航空复合材料终端市场总结与展望（2022-2023）
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随着新冠疫情危机的逐步解除，全球航空业迎来了强势复苏，商用飞机产能正在迅速回升。航空领域复合材料厂商正在陷入新一轮激烈竞争，研发新的材料与工艺技术，在新一代飞机项目供应链中占据有利位置是全行业的基本共识。美国复合材料世界网站主编杰夫·斯洛安（Jeff Sloan）于2022年9月撰文分析了航空复合材料市场2022年的发展状况，并对2023年进行了分析。译者在原文基础上，对部分事件进行了适当补充，供读者参考。以下是全文。
随着全球新冠疫情危机基本过去，全球航空商旅运输市场在2022年开始迎来复苏，预计整个2023这种复苏将持续加速，航空商旅运输行业将恢复至接近2019年的活动水平，此现状已经许久未见。这种复苏趋势将持续增加波音、空客等龙头航空制造商以及整个航空工业供应链的压力，必须持续恢复和提高产能以满足日益增涨的订单需求。
根据美国航空航天咨询公司Teneo的分析，2022年针对新冠疫情管控法规的放宽执行，有助于刺激美国商旅运输行业的广泛复苏。在英国，相关法规执行时间更长，航空业恢复滞后，但本质上仍遵循类似的发展模式。此外，Teneo预测，到2023年底，全球大多数航空商旅运输活动水平将与2019年新冠疫情爆发前相差无几，仅有几个百分点的差别（见下图）。
Teneo对2023年以美国为中心的航空商旅运输预测（图片来自：Teneo）
正如2020年新冠疫情开始流行时预测的那样，各国国内航空商旅运输的恢复速度将快于国际。但到2023年国际航空商旅运输应该会恢复到接近新冠疫情爆发前的水平。这种回暖预示着宽体客机的运营使用将会逐渐增加，其中就包括大量使用复合材料的空客A350和波音787两款热门机型。此前，这两款飞机的生产率在新冠疫情的肆虐下急剧下降。
空客公司于2022年9月宣布，将持续进行多年努力慢慢地提高飞机制造效率，以应对持续增长的供货需求。具体而言，空客原计划在2022年交付近700架飞机，截至到2022年9月，空客交付总量为437架飞机。尽管该公司表示全力利用第四季度时间增加产量以实现目标，从结果看，空客公司2022年全年最终交付661架飞机，虽然未能完成700架的目标，但与2021年相比仍增长了8%，趋势明显向好。
无论事态怎么样发展，至2025年，空客公司最终计划将产量提高到每年接近1000架，这在某种程度上预示着生产率将达到每月约80架。这样跃进式的制造效率不仅给空客公司带来了管理压力，也给其供应链带来了巨大供货压力，这其中就包括航空复合材料供应链。
空客A321XLR是空客A321neo系列的最新和最长的迭代机型。这款单通道飞机专为长途跨洋航线设计，深受客户欢迎，订购量已超越500架。空客A321XLR预计将于2024年正式投入到正常的使用中（图片来自：空客公司）
波音近年来在民航市场的地位示弱于空客。这家总部在西雅图的飞机制造商在2021年耗费了大部分时间来恢复其737 MAX和787机型供应链的运转。其中后者的订单交付工作自2021年以来已全面停滞，等待美国联邦航空管理局（FAA）对涉及某些复合材料机身部分的制造异常问题做评估。波音公司最终解决了以上问题，并于2022年9月恢复了波音787系列机型的正常交付。
波音公司在2022年9月交付了51架飞机，累计交付328架飞机。虽然困难重重，波音公司终究是完成了全年480架飞机的交付，虽然这一数字远远低于空客，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，相较于2021年增长了41%，这已经是一项巨大进步。
随着空客A350和波音787系列飞机的生产逐渐开始回到正常状态，笼罩着整个航空工业，尤其是复合材料行业的一大核心问题是，下一个重要飞机计划何时公布？
