大亚湾中交四航院招聘:迎接航空复合材料新时代

迎接航空复合材料新时代

来源：    作者：    发表时间：2009-12-07 18:00:32   

先进复合材料及其相关技术经过多年应用和发展进步。不仅日趋成熟而且价格也大幅降低，为新一代多复合材料飞机的出现奠定了基础。反过来多复合材料航空器的发展也促进了复合材料市场的快速增长.并进而对航空工业传统的供应链乃至航空结构维修供应链带来新变化。一个航空复合材料的新时代正向我们走来。
　　近年来，随着复合材料技术及其加工技术和检测维修技术的飞速发展，复合材料在军民用飞行器上的用量正大幅提高。这一跨越性的转变在整个航空界及其供应链中激起波澜，新材料需要新技能、新设备、新方法。

多复合材料飞机的发展
复合材料非比寻常的物理特性，以及近年来的技术进步大大降低了复合材料的生产成本，从而也大大加速了飞行器结构选材从金属材料向复合材料转变的进程。复合材料的应用具有可使飞机结构减重10%～40%、结构设计成本降低15%～30%的优势。面对较高的燃油价格和越来越严格的污染物排放标准，复合材料能使飞机减重的优点显得尤为重要。当然复合材料也有明显的不足，即压缩强度低，需要采用无损检测设备和相对较高的制造成本等。

　　复合材料最初主要应用在要求高推重比和隐身性能的军用飞机上。F／A—18C／D、AV一8BII以及B一2足较早采用复合材料的军用飞机，但其用量有限。到了美国的第四代战斗机F一22、F一35，以及法国的号称三代半的“阵风”和欧洲的“台风”战斗机，复合材料的用量已经占到了飞机结构重量的20%～50%。有些飞机在发动机结构上也采用了复合材料。这些复合材料采用高温树脂(双马或聚酰亚胺)制造，其工作温度比一般用作机体结构的环氧树脂复合材料的温度极限107℃高出几百摄氏度。

　　为了减轻飞机的结构重量，军用旋翼机的螺旋桨及机体结构也大量使用复合材料，如V一22“鱼鹰”倾转旋翼机所用的复合材料占结构重量40%以上。相对而言，以前军用运输机上复合材料用量不多，如C一17占8%、C—130J仅占2%，但2叭0年将进入服役期的空客A400M军用运输机上，这种情况会有所变化。A400M采用全复合材料机翼，复合材料总重量占飞机空重的35%。

　　民机制造业虽然相对保守些，但在过去几十年内复合材料用量也显著增加。在上世纪70年代至80年代初的飞机设计中，像雷达罩、机身整流罩、内装饰结构、控制面等非承力或次承力结构均采用了复合材料，但大多仅占飞机结构重量的1%～3%0随着复合材料技术的不断成熟和价格不断下调，在后来的空客A320和波音777飞机结构中、复合材料的用量已经占飞机结构重量的10%～15%。

　　21世纪前后，复合材料在民用飞机上的用量更是大幅度增长。例如，一架A380所用的复合材料重达30吨，占飞机结构重量的25%波音787上复合材料用量占飞机结构重量的50%。波音787采用全复合材料的机身，其机翼、短舱及内装饰都用了大量复合材料。与之构成直接竞争的A350XWB的复合材料用量将增至52%。此外，空客及波音都暗示将在研究中的新型单通道飞机上明显扩大复合材料的用量。这些飞机将最终取代目前广泛使用的波音737和A320。这将加剧复合材料工业的变革，加大对航空供应链的冲击，因为目前单通道飞机占全球运输机队的70%。

　　对复合材料应用一向持保守态度的公务机也开始发生变化。雷神公司在“首相”1号和豪克4000上采用了全复合材料机身。湾流公司在G450上采用高温双马树脂反推装置，达索公司为新的“隼”7X研发了复合材料尾翼。

