截至2024年底，航空旅行總量超過疫情前水平，預(yù)計(jì)未來30年將實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁的長期增長。商用飛機(jī)需求將達(dá)到歷史最高水平——空客和波音公司的積壓訂單分別為8658架和5595架。然而，生產(chǎn)制造仍然舉步維艱，空客交付了766架商用飛機(jī)，波音僅交付了348架——總數(shù)遠(yuǎn)低于2018年交付的1800架。盡管供應(yīng)鏈問題持續(xù)存在，但在特朗普貿(mào)易和關(guān)稅政策出臺(tái)前，市場已準(zhǔn)備好實(shí)現(xiàn)健康增長，而長期發(fā)展趨勢有利于復(fù)合材料在新平臺(tái)應(yīng)用。與此同時(shí)，先進(jìn)空中交通領(lǐng)域正在蓬勃發(fā)展，將進(jìn)一步推動(dòng)先進(jìn)復(fù)合材料拓展應(yīng)用。

特朗普上任后的商用飛機(jī)市場

2024年飛機(jī)實(shí)際產(chǎn)量與2023年基本持平，但供應(yīng)鏈問題很可能至少會(huì)在未來18個(gè)月延續(xù)。在特朗普總統(tǒng)2025年第一季度采取煽動(dòng)性貿(mào)易政策后，情況再次發(fā)生了變化。根據(jù)英國旅游數(shù)據(jù)公司OAG的數(shù)據(jù)，3月份美國十大最繁忙機(jī)場外國旅客抵達(dá)人數(shù)較2024年同期下降了20%，4月份美國和加拿大之間的機(jī)票預(yù)訂量同比下降了75%以上，這種情況促使航空公司紛紛下調(diào)收入預(yù)期。

美國航空制造業(yè)損失最大，波音公司面臨問題尤其突出。相關(guān)報(bào)道指出，波音在全球范圍內(nèi)受報(bào)復(fù)性關(guān)稅影響的飛機(jī)數(shù)量可能是空客的三倍。與此同時(shí)，空客和非美國供應(yīng)商均表示，可能會(huì)優(yōu)先考慮美國以外的飛機(jī)交付，并在歐洲和亞洲開發(fā)替代供應(yīng)鏈。盡管這些政策對飛機(jī)生產(chǎn)造成實(shí)際影響還有待觀察，但飛機(jī)訂單幾乎將肯定減少。

商用飛機(jī)復(fù)合材料的長期增長

2024年10月，英國市場研究機(jī)構(gòu)Counterpoint介紹了其對航空航天領(lǐng)域碳纖維應(yīng)用的展望，并指出復(fù)合材料密集型飛機(jī)（包括空客A220和A350、波音787和777/X等機(jī)型）生產(chǎn)率將繼續(xù)提升。預(yù)計(jì)到2026年，航空航天碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料市場規(guī)模將超過2019年的17.4億美元，達(dá)到19.3億美元，并以10.5%復(fù)合年增長率持續(xù)增長，預(yù)計(jì)到2028年達(dá)到22.3億美元。

圖 1 復(fù)合材料密集型飛機(jī)的生產(chǎn)率將持續(xù)提升。

資料來源：Counterpoint Market Intelligence 的CW碳纖維2024大會(huì)上的匯報(bào)

原始設(shè)備制造商已將更多復(fù)合材料業(yè)務(wù)收歸內(nèi)部管理，如灣流、波音對勢必銳航空系統(tǒng)公司的收購（空客已接管勢必銳在蘇格蘭普雷斯蒂克、法國圣納澤爾和美國北卡羅來納州金斯頓的工廠），再如依托Stelia航宇公司及其他一些工廠組建的全新空客大西洋公司。種種跡象表明復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造商正在尋求專業(yè)化和差異化，以推動(dòng)新技術(shù)發(fā)展和執(zhí)行效率提高。

下一代單通道飛機(jī)

