空中客车公司致力于改善未来飞机复合材料的生命周期

可持续性和新飞机开发 “'我们开创可持续航空航天，创造一个团结的世界'，”这是空客的使命宣言，空客 Illescas 生产工厂负责人 Mónica Álvarez 解释道。“我们希望引领一个变革的生态系统，使航空业脱碳。”

“A350 是复合材料部件生产的新步骤，”她继续说道，“由减轻重量和减少燃料消耗驱动。我们还通过最新一代的 A320 系列飞机为这一旅程做出了贡献。但为了未来的收益，我们需要新材料和更高生产率的工业系统，以使我们能够快速增长并为我们的脱碳目标做出贡献。

体飞机和 ZEROe 短程氢燃料电动飞机的新替代品，计划于 2035 年飞行。”空客在其 2023 年年度报告中确实指出，它将就其下一代单通道飞机和首架氢动力客机的架构做出关键决策。“我们预计两者都会有大量的复合材料，”Álvarez 说。因此，增加新复合结构的能力是关键。例如，到 2027 年，目前的 A320/A321 窄体飞机系列的产量将增加到每月 75 架飞机。

复合材料的未来取决于循环性 “让我们的飞机更轻是关键，”空客公司材料快速通道负责人 Blanka Szost-Ouk 说。“我是空客公司的六位快速通道领导者之一，他们正在制定关键技术路线图，材料就是其中之一。”其他领域是电气化、自动驾驶、连接性、工业和人工智能。“复合材料是我们可以使用的最轻的材料之一，但它们的端到端循环性需要提高。”

作为空客多功能复合材料专家，Tamara Blanco 对此表示赞同。她的工作范围现在包括可持续性作为复合材料的关键功能。“我们正在关注业务需求，”Blanco 说。“复合材料是未来飞机的首选材料，因为它们比铝更轻，这是满足降低燃料消耗和 CO 要求的关键2排放。然而，为了确保复合材料是未来选择的材料，我们需要为生命周期中复合材料对环境影响较大的其他领域 [即服役使用除外] 开发解决方案，例如材料生产、废物管理和使用寿命终止 [EOL]。我非常专注于为这些领域的复合材料开发最佳解决方案。

“我们正在研究由减少排放源制成的树脂和纤维，”Szost-Ouk 说。“但我们在 Illescas 也有非常有趣的项目，我们赋予复合材料第二次生命——在这个特殊情况下，碳纤维增强热固性预浸料——第二次生命。我们再利用通常会被浪费的未固化材料，并用这些材料制造另一个部件，例如 A350 下翼盖上纵梁的填充物。 空中客车公司正在将预浸带回收用于 A350 机翼盖 T 型纵梁的填充物/面条，类似于此处显示的，但使用挤出而不是 3D 机织纺织品。来源 |CW 新闻， 3D Noodles International AB

“当我们关注材料时，循环经济对我们来说尤其重要，对于复合材料来说更是如此，”Blanco 说。在 CW 参观空客伊莱斯卡斯期间，她指出了一个成型单元，其中预浸料带卷的剩余端被放入挤出机中，将它们转化为 A350 机翼盖 T 型纵梁的三角形填料/面条。

“我们必须实现生产废料的可回收性，以及 EOL 零件的可回收性，”她继续说道。“在这里，我们 Illescas 工厂与一家大型土木工程公司 Comsa 合作，以机械方式回收固化的复合废料，用作混凝土材料的加固材料。 该领域的另一项举措是 Clean Sky 2 项目 HELACS（飞机复合材料结构报废经济高效和可持续管理的整体流程），该项目于 2021 年 1 月至 2023 年 12 月进行。空中客车公司担任由 Aitiip 技术中心（西班牙萨拉戈萨）牵头的财团的主题管理者，财团成员包括特鲁埃尔机场（西班牙特鲁埃尔）、Centexbel 研究中心（比利时根特）和英国科斯利的碳纤维回收公司 Gen 2 Carbon。该项目展示了拆卸和回收碳纤维复合材料飞机部件的工业和环境安全方法。拆卸技术包括水射流切割和自主机器人系统，而组件的回收主要基于热解来回收碳纤维并生产新材料。

