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行业分析

制造民机都将用复合材料
来源:杨超凡  2020-12-22 10:44:49
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-10304.html       新冠病毒大流行是千年一遇的全球性灾难,以前所未有的灾难性方式抑制了商业航空旅行。从影响航空公司本身开始,逐渐延伸到大型飞机制造商和航空航天供应链的整个配套企业。波音、空客调低了现有机型的生产数量,推后了新机研发的进程。我国对疫情控制全球最好。疫情虽然对民用航空运输有些影响,但对正在试飞取证的 C919 影响不大,据报道有望明年取得适航认证。

       波音、空客 2021 年生产计划:

       波音 737 曾在 2019 年因波音 737 MAX 飞机两次坠毁而停止生产,在 2020 年 5 月以极低的速度重启 737 生产。波音公司表示在重新获得飞行认证后,希望到 2022 年将这一数字增加到每月制造31 架(疫情前每月 46 架)。

       波音 777/777X 飞机每月减少到 5 架。波音 767 飞机每月减少到 6 架。

       波音 787 飞机每月减少到 10 架(疫情前每月 14 架)。将于2021 年关闭在华盛顿州西雅图的 787-8/-9 总装配线,并将其整合到波音公司位于美国南卡罗来纳州北查尔斯顿 787-10 的总装配工厂。

       空客则将 A320 的产量从 2019 年的平均每月 53 架下降到每月40 架。

       空客 A330 每月两架。空客 A350 每月 6 架。

       波音、空客 2021 年新机研发状态

       在疫情前几年,波音公司的图纸上有一架名为 NMA(New Midsize Aircraft)的新中型飞机,它的客座数、航程在 737- 10MAX 和787-8 之间(200-270 座,航程 4000-5000 海里)。机身、机翼用复合材料制造。飞机客舱是双通道布局,货舱按单通道设计。波音公司宣称,它具有双通道的舒适性,又有单通道的经济性。

       由于两架 737-8MAX 机毁人亡的坠机事件和新冠疫情疯狂地肆虐,NMA 到现在也没有启动的信息。

       空客在 2019 年巴黎航展上推出一种可容纳 244 名乘客的远程(4700 海里)单通道飞机 A321XLR。预计将于 2023 年投入使用。 空客参与了由欧盟资助的“新 320”热塑复合材料机身的研发工作。2021 年底,完成直径 4 米、长度 8 米的机身筒体试验件。 空客组织的“新 320”机翼研发,采用干碳纤维、灌注环氧树脂基材、不用热压罐固化工艺。2021 年继续进行 17 米长的机翼试制工作。 “新 320”的投入使用的日期大约在 2030 年左右。

       民机的特点

       民机是一种特殊商品。它的用户是为数不多的,可数的航空公司。航空公司购买民机的原则是,安全、舒适、经济。而且是这三方面性能最好的民机。民机没有高档、中挡、低档之分。民机制造公司本着这个原则,采用先进的、经过验证的技术,精心制作制造出最优良的民机提供给航空公司。同时又和其他公司的同类型民机竞争有限的市场份额。

       民机的另一特点是,新民机研制费用越来越大。波音 787 项目启动后,研制费用总投入 230 亿美元(包括因新机交付延误、给首批用户和供应商的补赏)。787 机体制造采用大量外包模式。波音自己仅承担全机总装、垂直尾翼、机翼后缘的制造工作。其余部、组件,机身、机翼、尾翼、等全部由机体供应商制造。由于机体使用环氧树脂基碳纤维复合材料制造。这些承担部、组件制造的供应商,都要用巨额资金新建厂房(其中一部分是温、湿度有要求的清洁厂房)、购买价格高昂专用设备,如自动铺丝机、自动铺带机、巨型热压罐、自动 C 扫描仪、自动切割设备、自动钻孔、安装紧固件设备、制造复合材料结构件的工装、模具等。

       民机是最经典的定制产品。每架飞机按用户的需求,有不同的构型、不同的配置。一进入总装厂房,从尾翼上的标志就可看出是哪家用户的飞机。在以后的生产过程中,一些关键工序还得有用户代表签字认可。


 
       民机不同于其它商品,它需要经过国家适航部门适航认证,取得型号合格证(TC)、生产许可证(PC)和单机适航证(AC)。未取得这三证的飞机,不能进入市场。进入国际市场的民机,还需要取得美国 FAA 或(和)欧洲 EASA 的上述三证。

