迎接航空復合材料新時代

迎接航空復合材料新時代

來源：    作者：    發表時間：2009-12-07 18:00:32   

先進復合材料及其相關技術經過多年應用和發展進步。不僅日趨成熟而且價格也大幅降低，為新一代多復合材料飛機的出現奠定了基礎。反過來多復合材料航空器的發展也促進了復合材料市場的快速增長.并進而對航空工業傳統的供應鏈乃至航空結構維修供應鏈帶來新變化。一個航空復合材料的新時代正向我們走來。
　　近年來，隨著復合材料技術及其加工技術和檢測維修技術的飛速發展，復合材料在軍民用飛行器上的用量正大幅提高。這一跨越性的轉變在整個航空界及其供應鏈中激起波瀾，新材料需要新技能、新設備、新方法。

多復合材料飛機的發展
復合材料非比尋常的物理特性，以及近年來的技術進步大大降低了復合材料的生產成本，從而也大大加速了飛行器結構選材從金屬材料向復合材料轉變的進程。復合材料的應用具有可使飛機結構減重10%～40%、結構設計成本降低15%～30%的優勢。面對較高的燃油價格和越來越嚴格的污染物排放標準，復合材料能使飛機減重的優點顯得尤為重要。當然復合材料也有明顯的不足，即壓縮強度低，需要采用無損檢測設備和相對較高的制造成本等。

　　復合材料最初主要應用在要求高推重比和隱身性能的軍用飛機上。F／A—18C／D、AV一8BII以及B一2足較早采用復合材料的軍用飛機，但其用量有限。到了美國的第四代戰斗機F一22、F一35，以及法國的號稱三代半的“陣風”和歐洲的“臺風”戰斗機，復合材料的用量已經占到了飛機結構重量的20%～50%。有些飛機在發動機結構上也采用了復合材料。這些復合材料采用高溫樹脂(雙馬或聚酰亞胺)制造，其工作溫度比一般用作機體結構的環氧樹脂復合材料的溫度極限107℃高出幾百攝氏度。

　　為了減輕飛機的結構重量，軍用旋翼機的螺旋槳及機體結構也大量使用復合材料，如V一22“魚鷹”傾轉旋翼機所用的復合材料占結構重量40%以上。相對而言，以前軍用運輸機上復合材料用量不多，如C一17占8%、C—130J僅占2%，但2叭0年將進入服役期的空客A400M軍用運輸機上，這種情況會有所變化。A400M采用全復合材料機翼，復合材料總重量占飛機空重的35%。

　　民機制造業雖然相對保守些，但在過去幾十年內復合材料用量也顯著增加。在上世紀70年代至80年代初的飛機設計中，像雷達罩、機身整流罩、內裝飾結構、控制面等非承力或次承力結構均采用了復合材料，但大多僅占飛機結構重量的1%～3%0隨著復合材料技術的不斷成熟和價格不斷下調，在后來的空客A320和波音777飛機結構中、復合材料的用量已經占飛機結構重量的10%～15%。

　　21世紀前后，復合材料在民用飛機上的用量更是大幅度增長。例如，一架A380所用的復合材料重達30噸，占飛機結構重量的25%波音787上復合材料用量占飛機結構重量的50%。波音787采用全復合材料的機身，其機翼、短艙及內裝飾都用了大量復合材料。與之構成直接競爭的A350XWB的復合材料用量將增至52%。此外，空客及波音都暗示將在研究中的新型單通道飛機上明顯擴大復合材料的用量。這些飛機將最終取代目前廣泛使用的波音737和A320。這將加劇復合材料工業的變革，加大對航空供應鏈的沖擊，因為目前單通道飛機占全球運輸機隊的70%。

　　對復合材料應用一向持保守態度的公務機也開始發生變化。雷神公司在“首相”1號和豪克4000上采用了全復合材料機身。灣流公司在G450上采用高溫雙馬樹脂反推裝置，達索公司為新的“隼”7X研發了復合材料尾翼。

　　復合材料在現代航空發動機上的應用量也在增多，通用電氣(GE)公司在此處于領先地位，GE90采用了復合材料風扇葉片。新型的GEnx發動機的前風扇機匣也采用了復合材料，其用量超過600千克，約占發動機重量的13%，是GE90的2倍。但是，受到樹脂工作溫度的限制，復合材料的應用僅限于發動機的“冷端”部件。

