下一代单通道：对复合材料行业的影响

在 2007 年接受《设计新闻》采访时，时任波音 787 项目技术集成总监的 Alan Miller 博士评论了航空航天业在采用复合材料方面面临的挑战。“在梦想客机之前，我们没有收到过大量申请。复合材料行业以前从未遇到过这种情况。那是我们必须攀登的一座山。

波音787是商用飞机复合材料用途的重大变革。飞机结构设计约为50%的复合材料，超过了当时的任何其他大型商用飞机。因此，787的生产需要在碳纤维和零件制造能力方面进行大量投资。它还为777X、A350和A220等新项目的广泛采用铺平了道路。

尽管复合材料被广泛采用，但业内生产最广泛的两架飞机，空客A320和波音737系列，包含的复合材料相对较少。波音737 MAX是波音737的最新版本，于1968年首次投入使用，其航空结构中仅包含约10%的复合材料。A320 含有约 15%。这些飞机合计占全球可用座位里程的近 60%。对于航空航天和复合材料行业来说，将更多的复合材料纳入其设计中仍然是一个巨大的机会，但与当今的双通道项目（如787或A350）或较小的A220单通道项目（包含46%的复合材料）相比，也是一个相当大的挑战。

在Counterpoint Market Intelligence（英国剑桥郡），我们相信波音和空客的下一个新飞机项目将是单通道飞机。几乎可以肯定的是，这些程序将比当前一代具有更多的复合材料。虽然双通道飞机通常以每月 5-15 架的速度生产，但新的单通道设计将需要能够达到每月 100 架飞机的流程。这种转变有可能成为航空航天和复合材料行业的又一次重大变革——所有这些都对飞机的设计、引入时机和所需技术产生影响。复合材料行业似乎还有另一座山要爬。

设计：物有所值 许多关于复合材料与金属材料的对话都集中在减轻重量上;轻量化特性被视为飞机节省燃料的主要驱动力。然而，复合材料的真正好处更加微妙。复合材料通常可以实现更大的设计自由度和空气动力学优势，这比单独减轻重量要快。

图 1 展示了一架蓝色的 767-300，这是一种主要金属设计，于 1980 年代投入使用。灰色覆盖的是一架787-8，其长度和座位容量大致相似。值得注意的是，787机翼的延伸时间明显长于旧的767设计。如果我们检查机翼的横截面厚度，我们会发现 787 平均薄约 10%。更长、更薄的机翼减少了飞机的阻力，从而实现了更高效的空气动力学设计。

复合材料通过其强度、刚度和轻质特性的结合来实现这种设计。结合改进的发动机，这种设计为787提供了更低的每座位公里燃油消耗。事实上，787 的空重（不包括发动机）比 767 重 30%。然而，尽管重量很大，但由于其更高效的几何形状，它仍然可以节省大量燃料，续航里程几乎是两倍。

777X的复合机翼采用了类似的策略，将机翼跨度从777-300ER的64.8米延长到777-9的71.8米。根据波音公司的说法，这导致燃油消耗减少了约10%。更长的机翼非常有效，以至于该设计可以证明折叠翼尖是合理的，以确保飞机与现有 777 飞机保持相同的机场代码，并可以进入现有的机场登机口。

一些高级计算可以深入了解这些程序的权衡（图 2）。如果我们考虑一架空客A321neo，由于复合材料，它的机翼重量降低了20%，但几何形状与当前设计相同，我们的计算估计，典型任务的燃油消耗量减少了1.5-2%。相反，假设我们用全复合材料设计替换机翼，该设计重量与金属机翼相同，但具有更长的跨度和更薄的横截面。如果这样的机翼将平均巡航升阻比从18提高到19，我们估计这相当于燃料消耗减少5-7%，尽管没有减轻重量。这些空气动力学改进比减轻重量的影响更大，但它们只能通过转向复合材料来实现。

因此，我们Counterpoint认为，下一代单通道飞机几乎肯定会采用复合材料机翼。潜在的燃料节省量太大，无法考虑金属结构。 然而，对于机身来说，权衡并不那么明确。机身本身没有像机翼那样的空气动力学优势。复合材料在机身壁相对较厚的宽体飞机上往往具有更大的优势。窄体飞机更频繁的起飞和着陆周期通常需要额外的材料，这降低了改用复合材料的好处。我们估计，使用复合材料将机身重量减轻20%，油耗将降低1.5%。在气候变化的影响下，节省的每一滴燃料都很重要。但是在机身中使用复合材料在成本和可制造性方面还有其他缺点。原始设备制造商是否选择复合材料机身可能归结为两个相互关联的因素：时机和技术。

时机：当明天成为今天 也许下一代单通道最大的未知数是它的到货日期。波音737 MAX项目于2017年投入使用。空中客车公司的A320neo自2016年以来一直在服役，A321XLR变体预计将于今年晚些时候交付。

A321neo（以及LR和XLR变体）多年来一直是波音公司的一个问题。该飞机满足了许多航空公司在航程、容量和经济性方面的关键需求。尽管波音公司试图使用MAX进行竞争，但空客机型在航程方面表现出色。截至 2024 年 3 月底，空客积压了 7,177 架 A320 系列飞机，其中 4,947 架是 A321。相比之下，整个波音737系列积压了4,828架飞机。

