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行業新聞

航空航天複合材料市場總結與預測

新冠病毒大流行對於全球各個行業來說,都是千百年來遇到的一次的重大災難,對於航空行業來說更是如此,疫情以前所未有的方式遏製了原本應穩定快速發展的民航業。這種影響從航空公司開始,逐步蔓延到了主要飛機製造商和整個航空工業供應鏈的各個環節。

2019年底,COVID-19開始肆虐全球。一年多以來,新冠病毒的易傳播性、致病後引起的較高住院率和死亡率,使世界各國政府不得不采取關閉企業,禁止大型聚會,要求佩戴口罩,保持社交距離等措施遏製病毒的快速傳播。在疫情更為嚴重的地方的一些國家政府還采取了封國舉措。許多人因此完全停止了搭乘航班進行旅行、商務出差等活動。航空商旅行業、運輸業受到了嚴重的打擊。

在疫情爆發初期,全球航空商旅運輸下降了9 0% ,成千上萬架飛機停飛。隨著各國管製的措施、法規相繼出台,一些國家逐步解禁,航空商旅運輸市場實現了小幅度的複蘇。航空航天行業谘詢公司蒂爾集團(Teal Group)表示,截至2020年10月下旬,全球航空商旅運輸與2019年相比同比下降了約63%。全球多數航空公司均受到影響,遭遇航班停運、員工收入不足或被裁員、新飛機采購延遲或取消等情況。一些體量較小的航空公司在此次疫情風暴中倒閉。

一、空客與波音麵臨的困境

受到疫情影響,波音公司和空客公司均選擇下調了所有在產機型生產率。由於兩次墜機事件導致於2019年停產的B737 MAX,波音公司實際上於2020年5月以非常低的生產速度重啟了該機生產計劃,其目的是盡快讓該機型重新通過適航審查以便實現複飛。波音表示,希望到2022年能夠將B737 MAX的月產量增加至31架。其他機型中,B777/777X每月產量減少到5架,B767減少到6架,大量使用複合材料的B787則減少到10架(預計到2021年可能繼續減少至6架)。

空客公司將A320產量從2019年的平均每月53架減少到40架。A330和大量應用複合材料的A350產量分別減少到每月2架和6架。此外,波音公司於2020年10月初宣布,將在2021年關閉美國華盛頓州西雅圖市的所有787裝配廠,並將其合並到公司位於美國南卡羅來納州北查爾斯頓的工廠中。波音和空客公司的一些員工業已經休假或遭到解雇。

大多數市場分析師預測,服務於國內和相鄰區域航線的單通道飛機,如B737、A220和A320等,將首先恢複運營,有可能在2024年前使該類型飛機生產和交付恢複到2019年的水平。而大型雙通道飛機的恢複速度則會更慢。谘詢公司蒂爾集團(Teal Group)預測,如B787、B777X,A350,A330等雙通道飛機的生產和交付可能直到2030年之後才能恢複到2019年的水平。
圖片
如果上述情況能夠順利實現,那麽空客和波音公司的競爭力將發生明顯不同。空客公司能夠提供的飛機產品組合覆蓋所有類型的飛機,全麵滿足所有航空公司的需求——從較小的單通道150座級客機A220到長途雙通道400座級客機A350-1000。而事實上,介於兩者之間的產品,是空客公司最賺錢、最成功的飛機產品,即單通道客機A320以及目前最新的A321XLR。相反,波音公司則在三個方麵充滿挑戰。首先,由於飛機的自動飛行控製係統導致兩次致命的墜機事故,波音對標空客A320係列的B737 MAX機型於2019年停飛。波音公司在2019年全年和2020年的大部分時間裏都在修正自動飛行控製係統,不斷對其進行測試,培訓飛行員熟悉係統,力爭獲得美國聯邦航空管理局(FAA)和歐盟航空安全局(EASA)的重新認證。與此同時,新冠病毒大流行導致許多原本采購B737 MAX的客戶推遲甚至取消了訂單。波音公司的第二個挑戰在於旗下並沒有能夠與空客A321XLR競爭的機型。波音的第三個挑戰是B777X,該機型是非常成功的B777繼任者。在複合材料應用方麵,B777X引人注目,因為它具有航空航天工業史上最大的碳纖維複合材料機翼,翼展達到71.8米。機翼由波音公司在其位於華盛頓州埃弗裏特的複合材料機翼中心製造,並在位於美國加州巴倫西亞大型ASC工藝係統中的熱壓罐中進行固化,這款熱壓罐直徑為8.5米,長為37米。不過,波音的首要任務顯然是希望並且必須使B737 MAX重新投入使用,以便可以盡快產生回報,為此,所有其他項目似乎都是次要的。

