每年12月，Composites World杂志均会撰写系列文章介绍当年复合材料在不同应用领域如航空航天、体育休闲、压力容器、可再生能源等的应用最新进展情况，并对新一年的发展进行展望。本文概述了2022年复合材料在航空工业（包括近年来火热的空中出租车）领域的市场分析。
随着全球新冠肺炎疫情的日趋缓和，全球航空客运业在2022年开始复苏，预计2023年全年将加速复苏，从而使商业航空旅游业接近2019年以来的最高水平。而这一复苏也势必将增加美国波音、欧洲空客以及整个航空供应链的生产压力。
根据美国航空航天咨询公司Teneo 的说法，2022年新冠疫情的政策缓和有助于促进美国客运航空旅行的广泛复苏。在英国，相关政策实施的时间更长，使得航空旅行的复苏滞后，但也遵循类似的模式。此外，Teneo预测，到2023年底，全球大多数航空旅行水平将比2019年疫情前低几个百分点（见下图）。
Teneo对2023年以美国为中心的客运航空旅行的预测
正如2020年疫情流行开始时所预测的那样，全球国内航空旅行的恢复速度快于国际航空旅行，但2023年国际旅行将恢复到接近疫情前的水平。国际航空旅行的回归预示着宽体飞机的使用将增加，包括复合材料密集型空客A350和波音787，当新冠疫情来袭时，这两种飞机的生产速度都急剧下降。
2022年9月，空客公司宣布，由于预计需求将持续增长，空客已开始逐步提高飞机制造率。具体而言，空客表示其计划在2022年交付近700架飞机，尽管截至2022年9月，该公司年内交付总量仅为437架。按照其生产速度，空客有望在2022年内交付近600架飞机，尽管该公司表示将在今年余下时间增加产量以实现目标。
无论情况如何，到2025年，空客公司计划将产量提高到每年近1000架，这意味着每月产量约有80架。这样的速度不仅给空客公司带来了压力，也给该公司的供应链带来了压力，包括航空领域用复合材料的供应链。
空客A321XLR 是空客 A321neo 系列的最新和最长的迭代。这架单通道飞机专为长途水上航线设计，深受客户欢迎，订购量超过 500 架。A321XLR 预计将于 2024 年投入使用。图片来源：空客
波音在市场上的地位要弱于空客，这家总部位于西雅图的飞机制造商在去年花了大量时间让其737 MAX和787供应链的运转，自2021年以来，后者的交付已经暂停，等待美国联邦航空管理局（FAA）对制造异常情况进行评估，其中涉及一些复合材料机身部分的制造。据悉，波音公司已经解决了异常情况，并于2022年9月恢复787交付。
2022年9月，波音公司交付了51架飞机，截至9月，2022年内共交付328架飞机。按照这个速度，波音有望在2022年底前交付437架飞机，这比空客的目标数量少得多，但对于一家在过去三年中一直受到安全和制造挑战困扰的公司来说，这是一个巨大的进步。
随着A350和787的生产开始恢复正常，整个航空工业尤其是复合材料行业面临的问题是，下一个大型飞机项目将于何时宣布？
空客暂无新的计划，目前它的飞机涵盖了所有飞机类别，几乎没有战略弱点。波音公司则相对较弱，因为它没有一架远程单通道飞机来取代757并与空客A321XLR竞争。这一弱势再加上737的架构限制（不容易扩展），预示着波音可能会在相对较短的时间内宣布一项新的远程单通道计划。
但是，开发一款新飞机需要资金高昂（150亿至200亿美元），且波音在737 MAX坠毁和787交付暂停后仍在重建资金上面临挑战。虽然面临财务和其他方面的挑战，但很明显，波音公司需要开发一款新飞机来填补其757曾经占据的投资组合中的产品空白。其直接竞争产品为空客A321XLR，这款单通道飞机最多可容纳200名乘客，航程8700公里，是业内航程最长的窄体客机。A321XLR也有500多架订单，预计将于2024年投入使用。
两架美国航空波音787飞机，787飞机在2021大多数时间和2022年部分时间暂停交付，而该公司和联邦航空局解决了一些与复合材料相关的制造异常问题；幸运的是，这一时间恰逢新冠疫情导致国际航空旅行大幅放缓，目前飞机的交付已经恢复。
过去几年，波音公司在市场上非正式地推出了一些概念飞机，测试了人们对各种配置和尺寸的兴趣，其中包括新型中型飞机（NMA），这是一种比787更小的复合材料密集型双通道飞机。尽管NMA在早期设计阶段之后尚未成熟，但从各方面来看，波音公司仍在评估清洁飞机的新设计方案。这款飞机何时公布一直是大家猜测的主题，但在2023年底之前似乎不太可能。