生產(chǎn)率最高的波音737和空客A320單通道飛機(jī)，復(fù)合材料的使用比例分別僅為15%和10%。這兩種機(jī)型均已有超過40多年的歷史，市場多年來一直需要一款全新的窄體飛機(jī)。行業(yè)普遍問題，新的窄體客機(jī)平臺(tái)將于2030年代中期投入使用，并將肯定會(huì)采用復(fù)合材料機(jī)翼，甚至采用復(fù)合材料機(jī)身，其中后者能否應(yīng)用取決于有關(guān)項(xiàng)目進(jìn)度和技術(shù)成熟度情況。在3月份舉行的2025年空客峰會(huì)上，空客作為原始設(shè)備制造商概述了其下一代單通道飛機(jī)的幾個(gè)要點(diǎn)：

• 機(jī)翼采用先進(jìn)的空氣動(dòng)力學(xué)和仿生學(xué)設(shè)計(jì)，更長以產(chǎn)生更大的升力，但配有折疊翼尖以適配目前的主流機(jī)場。

   

• 開放式風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)采用碳纖維復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，與現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)相比，可額外減少20%的燃料消耗和二氧化碳排放量。

   

• 混合電力推進(jìn)，利用鋰電池或氫燃料電池的電力，補(bǔ)充輔助傳統(tǒng)噴氣燃料或可持續(xù)航空燃料（SAF）的使用。

   

• 強(qiáng)度更高、重量更輕的復(fù)合材料，探索用生物基復(fù)合材料和熱塑性復(fù)合材料替代目前碳纖維增強(qiáng)聚合物的潛力，這不僅可以提高可持續(xù)性，且對于后者來說，還可以實(shí)現(xiàn)更快、更具成本效益的裝配。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料

在不斷追求更高性能、更低油耗和更優(yōu)排放的推動(dòng)下，復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用前景被普遍看好。碳纖維增強(qiáng)聚合物和陶瓷基復(fù)合材料的使用預(yù)計(jì)將會(huì)增加。

英國羅·羅公司為新型達(dá)索獵鷹10X飛機(jī)（計(jì)劃于2027年交付）設(shè)計(jì)的Pearl 10X渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)將在發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、旁通管道、維修門、風(fēng)扇導(dǎo)軌襯套、整流罩和電纜套管中使用復(fù)合材料。為龐巴迪8000飛機(jī)設(shè)計(jì)的GE Passport發(fā)動(dòng)機(jī)（計(jì)劃于2025年投入使用）的發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、整流罩、排氣錐和混合器均采用了碳纖維復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。Passport發(fā)動(dòng)機(jī)還將作為NASA面向2030年后下一代客機(jī)的混合熱高效核心機(jī)（HyTEC）項(xiàng)目的演示平臺(tái)。該項(xiàng)目將研究在發(fā)動(dòng)機(jī)中嵌入電動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)更多飛機(jī)系統(tǒng)，以及在增強(qiáng)型燃燒室襯套中使用陶瓷基復(fù)合材料高壓渦輪（HPT）部件和增強(qiáng)型燃燒室襯套。NASA報(bào)告稱，增強(qiáng)型燃燒室將在2024年達(dá)到技術(shù)成熟度5級。羅·羅還將在其XWB-97發(fā)動(dòng)機(jī)中使用陶瓷基復(fù)合材料增強(qiáng)高壓渦輪葉片與靜密封之間接口的耐高溫性能，該發(fā)動(dòng)機(jī)為空客A350-1000提供動(dòng)力。

翼身融合飛機(jī)和超音速飛機(jī)對復(fù)合材料需求旺盛

圖 2 Natilus公司的Kona無人貨運(yùn)飛機(jī)和更大尺寸的Horizon客機(jī)的概念渲染圖。圖片來源：Natilus公司

美國Natilus公司、JetZero公司均在開發(fā)大量應(yīng)用復(fù)合材料的翼身融合（BWB）飛機(jī)。Natilus的Kona無人貨運(yùn)飛機(jī)已獲得460份預(yù)訂單，該機(jī)翼展85英尺，有效載荷3.8噸，航程達(dá)到900海里，機(jī)身由80%碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和20%的金屬（主要集中在雙尾翼和控制面）構(gòu)成，可根據(jù)通用航空指南進(jìn)行認(rèn)證，計(jì)劃于2028年投入使用。Natilus第二款機(jī)型Horizon，翼展118英尺，有效載荷25噸，航程3500海里，采用全碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造，計(jì)劃于2030年代初期投入使用，主攻窄體飛機(jī)市場，最多可搭載200名乘客。與現(xiàn)有飛機(jī)相比，Kona飛機(jī)的載貨量增加了一倍，阻力降低了30%，成本降低了高達(dá)60%。Horizon飛機(jī)的重量將比現(xiàn)有商用噴氣式客機(jī)減輕25%，載客量增加40%，碳排放量減少50%。JetZero公司翼身融合演示驗(yàn)證平臺(tái)則計(jì)劃于2027年試飛，預(yù)計(jì)可改造為容納250-260名乘客的噴氣式客機(jī)，其燃油消耗和碳排放量有望減少50%，預(yù)計(jì)2030年代初投入使用。