       民机的机遇与挑战

       目前,单通道、窄体、150 座级飞机有以下 4 种:空客 A320、波音 737、商飞 C919 和俄罗斯 MC-21。前两种进入市场,差不多已经有半个世纪。后两种正在取证试飞,都计划在明年取得适航认证。

       空客 A320、波音 737、是销路最好、最赚钱的铝合金飞机。由于资本追逐利润的本性,虽然两家公司早已将树脂基碳纤维复合材料,用于制造民机机体,推出了复合材料的 A350 和波音 787。但是,哪一家公司都不愿意,率先研发新机型来取代老飞机。直到 2014 年空客才制定了,用复合材料制造“新 320”以取代现在的铝合金 A320的方案。至今还未见波音取代铝合金 737 的计划。

       用树脂基碳纤维复合材料制造民机,是先进标志之一。2008 年,商飞和俄罗斯先后宣布,研发自己的单通道、窄体、150 座级飞机 C919和 MC-21。复合材料用量要占机体重量的 25-30%。其中主要是机翼用复合材料制造。另外,两种机型都选用目前最先进的大函道比发动机。复合材料机体加上先进发动机的飞机,毫无疑问与铝合金机体配老式发动机的老飞机 A320、B737 竞争,是有绝对的优势。

       C919 和 MC-21 在各自的研发进程中,对使用复合材料确采取了不同的决策。尽管俄罗斯一无民机使用的复合材料,二无制造复合材料机翼的技术。他们从美国氰特公司(现苏威公司)C919 购买复合材料,再由奥地利 FACC(2009 年中航西飞收购了该公司)试制原型机翼,坚持用复合材料制造 MC-21 的机翼。C919 却在项目进展不久,宣布机翼不用复合材料,退回到使用铝合金。

       2014 年空客率先在 A320 换上先进的大函道比发动机,推出A320neo。紧接着波音也推出换装上,先进的大函道比发动机的737MAX。这一来,C919 一开始对比空客 A320、波音 737 两大竞争优势,就不存在了。今日的 C919 机体技术构型,完全等同 A320neo 和737MAX。

       空客全复合材料的“新 320”投入使用大概在 2030 年。从明年C919 取得适航认证,到 2030 年还有 9 年时间。建议在这段时间换装复合材料部件,用先进的复合材料机体的 C919 不仅满足部分国内市场需求,同时还能进入世界民机市场分享一块蛋糕。

       展望双通道、宽体客机 929

       目前,双通道、宽体客机波音 787 和空客 A350,前者复合材料用量达到机体重量的 50%,后者达到 53%。波音 787 在 2011 年投入航线运营,3 年后空客 A350 也进入市场。新冠疫情前,波音有两条总装配线,三个子型号:787-8、787-9 和 787-10,每月生产 14 架飞机。空客一条总装配线,两个子型号:A350-900 和 A350-1000,每月交付 7-8 架飞机。将近 10 年的市场考验,这两款复合材料飞机,再配合使用多项先进技术,达到了安全、舒适、经济的要求,给社会带来诱人的福祉,同时也给两家公司带来可观的经济收益。波音公司原计划,787 投入市场后,10 年销售 1000 架飞机,收回 320 亿美元的研制费用。新冠疫情前的 2019 年波音 787 已经销售出 900 多架飞机。

       波音 787 和空客 A350 同是复合材料飞机,差别在两款飞机机身使用了不同的制造技术。波音 787 机身采用了当今最先进的整体筒制造技术。接着在后续的制造工作中,又使用了一系列先进制造技术。新材料、新工艺、新技术的应用,极大的改变了民机工程的现状。因此。它被西方誉为是民机工业的一次“革命”。整体筒技术在航天和其它工业部门也相继得到应用。

       空客 A350 机身段采用,4 块复合材料曲面板,铆钉连接、组合筒体。后续制造工作中,新技术应用不多。整个机身制造过程,零组件数量多,连接工作量大、紧固件数量多。这种复材曲面板组合工艺,在其它行业很少使用。

       通过上面简单对比,明显看出波音 787 复材技术、销售业绩优于空客 A350。

       2017 年 9 月中俄联合推出了,CR929 双通道、宽体客机设计方案。 中方承担的机身采用类似空客 A350,4 块复合材料曲面板,铆钉连接、组合筒体。按此设计,将来的机头大概会是下面图的样子。