二、高速率、高質量成製造商首要目標

在新冠疫情發生之前,航空複合材料供應鏈一直在緊鑼密鼓的備料,進行技術儲備,為即將到來的1 ~2 個新飛機項目做準備。業內普遍認為這兩個項目將主要是設計和生產A320和B737單通道飛機的升級替代產品,計劃在2030年投入運營。這兩款機型按照原計劃將以每月60-100架的速度製造,這將會生產和使用大量的複合材料。

新型單通道飛機複合材料的使用範圍目前還在討論中,但幾乎可以確定的是,機翼、翼盒和尾部結構甚至機身,都將使用複合材料。以每天至少完成2件的速度製造如此巨大的航空結構件,將需要利用非熱壓罐(OOA)材料和工藝,包括樹脂傳遞模塑(RTM)、液態樹脂灌注、壓縮模塑成形和熱塑性複合材料等。為此,從樹脂和纖維生產商到一級結構製造商的全複合材料供應鏈,都已經在材料和工藝方麵進行了大量投資,以滿足上述預期需求。

但是,新冠疫情不僅減緩了現有飛機的生產速度,也推遲了新飛機的研發進程,影響了供應鏈中已經部署的一些材料和工藝技術。這種影響表明,盡管對高速率,大批量複合材料製造的需求可能沒有預計迫切,但推進和應用相關技術同樣重要,特別是考慮到使用新材料和新工藝後進行考核驗證,將會導致零部件交付時間增加。鑒於此,2020年,全球範圍內有多個研發計劃正在開展,追求實現高速率、高質量、非熱壓罐(OOA)工藝的航空複合材料製造解決方案。

1、“潔淨天空”2多功能機身演示驗證項目

上述的研發項目大部分都在歐洲進行,利用歐盟公共資金的投入,人們對於正在研發的新技術有了更多的了解。歐洲最受關注的計劃是“潔淨天空”2(Clean Sky 2),其中最引人注目的子項目之一就是多功能機身演示驗證(MFFD)。該項目由空客公司與學術界和航空工業界的合作夥伴共同領導,其交付成果是一款長8米的熱塑性複合材料單通道商用飛機機身整體結構,計劃於2022年生產。

2、“明日之翼”計劃

由空客公司牽頭的另一個備受矚目的項目則是“明日之翼”(WOT)。該項目旨在評估利用非熱壓罐工藝(OOA)製造機翼結構(包括機翼蒙皮/縱梁,翼梁和翼肋等)的成本和技術可行性。參與該項目的主要企業和機構包括斯普利特航空係統歐洲公司,英國GKN航宇公司,美國諾·格公司和英國國家複合材料中心。其中,斯普利特公司正在研發液態樹脂灌注工藝,以製造“明日之翼”項目中機翼下部蒙皮結構,並在2020年闡述了項目目前取得的進展。

機翼蒙皮中的幹增強纖維材料由位於德國的帝人碳纖維歐洲公司提供。帝人主要提供中等模量、24k絲束的碳纖維。纖維規格包括單向(UD)織物以及雙軸和三軸非卷曲織物(NCF)。此外還包括玻璃纖維貼片,用於防止鑽孔開裂及電偶腐蝕。縱梁中也同樣使用了帝人提供的NCF增強材料,縱梁將通過自動化製造專家、Broetje-Automation公司(索爾維複合材料德國公司)開發的定製連續縱梁成型機製造。這款縱梁成型機能夠生產具有不同厚度、曲率和葉片角度的縱梁。製造機翼蒙皮的樹脂采用來自美國Alpharetta樹脂公司的單組分環氧樹脂體係。樹脂將通過“多個”注射點輸送到幹增強材料中,這些注射點經過精確選擇,最大程度地提高注射速度和浸潤性。注射設備由英國複合材料融合公司(Composite Integration Ltd.)提供。