多功能性、导电性和导热性 Blanco 说，复合材料的多功能性仍然是空客的一个关键趋势。“从 A350 的金属机身到复合材料机身，我们必须实施不同的解决方案来处理雷击保护 [LSP]，”她解释说。因此，某些复合材料组件不仅提供了轻质结构，而且还作为 LSP 系统的一部分被设计为具有导电性。“现在，我们正在努力基于新材料、设计和不同技术为下一代飞机开发增强型轻量化解决方案。”

“多功能性对于下一代飞机来说更为重要，因为它们的电动化程度更高，”Blanco 继续说道。“这符合航空实现净零 CO 的雄心2到 2050 年由 IATA、ATAG 和 ICAO 设定的排放量。她解释说，空客已经定义了一个能源路线图，该路线图利用了空客众多活动和产品之间的协同作用。“它包括正在同时研究的三个主要趋势：SAF [可持续航空燃料]、模块化混合动力电动飞机和 ZEROe 飞机的增量开发和采用，这些飞机主要基于使用液氢进行推进。我们集团致力于支持这一路线图，以尽可能地将所需的功能与复合材料所能提供的轻质特性相结合。

“我们优先考虑复合材料的两种功能：导电性和导热性，”Blanco 说，“这对下一代飞机来说更为重要。她解释说，这些功能是 LSP 和其他电气功能防止电磁危害的关键。“此外，我们正在努力寻找更多机会使用多功能复合材料，例如，用于未来飞机的防冰。”

Blanco 说，另一个优先事项是提高复合材料的导热性。“这对我们未来的产品来说越来越重要，我们正在研究其他燃料系统，例如需要热管理的氢气。”她不仅指的是低温液氢的潜在用途，还提到了燃料电池的大热输出。“这就是为什么轻质复合材料中的这些类型的功能是关键，我们正在为未来的产品研究它们。”

“我还想说，如果你想想飞机，每个人都希望有更多的联系，”Szost-Ouk 指出。“因此，对于未来的飞机，我们将需要大量的电力和电缆来支持数据驱动的系统，当它们推动越来越多的电力通过时，它们会产生热量。因此，导热性问题还包括整个飞机的一般热管理。

“尽管多功能性可以成为未来电动 和低碳排放飞机的推动因素，但从一开始就将新材料解决方案与减重联系起来非常重要，”Szost-Ouk 说。“它们总是需要比目前使用的更轻。我们研究过的一些设计是可持续的，但它们并没有更轻，我们不能使用这些设计，因为这会增加我们客户运营飞机的每次飞行成本。所以，我们必须始终保持这种平衡。

“不仅重量轻，而且具有循环性，”Blanco 补充道。“包括多功能复合材料在内的新材料需要在端到端生命周期（从原材料生产到 EOL 策略）方面符合我们的主要目标。”

复合可持续性和数字化 “寻找平衡的循环材料解决方案与数字化越来越紧密地联系在一起，”Szost-Ouk 说。“例如，复合材料行业正在追求更高的材料数字化，这涉及以数字格式收集和处理数据，以实现更高效的存储、访问、连续性和分析。这使得我们能够以主动、可预测的方式使用信息，从而在从创新阶段到 EOL 的整个生命周期内改进我们的产品。

她解释说，材料可持续性是空客业务交叉并与数字化相关的几个横向路线图之一。“我看到了可持续性/循环性和数字化之间的密切联系，”Szost-Ouk 说。“事实上，我无法想象没有数字化的循环性。例如，数据连续性是我们跟踪零件材料历史的关键。我们还在开发数字解决方案，这将使我们能够更快地进行创新。

碳纤维生产商东丽（日本东京）已在其名古屋研究中心和用于飞机应用的新型阻燃预浸料中宣布了这种方法。东丽正在使用材料信息学来缩短此类新材料的交付时间，并表示将把这种方法应用于飞机和其他行业的新预浸料的导热性和导电性。聚合物供应商 SABIC（沙特阿拉伯利雅得）也在使用这种方法，通过使用 Schrödinger 基于物理的计算平台，在几个月而不是几年内开发新产品。（参见 “快速跟踪下一代聚合物”）。