空客公司实际上不需要宣布新飞机计划，该公司目前的产品线比较齐全，拥有基本上没有战略弱点的所有主要类别机型。与之相比，波音公司的产品线相对薄弱——缺乏远程单通道飞机来取代波音757并与空客A321 XLR系列展开竞争。在这一事实面前，再加上波音737机体架构限制（不易进行扩展和加长），种种迹象说明，波音应当会很快宣布一项新的远程单通道飞机研制计划。
然而，研发新机型需要150~200亿美元的资产金额的投入，在经历了波音737 MAX坠机事件和波音787交付暂停的重创后，波音仍需要重建现金流。尽管面临财务和别的方面的挑战，但显而易见的是，波音公司需要开发一款新飞机填补其产品线占据的空白。该机型与空客A321XLR所填补的市场空间相同，后者作为单通道飞机最多可容纳757人，载客量200人，航程8700公里，是业内航程最长的窄体客机。A321XLR也已经获得了500多架订单，预计2024年投入使用。
两架波音787飞机，涂有美国航空公司的涂装。波音787项目在2021年的大部分时间和2022年上半年长期处在暂停交付状态。在此期间，波音公司与美国联邦航空局（FAA）共同解决了一些与复合材料相关的制造异常问题。幸运的是，最近一段时间恰逢新冠疫情引发的国际航空商旅运输行业的大幅放缓。此后飞机的交付逐步恢复。图片来自：波音
过去几年，波音公司曾在市场上非正式地推出了一些概念机型，探索调研了用户对各种机型配置和尺寸的兴趣。这这中间还包括了新型中型飞机（NMA），这是一种比波音787更小的复合材料密集型双通道飞机。虽然NMA在早期设计阶段还没有成熟，但从各方面来看，波音公司仍在继续评估一款填补市场空白机型的新设计的具体方案。这款机型何时发布引发了很多猜测，但就目前掌握的信息推断，新机型在2023年底之前似乎不太可能被官方确认。
在等待波音和空客新飞机计划的同时，航空复合材料供应链上下游制造商都在暗自发力，重新寻找自身定位，以满足接下来任何新飞机研发项目的需求。即使航空工业不确定新型飞机的尺寸和规格，但行业对于材料和工艺（M&P）的了解深入，可以预判。
随着民航业对于长航程、高能效、低成本飞机的需求越发明确，航空工业逐渐形成了由宽体架构向窄体架构转变的趋势，业内普遍观点是，无论波音或空客下一步开发什么飞机，都将面向每月多达100架飞机的市场需求。此外，新型飞机肯定会采用复合材料机翼，甚至大量使用复合材料机身设计。
每月生产100架飞机，且机型的主要结构大量使用复合材料和相关工艺，满足这样的生产需求在商用航空制造业中是前所未有的。大量使用复合材料与工艺的趋势，正有力推动行业摆脱以热压罐成形为代表的效率瓶颈，逐步转向液体成形工艺和材料，如树脂传递模塑（RTM）、树脂灌注、压缩成型，又如热塑性复合材料等。更加普遍的使用复合材料的趋势也将催生更多的自动化技术、改进的过程控制能力、更多的零部件集成设计、更少的紧固件连接件使用，甚至是更少的人力工作。
完全摆脱热压罐成形技术所面临的挑战之一，是整个行业正在考虑将纤维/树脂组合应用到此前从未使用过的结构部件中。这种创新虽然有利于整个复合材料行业的发展，但仍然一定要通过足够严谨的测试鉴定来验证新的材料和工艺技术能够在预期应用中具备可靠性，这种鉴定既费时又昂贵。若复合材料行业想要满足新型飞机制造的需求，迈出这一步是十分必要的。
由于已经预见了这种趋势，一些1级和2级复合材料制造商正在积极努力实现现代化升级，以期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部件中，已能窥探行业在材料和工艺领域进行了深入研究，各厂商已开始对未来供应链中位置的展开激烈争夺。最重要的包含以下项目。
日本帝人公司研发的非卷曲织物，经过切割和预成型，主要使用在于GKN航宇公司制造的“明日之翼”（WOT）项目中的一体化翼梁。图片来自：GKN航宇公司