圖 3 Overture商用客機(jī)藝術(shù)渲染圖。

來源 | Boom Supersonic

成立于2014年的美國博姆公司旨在重塑全球超音速航空客運(yùn)體驗(yàn)。其XB-1演示驗(yàn)證機(jī)和“序幕”（Overture）超音速客機(jī)幾乎完全由碳纖維復(fù)合材料制成。XB-1于2025年實(shí)現(xiàn)了無音爆超音速飛行。博姆公司將使用XB-1飛行數(shù)據(jù)為“序幕”開發(fā)無音爆巡航。“序幕”飛機(jī)首尾總長為201英尺，續(xù)航里程為4250海里，可搭載64-80名乘客。由博姆公司自研的“交響樂”（Symphony）渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，“序幕”飛機(jī)飛行速度可達(dá)1.7馬赫。博姆公司已收到130份“序幕”飛機(jī)訂單和預(yù)備訂單，其制造超級工廠于2024年6月竣工。第一條裝配線將實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)33架飛機(jī)，第二條裝配線的投產(chǎn)將使年產(chǎn)量翻一番。該工廠計(jì)劃于2029年投入運(yùn)營。

熱塑性復(fù)合材料（TPC）繼續(xù)進(jìn)步

2024年，“多功能機(jī)身演示驗(yàn)證件”項(xiàng)目順利完成標(biāo)致著熱塑性復(fù)合材料航空結(jié)構(gòu)的技術(shù)成熟度顯著提升，該項(xiàng)目還展示了實(shí)現(xiàn)“無塵”裝配以及將生產(chǎn)廢料在生產(chǎn)卡扣、支架等零部件中再利用的能力。未來幾年，甚至在下一代單通道飛機(jī)平臺(tái)問世之前，飛機(jī)上有望出現(xiàn)更多熱塑性復(fù)合材料部件。

圖 4 柯林斯航宇公司在阿爾梅勒工廠的熱塑性復(fù)合材料壓制成型設(shè)備（上）和發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇罩部件（下）

圖片來源：柯林斯航宇公司

2025年3月，空客德國不來梅公司和法國Pinette PEI公司宣布，安裝世界上最大的熱塑性復(fù)合材料壓制成型設(shè)備，其加工部件面積可達(dá)2×5米，主要用于飛機(jī)翼肋、隔框和機(jī)身部件等零件的沖壓成型和共固結(jié)。與此同時(shí)，為了確保美國在熱塑性復(fù)合材料制造技術(shù)方面不落后，美國航空材料制造中心（AAMMC）宣布，正在最終確定一臺(tái)更大規(guī)格的壓制成型設(shè)備，并計(jì)劃將其安裝在位于華盛頓州斯波坎國際機(jī)場附近、占地386,000平方英尺的工廠中。AAMMC及其50個(gè)聯(lián)盟伙伴成員的共同目標(biāo)是加速美國下一代飛機(jī)所需的大型熱塑性復(fù)合材料部件的開發(fā)和認(rèn)證。

一級供應(yīng)商和通用航空飛機(jī)制造商法國大合（Daher）也持續(xù)開發(fā)TPC結(jié)構(gòu)、焊接和回收技術(shù)。在慶祝其Shap'in技術(shù)中心成立兩周年之際，該公司展示了無緊固件裝配技術(shù)，可使飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量減輕高達(dá)15%。