空客A350几块板件准备铆接装配成机头
 
       显然机身的技术方案,先进程度远不如波音787。机翼设计、制造工作由俄方承担。他们提出就用单通道、窄体飞机MC-21的复合材料机翼技术。这种技术是否适合宽体客机机翼,并没有依据。

       商飞于 2018 年底已经完成了,直径6米、长度15米复合材料机身段筒体试验件。反观俄方至今仅做了飞机模型的风洞吹风试验。要花大价钱的复合材料机翼试验件,却未动工。2019 年初,美国制裁俄罗斯,限制美国和日本的复合材料向俄罗斯出口。这一狠招直接打击了 MC-21复合材料机翼的生产。买不到复合材料,他们也做不成CR929机翼试验件。从对项目真金白银实际投入来看,不得不怀疑俄方另有打算。

        立足自主,坚定目标

       外界盛传俄罗斯有飞机设计、制造技术,有发动机制造技术。其实这主要是反映在军机方面。前苏联的民机,仅在当时的社会主义阵营有市场,而且都是铝合金飞机。俄罗斯的碳纤维,在世界市场是榜上无名。我国碳纤维产能去年已经位居全球第二。其中龙头企业有中复神鹰、光威复材、恒神股份等。仅三家碳纤维的产量占到 80%。在此基础上,树脂基碳纤维复合材料,在国内许多工业领域都有较多使用。

       俄罗斯按西方适航标准研发民机,是从苏霍伊 “超级喷气-100”支线客机 (Sukhol Superjet100/SSJ-100)起步。接着又研发了MC-21客机。时间进程、研发的品种,与我国自主研发ARJ21支线飞机和C919,几乎是同时开展的。因此在研发民机上,俄罗斯能提供的技术支持并不多。

       俄罗斯有发动机技术,这也是人们笼统地一种说法。他的军用飞机发动机,的确可以与西方相比。但是,民机所用的发动机与西方的发动机还有差距。俄罗斯国内使用的MC-21,安装国产发动机,而出口 MC-21则安装美国普惠公司的发动机。MC-21的发动机推力在 3 万磅左右。双通道、宽体客机,需要推力在8万磅左右的发动机。要研制出如此巨大推力的民用飞机发动机,也不是一件轻而一举,短时间能完成的事情。

       当下,中俄CR929项目变数多多。特别是俄罗斯又被美国制裁,没有民机要用的复合材料。他们承担的机翼制造,一时间也很难开展实质性工作。趁此机会商飞抓住项目的主动权,制定一个能与波音 787 竞争的结构设计方案。尽管此方案难度极大,但这也是民机研发的特点所致。这正像当初俄罗斯研发 MC-21 时,在既无复合材料又无复合材料技术的条件下,仍然坚定使用用复合材料制造机翼。

       CR929现采用类似空客A350机身方案,将来进入市场的CR929 机体的先进性,充其量与A350相当。没有于波音787竞争的亮点。

       CR929一旦投入试制,作为机身段的供应商西飞、沈飞、成飞、南飞,都得化巨资建新厂房、添置新设备。这些生产能力的建设,仅能满足复合材料曲面板的制造。再要想制造其它产品的直径6米,复合材料整体筒的结构件,就无能为力了。

       我国研发双通道、宽体客机,已经是继运十、CRJ21、C919 后的第4款民机。此款民机的目标,一定要定在进入世界民机市场,能够与波音787、空客 A350同台竞争。整体筒机身的飞机一旦进入国际市场,即就是不能超越波音787,但是能超过空客A350。商飞也只有坚定这个目标,才能不辜负党和国家的重托,全国人民的期望,了却国内民机人的心愿。

       结束语

       制造民机要用复合材料已经是业界的共识。由于历史的原因, ARJ21复合材料用量仅 2%。C919从原定的 25%,后又退回到12%。CR929的复合材料用量,设计指标要达到目前的先进水平50%。值得我们关注的是,以上复合材料主要是先进的、环氧树脂基碳纤维复合材料,而且是经过适航认证的材料。即就是同类型的材料,用不同的工艺方法制造民机结构件,其结果大不相同。

       环氧树脂基碳纤维复合材料,属于热固性复合材料。正在研发的空客“新320”机身准备用热塑性碳纤维复合材料。预计它的全机复合材料用量超过 53%。   文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-10304.html