在大流行之前，波音公司应对空客挑战的解决方案是“新型中型飞机”（NMA），有时被称为中端市场飞机或797。据了解，这架飞机是一架小型双通道飞机，但在大流行和 737 MAX 的挑战之后，该计划最终被搁置。对于波音公司来说，新的单通道提供了一个机会，可以更好地与空客的产品竞争，尤其是A321XLR。由于 737 基于源自 1960 年代的设计，因此即使与最新型号相比，干净的方法也可以提供显着的改进。

然而，在 2022 年 11 月，波音首席执行官大卫·卡尔霍恩 （David Calhoun） 表示，他预计要到 2030 年代中期才会推出新计划，并表示“我认为我们甚至不会在这十年内完成绘图板。对于 2035 年投入使用，业界预计在 2028 年左右会宣布新的计划，距离下一个计划开始还有大约四年的时间。

此外，今年 3 月，卡尔霍恩宣布他将于 2024 年底与董事会主席一起卸任。虽然不能保证战略的转变，但波音公司有可能重新评估其产品决策，并将新飞机的计划提前几年。尽管波音公司可能没有立即制定新计划，但我们知道研发计划将继续确保公司做好准备。

对于空中客车公司来说，行业评论传统上认为，空中客车公司可能会等待波音公司宣布决定，然后再宣布自己的决定。然而，最近，我们认为空客的决定与波音公司越来越脱钩，它可能会推进自己的议程。例如，该公司已经投资了近十年的明日之翼（WOT）计划。这些发展可能会转化为重新设计的A320neo系列飞机，我们认为这可能是对波音公司任何新的单通道计划的回应。

航空航天供应基地似乎渴望下一代飞机。该行业本身多年来一直面临低盈利能力的问题，新计划为差异化和增长创造了机会。除了经济因素之外，许多供应商的工程人才利用不足，而一项新计划可以帮助重振其劳动力。

技术：扩大规模 在 2019 年的巅峰时期，波音 787 的产量达到每月 14 架。空中客车公司计划在2028年将A350费率提高12个月。然而，对于A320系列，费率要高得多。空中客车公司宣布计划到2026年将A320neo系列飞机的产量提高到每月75架。

如此高的生产率给复合材料带来了许多挑战。787 航空结构使用碳纤维预浸料的自动胶带铺层 （ATL） 制成，这需要高压灭菌器。例如，787 中心翼箱的固化时间为 8-9 小时。在非常高的生产率下，这些零件将需要非常大的高压灭菌器资本支出，以及支持大量在制品的工厂空间。

存在高压灭菌器外 （OOA） 解决方案，这构成了 WOT 和类似程序背后的大部分研究。然而，这架飞机的规模和生产速度很少有例子。A220比A320小，采用全复合材料机翼，依靠树脂灌注。尽管该计划的初衷是在没有高压灭菌器的情况下生产机翼，但由于输液过程的缺陷，最终固化仍然需要高压灭菌器。我们预计，为了经济地生产这些飞机，机翼需要OOA工艺。

对于机身，技术开发仍然活跃。作为“清洁天空2/清洁航空”的一部分，欧盟目前拥有多功能机身演示器（MFFD）计划，该计划展示了几种新型热塑性复合材料技术。HondaJet HA-380 Echelon 也采用了复合材料机身，目标是在 2028 年获得认证，使飞机能够在更高的高度飞行并燃烧更少的燃料。值得注意的是，这种设计采用热塑性塑料，Spirit AeroSystems 和 GKN Aerospace 帮助开创了用于该飞机的许多工艺。如果从质量和生产经济的角度来看，该计划被证明是成功的，这将进一步增强人们对使用热塑性复合材料航空结构的信心。

空中客车公司和波音公司越是推动这些新项目，我们就越有可能将热塑性复合材料（包括机身）纳入这架飞机的设计中。如果波音公司宣布在2030年代上半叶推出一架飞机的计划，我们相信它很可能会有一个复合材料机翼和铝制机身。或者，如果这种情况发生在下一个十年末，它更有可能采用复合材料机身和热塑性技术。 对于复合材料行业来说，两个大规模的单通道项目可能具有重大影响（图3）。假设两个完全加速的复合机翼单通道项目每月交付 100 架飞机（或总共 200 架），我们估计每年对碳纤维的需求超过 10,000 公吨。包括机身在内，这一数字上升到13,000公吨以上。这占当前航空航天碳纤维需求量的 90% 以上，占所有细分市场每年消耗的 130,000+ 公吨碳纤维的近 10%。然而，碳纤维增加的美元价值将远高于10%，因为航空航天消耗的碳纤维在碳纤维行业总价值中所占比例要高得多。

然而，为了给航空航天业带来规模感，我们最乐观的城市空中交通 （UAM） 预测为每年 10,000 辆，预计整个行业只需要 4,000 公吨碳纤维。因此，虽然UAM被大肆宣传为航空航天复合材料的下一个前沿领域，但我们的分析表明，下一个单通道计划将对复合材料行业产生更大的影响。

除了满足材料生产要求外，该行业面临的最大挑战将是以可行的成本实现复合材料零件的质量和一致的生产率。尽管自动化技术取得了进步，但当今的大部分航空结构活动仍然是劳动密集型的。复合材料尤其需要熟练的劳动力。为了应对这些飞机带来的速率挑战，航空航天复合材料技术必须从工艺行业发展到以更自动化和高速率工艺为主导的行业。

在下一代机身中实现复合材料的采用需要新技术、先进的供应链和原始设备制造商的领导。航空航天复合材料的下一座山峰不仅仅是一个爬坡，它是一个重新定义航空航天和复合材料生产技术边界的机会。