用于高效航空制造的一体化、一次成形17米翼梁。空客“明日之翼”（WOT）项目中计划采用多项新型复合材料与工艺技术组合，旨在推进先进复合材料机翼的制造并减轻结构重量。“明日之翼”项目中最大的结构之一，是一款长达17米的一体化碳纤维复合材料翼梁，由GKN航宇公司利用RTM工艺开发并制造。其独特之处在对于单个RTM部件来说，这款C形翼梁尺寸非常大，超过了传统RTM工艺的限制，并且使用了日本帝人公司提供的非卷曲织物（NCF）。GKN设法在没有切割的情况下将NCF铺放在工装上来加工制造。空客公司已装配完成了首个“明日之翼”验证件，将进行严格的测试以评估设计和材料的可靠性。“明日之翼”项目中的技术是不是能够安装在飞机上、并且如何在飞机上进行部署目前还有待观察。
SAMXL的焊接技术通过带有吸盘和超声波发生器的末端执行器来放置Ω形纵梁并将其点焊到蒙皮上。图为正在为下一代飞机用热塑性复合材料航空结构焊接做评估。图片来自：SAMXL
热塑性复合材料焊接技术在发展可持续性机身方面取得进展。通过欧盟洁净航空计划支持的多功能机身演示验证件（MFFD）项目，目前正在评估热塑性复合材料在飞机机身结构（包括蒙皮、纵梁和框架）中的潜在应用。这项工作由GKN航宇公司（主要机身下半部分）、德国航空航天研究中心（主要负责机身上半部分）和德国弗劳恩霍夫研究所（主要负责装配）共同完成。MFFD的目标之一是利用热塑性复合材料的可焊接性作为机身的装配技术，以减少机械紧固件结构的使用。目前，该项目正在评估几种焊接技术，测试焊接速度、焊接质量和其他变量。热塑性复合材料的发展，为航空结构用材提供了一个极具吸引力的选择，因为它采用的非热压罐（OOA）工艺提高了可加工性，易于材料处理，同时还可提供良好韧性。
自动纤维铺放（AFP）是波音787和空客A350制作的完整过程中使用的一项复合材料使能技术。对于下一代商用飞机来说，这项技术将更重要。这台由电子碰撞公司（Electroimpact）提供的AFP系统安装在美国威奇托州立大学（WSU）的国家航空研究所（NIAR）。图片来自：NIAR
下一代复合材料制造技术的中心位于美国威奇托州立大学（WSU）的国家航空研究所（NIAR），相关的技术正在快速地发展。NIAR正在其先进结构自动化技术实验室（ATLAS）中归集和创新各种制造技术，主要面向航空结构的自动纤维铺放（AFP）和自动铺带（ATL）技术制造规程的开发，为复合材料行业和WSU学生提供先进材料和工艺技术开发的示范选项。ATLAS中拥有美国电子碰撞公司AFP系统、法国科里奥利AFP系统、马其顿Mikrosam公司的免工装纤维铺放系统、德国Cevotec公司的自动纤维贴片铺放（APP）系统、德国KraussMaffei公司的注塑成型系统、奥地利Engel公司的注塑成型系统、美国ASC工艺系统公司的热压罐以及索尔维复合材料实验室。NIAR也是先进虚拟工程与测试（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从概念设计到分析认证过程中最大限度地减少全面物理测试，终极目标是缩短材料测试和鉴定周期，让新材料更快地应用到航空航天结构中。
Qarbon航宇公司具有自主知识产权和专利的单向复合材料机器人感应焊接技术，技术成熟度（TRL）已达到了5级。该技术适用于封闭箱体飞机结构，如翼盒演示验证件等。类似Qarbon这样的公司正在扩大其热塑性复合材料制造能力。图片来自：Qarbon航宇公司
一级航空结构制造商Qarbon航宇公司是正在转型中的航空航天制造商的典型案例。其前身为Triumph公司，经私募股权基金收购重组后，被重新命名为Qarbon，在美国乔治亚州米利奇维尔和德克萨斯州红橡市设有工厂。该公司在使用手工铺设、热压罐固化预浸料的航空航天和国防军事用材料项目方面拥有长期工作经验。此外，该公司在开发热塑性复合材料方面具备扎实技术功底，因此能够创新性的研发一些用于航空结构的焊接技术，以期待实现技术转型，在未来航空复合材料供应链中占据位置。
先进空中交通（AAM）市场的加快速度进行发展，让复合材料市场拨云见日现曙光。AAM主要的计划是在主要城市及其周边地区提供空中出租车服务，以帮助乘客避免地面拥堵，提供全新的交通可能。AAM市场的飞行器主要使用载客量为3~6名乘客、纯电提供动力、主要结构由复合材料制造的电动垂直起降飞行器，其航程可达150公里。