与此同时，航空复合材料供应链上的制造商正在热切地对自己进行重新定位，以满足接下来宣布的任何飞机项目的需求。即使航空工业对下一款飞机项目的尺寸和规格尚不确定，但人们对材料和工艺（materials and process，M&P）的期望已有很多了解。
随着航空工业从宽体结构转向窄体结构，人们普遍认为，无论波音或空客接下来开发什么样的飞机，都将面向一个月需求多达100架飞机的市场。此外，新飞机肯定会采用复合材料机翼，也甚至可能有复合材料机身。
每月生产100套复合材料一级航空结构将需要迄今为止在商业航空工业中从未见过的复合材料M&P组合。这种M&P趋势的主要推动力将远离高压釜所代表的瓶颈，转向液体工艺，如树脂传递模塑（RTM）、树脂注入、压缩成型和热塑性复合材料。M&P趋势还将有利于更多的自动化、改进的过程控制、更多的零件集成、更少的人工接触和更少的紧固件。
这种不采用高压釜工艺的挑战之一是，纤维/树脂组合正在考虑用于以前从未使用过的结构中。这种创新对复合材料行业是有益的，但它需要资格认证计划来证明这些材料在其预期应用中的可行性。这样的鉴定耗时且昂贵，但如果航空复合材料行业要满足下一代飞机制造的需求，这则是必要的。
因为可以预见到这些趋势，一级和二级航空复合材料制造商正在积极努力实现其业务的现代化，以满足飞机原始设备制造商的需求。在复合材料制造商开发的一些最新技术和应用中，可以看到这种对M&P地位的争夺。这项工作的示例如下：
用于高速率飞机制造的一体式一次性17米翼梁加工。空客公司明日之翼（Wing of Tomorrow，WOT）项目采用了几种新的复合材料M&P技术，旨在推进机翼制造并减轻重量。WOT中最大的结构之一是由英国GKN Aerospace公司通过RTM开发和制造的17米长的一体式碳纤维复合材料梁。这款C型梁的独特之处在于，对于单个RTM零件来说，它的尺寸非常大，并且它使用了日本Teijin公司的非卷曲织物（noncrimp fabric，NCF），GKN成功将其放置在工具上而不经切割。空客已经组装了第一架WOT演示机，并将进行测试以评估设计和材料的可行性。WOT中的技术是否以及如何应用到飞机上还有待观察。
用于GKN Aerospace 明日之翼（WOT）整体翼梁的日本帝人无卷曲织物
热塑性复合材料焊接技术为更可持续的机身带来了进步。由欧盟清洁航空计划运营的多功能机身演示器（Multi-Functional Fuselage Demonstrator，MFFD）项目正在评估热塑性复合材料在飞机机身结构中的潜在应用，主要包括蒙皮、桁条和框架。这项工作由英国GKN Aerospace（下半部分）、德国DLR（上半部分）和Fraunhofer（组装）完成。MFFD的目标之一是利用热塑性塑料的可焊性作为机身的组装技术，以减少机械紧固件的使用。MFFD正在评估几种焊接技术，测量焊接速度、焊接质量和其他变量。热塑性塑料是整体航空结构的一个有吸引力的方案选择，因为它们提供了高压釜外（OOA）加工能力，以及易于处理的材料和良好的韧性性能。
热塑性航空结构的焊接正在为下一代飞机项目进行评估，SAM|XL焊接技术使用带有吸盘的末端执行器和超声波焊极来放置桁条并对其点焊
美国威奇托州立大学（WSU）的国家航空研究所（ National Institute for Aviation Research，NIAR）下一代复合材料制造技术的中心，正在迅速发展。NIAR正在其ATLAS设施中聚集各种制造技术，为复合材料行业和WSU学生提供M&P开发的示范选项。ATLAS拥有Electroimpact（美国）自动纤维铺放系统（AFP）、Coriolis（法国）AFP设备、Mikrosam（马其顿）无工具纤维铺放系统、Cevotec（德国）自动贴片铺放系统（APP）、KraussMaffei（德国）注塑包覆成型系统、Engel（奥地利）注塑包覆成型系统、 ASC Process Systems（美国）高压釜和Solvay复合材料（美国）实验室。NIAR也是先进虚拟工程与测试（Advanced Virtual Engineering and Test，AVET）实验室的所在地，该实验室专注于虚拟数学建模技术的开发和验证，使航空航天制造商能够最大限度地减少从概念设计状态到分析认证的全尺寸物理测试。这里的目标是缩短材料测试和鉴定周期，以使新材料更快地进入航空结构。
自动纤维铺设(AFP)是一项应用于787和A350的复合材料技术，图为位于威奇托州立大学（WSU）国家航空研究所（NIAR）的电冲击AFP装备