　　复合材料在现代航空发动机上的应用量也在增多，通用电气(GE)公司在此处于领先地位，GE90采用了复合材料风扇叶片。新型的GEnx发动机的前风扇机匣也采用了复合材料，其用量超过600千克，约占发动机重量的13%，是GE90的2倍。但是，受到树脂工作温度的限制，复合材料的应用仅限于发动机的“冷端”部件。

　　复合材料在新一代民用航空产品上应用量的急剧增长主要应归功于其技术的发展和成熟，如自动化的铺带机(ATL)、纤维铺放机、树脂转移模塑(RTM)和树脂膜熔渗(RFI)技术的发展，大大降低了复合材料的生产成本。上世纪90年代初的复合材料结构制造成本为1100美元／千克，现在已降到275～330美元／千克。因此，在21世纪前10年中即将问世的新一代民用飞机的结构设计中大量采用复合材料也就不足为奇了。

市场需求激增

据航空战略咨询公司估计，2006年全球航空复合材料市场销售总值为73亿美元。新飞机的零部件及结构(大多为碳纤维增强塑料)占75%，为55亿美元。其中，民用运输飞机产品占33亿美元，军用飞机产品占16亿美元，公务机产品(含民用直升机)占6亿美元。

　　此外，复合材料结构及零部件维修服务市场需求增长也很迅速，市场需求为18亿美元。复合材料的维修服务涉及反推装置、雷达罩、短舱、飞行控制面，结构件、直升机旋翼、整流罩以及飞机内装饰件等部件。

　　航空战略咨询公司预计，新型高复合材料飞机的引进和维修需求的增长，将使航空复合材料市场在未来10年翻一番，达到140亿美元，年增长率约为7%。这种增长主要来自于民用运输机的需求，其年增长率有望达到9.5%。而2016～2026年，航空复合材料市场将再翻一番，达到300亿美元。这个预测是基于未来新型单通道飞机将在其承力结构中大量采用复合材料得出的，增长的主要动力源自民航运输飞机复合材料用量的大幅增加。

对航空供应链带来的改变

复合材料的强劲增长还导致航空供应链的改变。航空生产供应链可简单地概括为4类主要参加者，包括：负责系统集成和总装工作的飞机和发动机制造商(OEM)，直接向OEM出售主要部件及航空结构件的一级供应商；向一级供应商及OEM出售其生产的部件和零件的二级供应商，以及提供纤维树脂、预浸带和金属材料的原材料供应商。

　　目前，飞机制造商似乎正在采取汽车工业的策略，即把重点放在总装和系统集成上，而削减内部航空结构的生产能力。实际上，这就意味着飞机制造商更多地依靠一级供应商来提供设计和供应链管理，同时减少与二级供应商的互动，从而把商业及技术风险转移到它的供应链的参与者身上。波音公司新近将威奇托和塔尔萨的生产部分剥离就是最好的例证。

 　目前一级供应商正在忙于巩固和扩大飞机制造商逐步放弃的集成和供应链管理业务。这种新型的一级供应商必须具有足够大的规模和能力，以获得必要的投资来保持其竞争力。

　　航空战略咨询公司估计，全球大约有20～25个一级航空结构供应商的收益超过几亿美元，其中包括北美洲的古德里奇、NORDAM、Spirit航空系统以及沃特公司，欧洲的Aircelle、阿莱尼亚和GKN，日本的富士重工、川崎重工以及三菱重工等。

　　当前，为了提高竞争力，一级供应商之间的并购正朝着全球化的方向发展。阿莱尼亚和沃特新近建立一家名为环球航空(Global Aeronautica)的合资企业，可为波音787生W60%以上的复合材料机身。该合资企业在南卡罗来纳州兴建厂房，组装在意大利和美国生产的二级组装件。古德里奇和NORDAM最近在新加坡和欧洲分别完成了短舱／反推装置维修设施的扩建。英国的G K N公司最近收购了Stellex航空结构公司。Spirit航空系统公司收购了BAE系统公司的航空结构事业部，扩展了在欧洲的业务。