全球范围内目前已有数百家AAM飞机制造商在开展相关业务，但只有少数可以获取足够资金支持投入到正常的使用中。该领域中的行业龙头先驱企业，计划将相关这类的产品在2022年或2023年的某个时间正式投入到正常的使用中并开展运营服务，其他几家行业领先企业也将在2024年和2025年达成这一目标。
针对AAM市场的发展速度及其最终可能的市场规模，行业内还未能形成统一意见。乐观者认为，到2030年，全世界内将有数千辆空中出租车投入运营。持怀疑态度的人认为，仅有少数城市的少数供应商可提供有限的服务，行业成熟并获得商业上的成功仍需要更长的时间。AAM市场在最终成为现实前仍需要扫清多个障碍。其中最大的障碍是监督管理问题，即空中交通管制。美国联邦航空管理局（FAA）和欧洲的欧盟航空安全局（EASA）一定要制定全新的标准和协议来管理AAM飞行器飞行的空域，这其中最重要的是如何避免AAM飞行器在过度拥挤的城市地区坠落。
第二个障碍是基础设施。空中出租车将在垂直起降场起飞和降落，垂直起降场一般应位于建筑物顶部、机场附近、支线机场和其他地点。但现实是，这种基础设施并不广泛存在，必须主要由AAM制造商建造并投资维护，这将付出巨大的成本，有能力维持的厂商屈指可数。
最后一个障碍，也是与复合材料行业最相关的障碍，围绕着先进材料和工艺。如果AAM市场能够顺利达到乐观主义者希望的成熟度，市场对新飞行器的需求每年可能超过10000架。这一个数字比商用航空领域的最高制造速度高出几个数量级，代表了迄今为止世界上任何地方都未曾见过的高性能复合材料制造工业化水平，其中的挑战不言而喻。
一些行业分析师将AAM领域复合材料制造模式转变比喻为“汽车数量，航空质量”，尽管这听起来有些道理但并不严谨，事实上AAM飞行器是以复合材料密集型的方式呈现的，并且需要制造汽车工业中看不到的零部件，这与汽车行业存在比较大差别。以螺旋桨叶片为例，每架AAM飞行器都有多个螺旋桨，需要大批量生产具有航空级质量的螺旋桨叶片，即使只是按照成熟AAM市场保守估计，每年至少需要多达60000个叶片，市场对复合材料的需求显然非常庞大。
由Beta科技公司开发的ALIA 250c先进空中交通飞行器，具有四个用于起飞和着陆的倾转旋翼，以及一个靠近机身后部的推进旋翼。在进入空中出租车市场之前，该机型将首先作为运输捐赠器官医用飞行器投入到正常的使用中。图片来自：Beta科技公司
此外，目前AAM飞行器的原型机和演示验证机主要使用手工铺设、符合航空航天标准的预浸料制造，并在热压罐中固化成型。不过，第二代和第三代量产型飞行器将需要采用非热压罐（OOA）材料与工艺组合，以满足更高生产速率和更高产品质量。这在某种程度上预示着生产制作的完整过程将无需人工接触，拥有强大的过程控制能力，大量推广采用液体成型工艺，实现实时检测、快速固化并易于装配，但截至目前，上述种种优势在全球任何地方都没有大规模存在。
这就牵引出了一个问题：谁将为AAM全力推进复合材料制造？这将最终取决于制造商的运营模式。一些AAM制造商可能会与势必锐航空系统公司、GKN航宇公司以及大合集团等一级复合材料供应商签订供货合同，但即使如此，这些制造商也需要获得足够的资金和技术才能满足需求。或者AAM制造商，如美国的乔比航空公司，探索内部配套可能性，自行制造所需的复合材料，这样的模式后续也可能面临成本压力，需要攻克迈向规模化和工业化挑战。
而这一切都忽略了碳纤维的供需问题。AAM市场的快速成熟将给已经在努力实现用户需求的碳纤维供应链带来非常大供货压力，商用航空航天、风能和储氢领域的强劲增长也将使事情变得更复杂。此外，碳纤维制造商不愿投入时间和金钱来增加产能，除非对新生产线产出的纤维有明确且长期的需求承诺。AAM市场能否提供这样一个明确的长期承诺还有待观察。
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