3、下一代擾流板項目

由空客公司和斯普利特航空係統公司共同牽頭的另一項先進材料與工藝項目,更具有直接實用價值,也著眼了未來航空部件的生產製造。兩家企業合作致力於開發用於製造A320擾流板高度自動化的RTM生產線。在A320中,複合材料擾流板是手工製造而成的,每個機翼上各有5片。空客公司希望提高生產能力和產品質量,隨即與斯普利特公司合作,共同開發了目前斯普利特公司在其Prestwick工廠生產新型擾流板。

每個擾流板長約1.8米,寬約0.7米。其前端厚度約為50毫米,後緣的錐度麵長度約為5毫米。每個擾流板在其前緣的中間還具有一個200x100毫米的金屬支架,A 320 杆端的機械作動器連接到該金屬支架上。此外,在每個擾流板前緣的拐角處,還有較小的金屬固定點。

斯普利特公司的RTM生產線包括在6台德國Schmidt&Heinzmann切割平台上對來自日本帝人公司和美國赫氏公司提供的碳纖維織物進行自動切割和拚裝,並在法國Pinette Emidecau工業公司提供的預成型機上進行預成型,將預成型件手動載入RTM模具中,然後在比利時Coexpair公司提供的7台RTM模壓機中的一台上,對赫氏提供的RTM 6環氧樹脂進行模製。每台模壓機旁邊的樹脂泵係統,也由Coexpair提供。

當生產線開啟全速生產時,這條生產線能夠以前所未有的速度、質量和優質的產品一致性生產擾流板。這一效率在航空複合材料製造過程中也是前所未有。按照原計劃每月生產65架空客 A320 係列的速度(包括空客公司的新型A321 XLR),斯普利特公司的生產線每年將生產近6500個擾流板。假如按照每月100架飛機製造完成的理論速度計算,擾流板的製造效率將飆升至10000件 / 月。空客公司表示,與傳統工藝的擾流板相比,斯普利特設計製造的全新A320擾流板在保持重量不變的情況下,將成本降低了30%。

三、氫能越來越受到航空應用的關注

燃燒氫能驅動的商用飛機,發展前景在2020年突然變得十分“迫切”。2020年6月,法國政府出台的總價值170億美元的新冠疫情救助計劃,與歐洲潔淨天空2發布的“氫動力航空”研究報告的總目標掛鉤。法國航空公司也表示,到2024年,將致力於將法國境內航班的CO2排放量減少為目前的一半。7月,空客公司首席執行官Guillaume Faury在接受《航空周刊》的采訪時確認,首架“零碳”飛機EIS將在2035年問世。根據它的預計,該項目將於2027-2028年正式啟動,2025年前將使必要的技術快速成熟。

2020年9月,空客公司宣布啟動其ZEROe計劃,該計劃包括三種飛機概念,均由氫驅動。不過,氫作為主要燃料的可行性,極大程度上取決於新興的各類運輸、傳送及存儲技術的迅速發展。將這類技術完全實現商業化並非易事,目前工程人員已經進行了各種嚐試。如果以氫能源為動力的航空飛行真正實現,那麽它最可能首先在支線飛機中實現。之後是單通道飛機,如A220和A320等。最晚實現氫動力飛行的飛機將會是以A350為代表的遠程寬體機型。

複合材料在儲氫係統中使用的最大挑戰之一是貯存液態氫燃料時需要麵對的極低溫要求,空客公司稱這是其在ZEROe計劃要解決的首要問題。另一大挑戰是在飛機飛行過程中,隨著飛機高度的升高和降低,外部環境壓力發生變化,對儲氫容器的壓力也發生了潛在變化。因此,若要在2035年前使氫動力飛行成為現實,都必須消除以上述兩大挑戰為代表的重大技術障礙。

