual Engineering and Test，AVET）實驗室的所在地，該實驗室專注于虛擬數學建模技術的開發和驗證，使航空航天制造商能夠最大限度地減少從概念設計狀態到分析認證的全尺寸物理測試。這里的目標是縮短材料測試和鑒定周期，以使新材料更快地進入航空結構。
自動纖維鋪設(AFP)是一項應用于787和A350的復合材料技術，圖為位于威奇托州立大學（WSU）國家航空研究所（NIAR）的電沖擊AFP裝備
2022年，CW還拜訪了一級航空結構制造商Qarbon Aerospace，參觀了位于美國佐治亞州Milledgeville和得克薩斯州Red Oak的工廠。Qarbon是轉型中航空制造商的一個典型例子，主要由私募股權收購并重新命名的前Triumph工廠組成。該公司在航空航天和國防領域使用手工鋪設、高壓釜固化預浸料的傳統項目方面擁有長期經驗。它還開發了熱塑性復合材料的專業知識，并創新了一些航空結構的焊接技術。
Qarbon Aerospace 獲得專利的單向 (UD) 復合材料機器人感應焊接技術已升級到 TRL 5，適用于封閉箱體航空結構，例如機翼箱演示器。像 Qarbon 這樣的公司正在擴大他們的熱塑性復合材料制造能力。圖片來源：Qarbon Aerospace
復合材料行業即將迎來的是先進的空中交通（ advanced air mobility，AAM）市場，該市場計劃在主要城市及其周邊地區提供空中出租車服務，幫助乘客繞過地面交通。AAM飛機幾乎全部由載客3至6人、全電動、復合材料密集型eVTOL飛機組成，航程可達150公里。
如AAM現實指數所示，全球有數百家AAM飛機制造商，但只有少數幾家有足夠的資金支持投入使用。該市場的最早推動者計劃于2022年和2023年投入服務（EIS），其他幾家將于2024年和2025年投入服務。
關于這個市場將以多快的速度發展，以及它的最終規模可能有多大，人們眾說紛紜。樂觀者認為，到2030年，全球將有數千輛空中出租車投入運營。持懷疑態度的人認為，少數城市的少數供應商提供的服務有限，成熟期較長。
在AAM成為現實之前，有許多障礙需要克服。最大的障礙是管制/空中交通管制。美國聯邦航空管理局（FAA）和歐洲聯盟航空安全局（EASA）必須制定全新的標準和協議來管理AAM飛機將飛行的空域——其中大部分是 AAM 飛行器應避免墜毀的過度擁擠的城市地區。
第二個障礙是基礎設施。空中出租車將在位于建筑物頂部、機場附近、區域機場和其他地點的垂直機場起降。這種基礎設施不存在，必須由AAM制造商創建和維護。AAM基礎設施也有一個現實指數。
用于AAM空中滑行起降的Volocopter VoloPort的效果圖
最后一個障礙也是與復合材料行業最相關的障礙，與M&P有關。如果AAM市場達到樂觀主義者所希望的成熟程度，市場對新飛機的需求每年可能超過10000架。這比商業航空領域的最高制造率高出數量級，代表了迄今為止世界上任何地方都沒有見過的高性能復合材料制造工業化水平。
一些觀察人士喜歡將這種復合材料制造的范式轉變稱為“汽車數量、航空航天質量”，盡管這聽起來有點道理，但事實是AAM飛機將以汽車行業所不具備的方式成為復合材料密集型飛機，并且將需要制造汽車行業所未見的零部件。以螺旋槳葉片為例，每架AAM飛行器都有多個旋翼，需要大量生產航空質量的螺旋槳葉片——每年多達60000片。
由Beta Technologies開發的ALIA 250c AAM飛機具有四個用于起飛和著陸的傾斜旋翼，以及靠近后部的推進器旋翼；ALIA將首先作為運送捐贈器官的飛機投入服務，然后再進入空中出租車市場
同樣考慮到AAM飛機的原型機和演示機主要是用手工鋪設、航空合格的預浸料在高壓釜中固化而成的。然而，第二代和第三代飛機將需要采用OOA M&P來滿足更高的生產率和更高的質量。這意味著無需接觸勞動力、強大的過程控制、液體成型、過程檢查、快速固化和易于組裝，目前世界上任何地方都沒有這種規模。
這也引出了一個問題：誰將為AAM制造復合材料？這取決于制造模式。一些AAM制造商可能會與Spirit AeroSystems、GKN Aerospace和Daher等簽訂合同，但即使是他們也需要獲得資金和技術來滿足需求。另外，其他AAM制造商，如美國Joby Aviation也在自己進行復合材料制造，這也帶來了類似的規模擴大和工業化挑戰。
所有這些都忽略了碳纖維需求和供應的問題。AAM的快速成熟將給碳纖維供應鏈帶來巨大的需求壓力，該供應鏈已經在努力滿足客戶需求，商業航空、風能和氫存儲的強勁增長有望使問題更加復雜。此外，碳纖維制造商不愿投入時間和資金來增加產能，除非對新生產線可能生產的纖維有明確的長期需求承諾。AAM能否提供如此明確的長期承諾，還有待觀察。
來源：CompositesWorld、碳纖維及其復合材料技術
原文鏈接：https://www.compositesworld.com/articles/composites-end-markets-aerospace-2023
原文始發于微信公眾號（艾邦復合材料網）：2022年復合材料市場回顧及2023年市場展望：航空工業領域用復合材料