　　復合材料在新一代民用航空產品上應用量的急劇增長主要應歸功于其技術的發展和成熟，如自動化的鋪帶機(ATL)、纖維鋪放機、樹脂轉移模塑(RTM)和樹脂膜熔滲(RFI)技術的發展，大大降低了復合材料的生產成本。上世紀90年代初的復合材料結構制造成本為1100美元／千克，現在已降到275～330美元／千克。因此，在21世紀前10年中即將問世的新一代民用飛機的結構設計中大量采用復合材料也就不足為奇了。

市場需求激增

據航空戰略咨詢公司估計，2006年全球航空復合材料市場銷售總值為73億美元。新飛機的零部件及結構(大多為碳纖維增強塑料)占75%，為55億美元。其中，民用運輸飛機產品占33億美元，軍用飛機產品占16億美元，公務機產品(含民用直升機)占6億美元。

　　此外，復合材料結構及零部件維修服務市場需求增長也很迅速，市場需求為18億美元。復合材料的維修服務涉及反推裝置、雷達罩、短艙、飛行控制面，結構件、直升機旋翼、整流罩以及飛機內裝飾件等部件。

　　航空戰略咨詢公司預計，新型高復合材料飛機的引進和維修需求的增長，將使航空復合材料市場在未來10年翻一番，達到140億美元，年增長率約為7%。這種增長主要來自于民用運輸機的需求，其年增長率有望達到9.5%。而2016～2026年，航空復合材料市場將再翻一番，達到300億美元。這個預測是基于未來新型單通道飛機將在其承力結構中大量采用復合材料得出的，增長的主要動力源自民航運輸飛機復合材料用量的大幅增加。

對航空供應鏈帶來的改變

復合材料的強勁增長還導致航空供應鏈的改變。航空生產供應鏈可簡單地概括為4類主要參加者，包括：負責系統集成和總裝工作的飛機和發動機制造商(OEM)，直接向OEM出售主要部件及航空結構件的一級供應商；向一級供應商及OEM出售其生產的部件和零件的二級供應商，以及提供纖維樹脂、預浸帶和金屬材料的原材料供應商。

　　目前，飛機制造商似乎正在采取汽車工業的策略，即把重點放在總裝和系統集成上，而削減內部航空結構的生產能力。實際上，這就意味著飛機制造商更多地依靠一級供應商來提供設計和供應鏈管理，同時減少與二級供應商的互動，從而把商業及技術風險轉移到它的供應鏈的參與者身上。波音公司新近將威奇托和塔爾薩的生產部分剝離就是最好的例證。

 　目前一級供應商正在忙于鞏固和擴大飛機制造商逐步放棄的集成和供應鏈管理業務。這種新型的一級供應商必須具有足夠大的規模和能力，以獲得必要的投資來保持其競爭力。

　　航空戰略咨詢公司估計，全球大約有20～25個一級航空結構供應商的收益超過幾億美元，其中包括北美洲的古德里奇、NORDAM、Spirit航空系統以及沃特公司，歐洲的Aircelle、阿萊尼亞和GKN，日本的富士重工、川崎重工以及三菱重工等。

　　當前，為了提高競爭力，一級供應商之間的并購正朝著全球化的方向發展。阿萊尼亞和沃特新近建立一家名為環球航空(Global Aeronautica)的合資企業，可為波音787生W60%以上的復合材料機身。該合資企業在南卡羅來納州興建廠房，組裝在意大利和美國生產的二級組裝件。古德里奇和NORDAM最近在新加坡和歐洲分別完成了短艙／反推裝置維修設施的擴建。英國的G K N公司最近收購了Stellex航空結構公司。Spirit航空系統公司收購了BAE系統公司的航空結構事業部，擴展了在歐洲的業務。

　　在供應鏈的另一端是幾家大型的原材料供應集團。塞泰克(Cytec)、赫克塞爾(Hexcel)、東麗(Toray)、東邦(Toho)等4家大公司控制了80%的航空復合材料原料市場。由于航空及其他行業對復合材料需求的急增，使復合材料工業的生產能力(主要是碳纖維)出現短缺。赫克塞爾公司最近在西班牙興建了新的碳纖維生產設施，到2008年總生產能力將擴大50%。東麗計劃2007年增加44%碳纖維生產能力，從10000噸增加到 13063噸。2006年末，塞泰克公司在美國的碳纖維設施也進行了全面更新及現代化。即便如此，未來10年內碳纖維依然短缺。這有可能為新人市者提供機遇或使一些小供應商如三菱人造絲、SGL及卓爾泰克獲得發展機遇。