四、熱固性與熱塑性複合材料展開競爭

複合材料通常被認為是金屬材料的競爭者,但在航空航天領域,複合材料也會與自身展開競爭。其中最典型的一個例子就是熱固性複合材料與熱塑性複合材料。熱固性複合材料已經證明了其在航空航天領域中具有廣泛可靠的成功應用經驗;而熱塑性複合材料,盡管在工業界十分常見,但在大型航空一級結構件中的應用曆程並不長。近年來的一些研究對兩種材料及其相關工藝進行了詳細的對比。

在德國奧格斯堡,德國航空航天中心(DLR)結構與設計研究所下設的輕質產品技術中心(ZLP),對比了雙通道空客A350液態模製的熱固性後壓力隔板(RPB)與單通道A320的熱塑性後壓力隔板。兩個項目均與一級結構供應商德國PAG公司(Premium Aerotec Group)合作,並在評估生產周期與製造成本的同時,還驗證了其自動化生產製造能力。

兩個項目的最終成果尚未出爐,但卻非常具有應用前景。熱固性樹脂灌注工藝在降低成本方麵顯示出了巨大潛力,不過這種潛力需要一定程度上部署自動化生產製造能力以承擔先期成本,才能夠兌現。熱塑性複合材料的製造工藝使結構重量從41千克減少到35千克,工藝和裝配時間減少了75%,部件總成本減少了10%以上,不過該技術需要進一步成熟才會被更多的應用到大型航空結構部件生產中。

五、城市空中交通(UAM)成為全新戰場

城市空運交通(UAM)目前正處於起步階段,不過這一領域對於航空複合材料行業而言可能極其重要。按照目前的發展趨勢,城市空運交通正在迅速崛起,成為複合材料製造業中自動化和工業化的重要驅動力。UAM飛行器一般指準乘2-6人的小型的旋翼飛行器或固定翼飛機,由電池驅動,能夠垂直起降,可人力駕駛,也可自動駕駛。UAM飛行器一般被設計作為城際間的空中貨運交通工具,此外也可成為一種全新的客運交通工具,提供空中出租車服務。

如今已經有超過100家公司正專注於開發用於空中出租車或空中貨運服務的UAM飛行器,但是隻有少數公司獲得了充足的資金生產原型機或演示驗證機。幾個典型的公司分別是:美國Beta科技(BetaTechnologies),中國億航(EHang),美國Joby航空(Joby Aviation),德國Lilium,斯洛文尼亞Pipistrel,德國Volocopter和美國威斯克(Wisk)。上述廠商都在其工藝中廣泛使用了複合材料,但是鑒於每家廠商都還仍處於原型機製造階段,因此製造工藝主要還是傳統的手工鋪放成型。不過隨著產品的迭代發展和技術的進步,自動化的生產方式終將應用其中。

六、超聲速飛行取得進展

2020年,有兩家公司正在開發全新的超聲速客機的公司備受矚目。其一是美國Boom Supersonic公司,另一家是美國Aerion公司。2020年10月7日,Boom推出了XB-1超聲速飛機,這是其主打產品“序幕”(Overture)超音速噴氣機的三分之一縮比演示驗證機。大量使用複合材料的XB-1將展示和驗證“序幕”的多項關鍵技術。Aerion則正在開發AS2公務機。該機可容納8-10名乘客,其超聲速巡航速度為1.4馬赫。該機有望實現4小時內從紐約飛抵倫敦,在短短7個小時內實現從倫敦飛往北京。2020年7月,Aerion與斯普利特航空係統公司簽署了一項備忘錄協議,擴大斯普利特公司在AS2項目研發中的作用,包括前機身等部件的生產等。作為協議的一部分,斯普利特公司承諾對AS2進行更多的投資,並增加了用於AS2複合材料前機身設計的工程資源。




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