航空復(fù)合材料生產(chǎn)效率的競爭

促使熱塑性復(fù)合材料發(fā)展的另一個(gè)重要?jiǎng)恿Γ瞧涓斓纳a(chǎn)制造周期。為此，空客正在加強(qiáng)供應(yīng)鏈建設(shè)，以實(shí)現(xiàn)到2027年每月能夠生產(chǎn)75架窄體飛機(jī)的目標(biāo)。

這一目標(biāo)的提出主要源于全球前所未有的1.7萬架飛機(jī)積壓訂單——約占現(xiàn)有機(jī)隊(duì)的50%。但按照目前生產(chǎn)速度，清理這些積壓訂單需要13.5年。波音和空客預(yù)計(jì)，到2043年將需要4.2萬至4.4萬架飛機(jī)才能滿足日益增長的航旅需求，其中包括3.3萬架窄體飛機(jī)。

解決這一問題的重要案例就是ASCEND計(jì)劃。這個(gè)由GKN航宇公司全球技術(shù)中心牽頭、為期4年的計(jì)劃，最終在42個(gè)獨(dú)立研究項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了6級技術(shù)成熟度。演示驗(yàn)證的快速固化預(yù)浸料包括赫氏的HexPly M51，可在40分鐘內(nèi)完全固化且無需后固化處理，并可在復(fù)雜零部件中使用寬度為6.35至300毫米的單向帶（廣泛適用于AFP和ATL技術(shù)）進(jìn)行驗(yàn)證。同樣，世索科（Syensqo）公司的EP2750在熱壓成型過程中選擇采用雙隔膜成型和彈簧框架壓制成型時(shí)，可在30分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何構(gòu)型。

其他的航空領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)步均與RTM技術(shù)有關(guān)。例如，GKN航宇公司開發(fā)了一套自動(dòng)化RTM制造單元，包含定制的注塑設(shè)備、智能模具和感應(yīng)加熱系統(tǒng)，所有設(shè)備和系統(tǒng)都能通過數(shù)字孿生架構(gòu)進(jìn)行控制，這使得生產(chǎn)線能夠以汽車工業(yè)的生產(chǎn)速度實(shí)現(xiàn)航空航天級產(chǎn)品的質(zhì)量。通過采用自動(dòng)化處理與成型技術(shù)、快速感應(yīng)加熱和閉環(huán)過程控制，GKN改變了復(fù)合材料航空結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)方式。

未來可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)

可持續(xù)性要求已成為影響航空制造業(yè)的關(guān)鍵因素，指導(dǎo)著下一代發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身的研發(fā)決策。空客公司對下一代飛機(jī)生物材料一直進(jìn)行著持續(xù)探索，致力于改善未來飛機(jī)復(fù)合材料的生命周期?？湛筒粌H對即將開發(fā)的新技術(shù)開展生命周期評估，而且還設(shè)置專項(xiàng)開發(fā)更具循環(huán)性的復(fù)合材料解決方案，包括回收和報(bào)廢解決方案以及生物基復(fù)合材料。盡管空客不會(huì)在輕量化、性能和安全要求方面妥協(xié)，但目前使用的一些復(fù)合材料仍有可能找到生物基替代品，相比石油基材料對環(huán)境影響更小，不過仍然需要經(jīng)歷同樣的鑒定和認(rèn)證過程。在這方面，人工智能或量子計(jì)算工具將成為鋪路石。

圖 5 空客正在其“先鋒實(shí)驗(yàn)室”直升機(jī)中測試生物基復(fù)合材料。圖片來源：空客：“開拓項(xiàng)目”和“開發(fā)適合飛行的生物基復(fù)合材料”

波音公司也在探索生物基材料，包括更輕、可回收、更耐用的機(jī)艙地板以及可回收碳纖維面板等，二者均采用25%生物基樹脂制成。

圖 6 荷蘭液氫（LH2）復(fù)合材料儲(chǔ)罐聯(lián)合團(tuán)隊(duì)將在2025年前驗(yàn)證用于在民用飛機(jī)中儲(chǔ)存LH2的全復(fù)合材料儲(chǔ)罐，使其技術(shù)成熟度達(dá)到5級。