　　非復合材料的原材料供應商也同樣受到影響，目前鈦也出現短缺，波音787的鈦結構重量為15%，用量遠高于以往的民航機，F一35則更高達到20%。鋁供應商，也在設法生產更輕、更有效的合金來抑制復合材料的強勁競爭。

　　夾在一級供應商與原材料供應商之間的是為數眾多的二級航空結構、部件和零件供應商，其中大部分收益不到1億美元。成百上千的二級供應商在復合材料市場快速發展的環境中，面臨以下挑戰。

　　·供應渠道的變動。以前，二級供應商與飛機及發動機制造商簽約，現在轉為與一級供應商簽約，改變了長期建立的商務關系。

　　·新技術。原來大多數_級供應商主要提供金屬結構，現在不得不發展復合材料的生產能力，否則市場將日益縮小。

　　·新的競爭。新的二級供應商在低成本地區人量涌現，主要來自于東歐和東亞地區。作為國家戰略的一部分，這些企業被鼓勵擴大對航空的參與。

　　·退休問題。不少二級企業的業主將要退休，隨著他們的退休，這些企業也可能退出供應鏈。

　　新的復合材料工藝，例如自動鋪帶及樹脂轉移模塑，雖然需要大量投資，但卻可以縮短生產時間和減少勞動量。這就意味著，航空結構市場將會發生變化。先進復合材料結構的制造將流向具有先進技術實力的企業和高技能復合材料技術工人比例更高的地區，而航空金屬結構的生產則會流向低勞動力成本地區。在德國、意大利、日本、西班牙、英國及美國將會生成復合材料的生產簇群。

對維修供應鏈產生影響

高復合材料飛機的出現無疑會對飛機維修業提出新的、未預見到的挑戰。這與早期的金屬飛機出現時的情形是一樣的。

　　復合材料的革命也對維修供應鏈產生影響。首先，航空公司可從復合材料結構較低的運營和維修成本上獲益，前提是必須找到可以進行適當維修的人和機構。

　　在飛機主承力結構中引入復合材料，意味著需要顯著提高復合材料的維修技巧，其中包括無損檢測。遺憾的是，目前許多維修培訓學校都無法培訓出滿足需求的技術人員。因此維修機構必須自己制定或者購買補充培訓教程，以填補空白。同時必須迅速擴大復合材料主承力結構的維修知識庫。

　　復合材料主承力結構的維修需要新的投資。沒有先進無損檢測設備或大型熱壓罐的公司必須投資購買這些設施才能獲得競爭力。這對航空公司和小型獨立維修企業提出了一個問題，即是否愿意為具備新一代飛機的維修能力投資?結果可能會出現兩類復合材料維修企業。一類維修企業的重點是開展傳統的次承力復合材料結構件的維修，如整流罩及操縱面；另一類維修企業將準備面對維修復合材料主承力結構件的新挑戰。

　　高復合材料飛機將促使飛機維修大綱發生重大變化。波音公司認為，由于采用了復合材料主承力結構件，波音787與A330相比，可減少航線檢修1 4次，C檢2次，4C檢1次。此外，波音787的航線維修的目標間隔是每1000小時，比波音777高出400小時。高復合材料發動機也從更高的可靠性和更寬松的檢查中獲益。自GE90發動機投入商業運營的11年中，只更換了3個復合材料風扇葉片。

　　復合材料時代的到來，最主要是受經濟因素的影響。隨著其生產成本的持續降低，復合材料將被看作最有價值、而不僅僅是最先進設計的代名詞。但同時可以肯定的是，金屬材料將不會立刻從飛機設計中消失，在可預見的未來仍將作為發動機零部件及某些飛機結構的主導材料。但在未來的飛機設計中，金屬將被視作“例外”而不是“常規”存在。

　　這種變革將在未來幾十年發生，其含義是深遠的。航空公司、供應商、投資者及政府部門必須重視復合材料變革所帶來的變化，并做好相應的準備。顯然，復合材料的時代正在到來。