Blanco 说，空中客车公司正在采取类似的举措。“对于未来，在这些发展领域中，数字化都是关键的推动因素。我们正在通过公司推动数字化，不仅仅是为了实现循环，而且是为了比过去更快地找到答案。

推进可持续复合材料 TRL 空中客车公司如何评估这些新的复合材料解决方案？“在机身研发中，我们遵循航空业使用的典型 TRL [技术就绪水平] 流程，逐步展示技术的成熟度，”Blanco 说。“我们通常从 TRL 2 或 3 开始，但当我们确实有较低的 TRL 解决方案时，我们就会依靠科学和外部社区来证明我们的可行性和应用。我们定义明确的标准或绩效指标，并衡量技术的演变与这些指标的对比。 “现在，”她继续说道，“我们从一开始就有严格的循环标准。我们甚至在 TRL 3 之前就考虑到了这些。我们进行生命周期评估 [LCA] 或环境评估，以确保我们将开发符合我们的可持续发展承诺和目标的产品。

Szost-Ouk 说，这些不仅包括广义上的可持续性，还包括健康和安全。“在树脂方面，我们正在监测并预测未来可能符合欧盟法规的一些物质合规性要求。我们根本不从对这些领域有任何担忧的材料开始。这必须从一开始就清除。

Blanco 说，之后，根据既定标准衡量开发，包括循环性和功能性。“复合材料在成本方面也需要更具竞争力，”她强调说。“我们正在努力解决这个问题，以确保未来的飞机选择复合材料，因为它们在轻量化方面是必需的。”

Szost-Ouk 说，可回收性也越来越重要。“我们不仅评估我们将开发的技术的生命周期评估，而且还有具体的项目来开发更多的循环复合材料解决方案，包括回收和 EOL 解决方案以及生物来源复合材料。我们在这方面投入了大量精力，我在这个领域有具体的项目。

生物复合材料的鉴定 生物基复合材料的历史问题是，它们没有提供飞机目前所需的高性能。这只是一个长期发展的问题吗？“我们绝对不会在轻量化方面妥协，因为对环境的弊端会更大，”Szost-Ouk 说。“显然，我们有规格，我们开发的任何材料都必须满足这些要求。我相信有一种方法可以找到生物来源的替代品，这可能比目前的石油基材料对环境的影响更小，但我们仍然必须通过相同的认证路径。在这里，使用 AI 和/或量子计算的计算工具将成为垫脚石。 Blanco 举了一个例子。“我们将在直升机上测试生物基碳纤维，作为替代当前碳纤维复合材料的直接解决方案。这种材料来自木材废料，我们的目标是具有相同的性能，但 CO 要低得多2碳纤维生产中的排放，因为它来自生物来源，而不是当前基于石化的 PAN 前体。这种光纤现在已经在我们的直升机飞行实验室中飞行。因此，我们正在证明我们可以从生物来源获得树脂和纤维，首先关注纤维，并证明与当前材料相同的性能。

“如果我们考虑生物基材料，例如来自蓖麻植物的 PA11，与石化基聚合物相比，其性能要弱一些，”Szost-Ouk 说。“所以，我们将不得不开发替代方案。但我认为这些类型的解决方案可以借助数字技术来提供帮助，这将加快我们在未来几年内寻找解决方案的能力。我们 Airbus 在这一领域非常活跃，不仅从事实验工作，还使用最新的创新技术支持计算。

作为供应链向前发展 随着实现这些可持续发展目标的努力加大，Szost-Ouk 还指出，空客是最终用户，“因此我们非常依赖材料供应商。我们需要与他们更紧密地合作，他们必须对所有这些聚合物和材料配方更加开放，因为他们实际上是必须改变当前化学成分的。她补充说，空客确实在整个供应链中推动这种合作。“即使在采购方面，我们也在努力支持和指导我们的复合材料供应商，如果他们能够向我们展示材料的可追溯性和循环性，我们会更加重视优先考虑。为了找到航空业需要的解决方案，我们需要共同努力。

“我们必须降低零件生产过程中的碳足迹，以及树脂和碳纤维的碳足迹，”Blanco 说。“这是一个巨大的挑战，但对于降低 LCA 中的这些影响、在未来飞机中增加复合材料的使用并实现空客的脱碳雄心是必要的。”