圖片來源：荷蘭LH2復(fù)合材料儲(chǔ)罐聯(lián)盟

氫動(dòng)力飛機(jī)技術(shù)的開發(fā)仍在持續(xù)。盡管空客仍致力于這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，但已將其首架ZEROe飛機(jī)的服役時(shí)間從2035年推遲到2045年，主要原因在于空客認(rèn)為所需的氫氣基礎(chǔ)設(shè)施、生產(chǎn)、分配和監(jiān)管框架的全球發(fā)展速度低于預(yù)期。美國ZeroAvia取得了進(jìn)展，已獲得美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）等機(jī)構(gòu)資助，并為其氫動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)建立了認(rèn)證基礎(chǔ)。

復(fù)合材料4.0和航空結(jié)構(gòu)中的人工智能技術(shù)應(yīng)用

數(shù)字化的循環(huán)經(jīng)濟(jì)將是未來發(fā)展重要趨勢。復(fù)合材料行業(yè)正在追求更高的材料數(shù)字化，涉及收集和處理數(shù)字格式的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)更高效的存儲(chǔ)、訪問、連續(xù)性和分析。這將使全行業(yè)能夠以主動(dòng)、可預(yù)測的方式利用信息，從而改進(jìn)產(chǎn)品由初始創(chuàng)新到報(bào)廢（EOL）的全壽命周期。數(shù)據(jù)連續(xù)性對于追蹤零部件材料歷史至關(guān)重要。此外，行業(yè)還在研究能夠加快創(chuàng)新速度的數(shù)字化解決方案。數(shù)字化和人工智能技術(shù)正在賦能改善材料/零件/工具跟蹤、檢查和降低能耗等活動(dòng)。

圖 7 MRAS集成了基于Plataine AI的軟件，可動(dòng)態(tài)嵌套多達(dá)10個(gè)部件的鋪層，并將預(yù)浸料浪費(fèi)減少了80%。Eastman傳送帶切割機(jī)使用“切割和收集”軟件，將彩色光投射到與分揀臺(tái)匹配的鋪層上，以便進(jìn)行配套。圖片來源：ST Engineering MRAS

先進(jìn)空中交通市場帶來的增長與挑戰(zhàn)

先進(jìn)空中交通（AAM）是航空和城市/區(qū)域交通領(lǐng)域的一次范式轉(zhuǎn)變。盡管為城市空中交通（UAM）和區(qū)域空中交通（RAM）開發(fā)的無人或有人駕駛電動(dòng)垂直起降飛機(jī)（eVTOL）將徹底改變客運(yùn)和貨運(yùn)方式，但不斷發(fā)展的AAM生態(tài)系統(tǒng)十分復(fù)雜，面臨諸多挑戰(zhàn)，其中包括技術(shù)、監(jiān)管和公眾接受度等方面重大進(jìn)步。

圖 8 Beta科技公司生產(chǎn)線上的Alia VTOL。圖片來源：Beta科技公司

美國喬比航空已完成1500多次試飛，正在進(jìn)行美國商用客運(yùn)適航認(rèn)證所需五個(gè)階段中的第四階段，已取得突破進(jìn)展。美國Beta科技公司正在向FAA申請認(rèn)證兩種型號，世索科（Syensqo）已被指定為其復(fù)合材料主要供應(yīng)商，用于主要和次要結(jié)構(gòu)以及非結(jié)構(gòu)部件生產(chǎn)。德國Volocopter公司已在新加坡和巴黎等主要城市進(jìn)行了試飛，并正在開發(fā)全面生態(tài)系統(tǒng)，涵蓋飛行器、垂直起降機(jī)場和維護(hù)工廠等，其VoloCity“空中出租車”已獲得500多份預(yù)訂單，該機(jī)機(jī)身、旋翼葉片和座椅部件均采用復(fù)合材料。

圖 9 德國航空航天中心（DLR）成功對VoloCity eVTOL進(jìn)行了振動(dòng)測試。圖片來源：德國航空航天中心

美國貝恩公司分析預(yù)測，到2035年全球eVTOL機(jī)隊(duì)數(shù)量將達(dá)到12000架，到2040年將達(dá)到45000架。不過這仍取決于多種因素，包括電池技術(shù)的改進(jìn)、空中交通管制法律和垂直起降機(jī)場基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，以及飛機(jī)認(rèn)證和運(yùn)營表現(xiàn)情況。