2022年，CW还拜访了一级航空结构制造商Qarbon Aerospace，参观了位于美国佐治亚州Milledgeville和得克萨斯州Red Oak的工厂。Qarbon是转型中航空制造商的一个典型例子，主要由私募股权收购并重新命名的前Triumph工厂组成。该公司在航空航天和国防领域使用手工铺设、高压釜固化预浸料的传统项目方面拥有长期经验。它还开发了热塑性复合材料的专业知识，并创新了一些航空结构的焊接技术。
Qarbon Aerospace 获得专利的单向 (UD) 复合材料机器人感应焊接技术已升级到 TRL 5，适用于封闭箱体航空结构，例如机翼箱演示器。像 Qarbon 这样的公司正在扩大他们的热塑性复合材料制造能力。图片来源：Qarbon Aerospace
复合材料行业即将迎来的是先进的空中交通（ advanced air mobility，AAM）市场，该市场计划在主要城市及其周边地区提供空中出租车服务，帮助乘客绕过地面交通。AAM飞机几乎全部由载客3至6人、全电动、复合材料密集型eVTOL飞机组成，航程可达150公里。
如AAM现实指数所示，全球有数百家AAM飞机制造商，但只有少数几家有足够的资金支持投入使用。该市场的最早推动者计划于2022年和2023年投入服务（EIS），其他几家将于2024年和2025年投入服务。
关于这个市场将以多快的速度发展，以及它的最终规模可能有多大，人们众说纷纭。乐观者认为，到2030年，全球将有数千辆空中出租车投入运营。持怀疑态度的人认为，少数城市的少数供应商提供的服务有限，成熟期较长。
在AAM成为现实之前，有许多障碍需要克服。最大的障碍是管制/空中交通管制。美国联邦航空管理局（FAA）和欧洲联盟航空安全局（EASA）必须制定全新的标准和协议来管理AAM飞机将飞行的空域——其中大部分是 AAM 飞行器应避免坠毁的过度拥挤的城市地区。
第二个障碍是基础设施。空中出租车将在位于建筑物顶部、机场附近、区域机场和其他地点的垂直机场起降。这种基础设施不存在，必须由AAM制造商创建和维护。AAM基础设施也有一个现实指数。
用于AAM空中滑行起降的Volocopter VoloPort的效果图
最后一个障碍也是与复合材料行业最相关的障碍，与M&P有关。如果AAM市场达到乐观主义者所希望的成熟程度，市场对新飞机的需求每年可能超过10000架。这比商业航空领域的最高制造率高出数量级，代表了迄今为止世界上任何地方都没有见过的高性能复合材料制造工业化水平。
一些观察人士喜欢将这种复合材料制造的范式转变称为“汽车数量、航空航天质量”，尽管这听起来有点道理，但事实是AAM飞机将以汽车行业所不具备的方式成为复合材料密集型飞机，并且将需要制造汽车行业所未见的零部件。以螺旋桨叶片为例，每架AAM飞行器都有多个旋翼，需要大量生产航空质量的螺旋桨叶片——每年多达60000片。
由Beta Technologies开发的ALIA 250c AAM飞机具有四个用于起飞和着陆的倾斜旋翼，以及靠近后部的推进器旋翼；ALIA将首先作为运送捐赠器官的飞机投入服务，然后再进入空中出租车市场
同样考虑到AAM飞机的原型机和演示机主要是用手工铺设、航空合格的预浸料在高压釜中固化而成的。然而，第二代和第三代飞机将需要采用OOA M&P来满足更高的生产率和更高的质量。这意味着无需接触劳动力、强大的过程控制、液体成型、过程检查、快速固化和易于组装，目前世界上任何地方都没有这种规模。
这也引出了一个问题：谁将为AAM制造复合材料？这取决于制造模式。一些AAM制造商可能会与Spirit AeroSystems、GKN Aerospace和Daher等签订合同，但即使是他们也需要获得资金和技术来满足需求。另外，其他AAM制造商，如美国Joby Aviation也在自己进行复合材料制造，这也带来了类似的规模扩大和工业化挑战。
所有这些都忽略了碳纤维需求和供应的问题。AAM的快速成熟将给碳纤维供应链带来巨大的需求压力，该供应链已经在努力满足客户需求，商业航空、风能和氢存储的强劲增长有望使问题更加复杂。此外，碳纤维制造商不愿投入时间和资金来增加产能，除非对新生产线可能生产的纤维有明确的长期需求承诺。AAM能否提供如此明确的长期承诺，还有待观察。
来源：CompositesWorld、碳纤维及其复合材料技术
原文链接：https://www.compositesworld.com/articles/composites-end-markets-aerospace-2023
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原文始发于微信公众号（艾邦复合材料网）：2022年复合材料市场回顾及2023年市场展望：航空工业领域用复合材料