　　在供应链的另一端是几家大型的原材料供应集团。塞泰克(Cytec)、赫克塞尔(Hexcel)、东丽(Toray)、东邦(Toho)等4家大公司控制了80%的航空复合材料原料市场。由于航空及其他行业对复合材料需求的急增，使复合材料工业的生产能力(主要是碳纤维)出现短缺。赫克塞尔公司最近在西班牙兴建了新的碳纤维生产设施，到2008年总生产能力将扩大50%。东丽计划2007年增加44%碳纤维生产能力，从10000吨增加到 13063吨。2006年末，塞泰克公司在美国的碳纤维设施也进行了全面更新及现代化。即便如此，未来10年内碳纤维依然短缺。这有可能为新人市者提供机遇或使一些小供应商如三菱人造丝、SGL及卓尔泰克获得发展机遇。

　　非复合材料的原材料供应商也同样受到影响，目前钛也出现短缺，波音787的钛结构重量为15%，用量远高于以往的民航机，F一35则更高达到20%。铝供应商，也在设法生产更轻、更有效的合金来抑制复合材料的强劲竞争。

　　夹在一级供应商与原材料供应商之间的是为数众多的二级航空结构、部件和零件供应商，其中大部分收益不到1亿美元。成百上千的二级供应商在复合材料市场快速发展的环境中，面临以下挑战。

　　·供应渠道的变动。以前，二级供应商与飞机及发动机制造商签约，现在转为与一级供应商签约，改变了长期建立的商务关系。

　　·新技术。原来大多数_级供应商主要提供金属结构，现在不得不发展复合材料的生产能力，否则市场将日益缩小。

　　·新的竞争。新的二级供应商在低成本地区人量涌现，主要来自于东欧和东亚地区。作为国家战略的一部分，这些企业被鼓励扩大对航空的参与。

　　·退休问题。不少二级企业的业主将要退休，随着他们的退休，这些企业也可能退出供应链。

　　新的复合材料工艺，例如自动铺带及树脂转移模塑，虽然需要大量投资，但却可以缩短生产时间和减少劳动量。这就意味着，航空结构市场将会发生变化。先进复合材料结构的制造将流向具有先进技术实力的企业和高技能复合材料技术工人比例更高的地区，而航空金属结构的生产则会流向低劳动力成本地区。在德国、意大利、日本、西班牙、英国及美国将会生成复合材料的生产簇群。

对维修供应链产生影响

高复合材料飞机的出现无疑会对飞机维修业提出新的、未预见到的挑战。这与早期的金属飞机出现时的情形是一样的。

　　复合材料的革命也对维修供应链产生影响。首先，航空公司可从复合材料结构较低的运营和维修成本上获益，前提是必须找到可以进行适当维修的人和机构。

　　在飞机主承力结构中引入复合材料，意味着需要显著提高复合材料的维修技巧，其中包括无损检测。遗憾的是，目前许多维修培训学校都无法培训出满足需求的技术人员。因此维修机构必须自己制定或者购买补充培训教程，以填补空白。同时必须迅速扩大复合材料主承力结构的维修知识库。

　　复合材料主承力结构的维修需要新的投资。没有先进无损检测设备或大型热压罐的公司必须投资购买这些设施才能获得竞争力。这对航空公司和小型独立维修企业提出了一个问题，即是否愿意为具备新一代飞机的维修能力投资?结果可能会出现两类复合材料维修企业。一类维修企业的重点是开展传统的次承力复合材料结构件的维修，如整流罩及操纵面；另一类维修企业将准备面对维修复合材料主承力结构件的新挑战。

　　高复合材料飞机将促使飞机维修大纲发生重大变化。波音公司认为，由于采用了复合材料主承力结构件，波音787与A330相比，可减少航线检修1 4次，C检2次，4C检1次。此外，波音787的航线维修的目标间隔是每1000小时，比波音777高出400小时。高复合材料发动机也从更高的可靠性和更宽松的检查中获益。自GE90发动机投入商业运营的11年中，只更换了3个复合材料风扇叶片。

　　复合材料时代的到来，最主要是受经济因素的影响。随着其生产成本的持续降低，复合材料将被看作最有价值、而不仅仅是最先进设计的代名词。但同时可以肯定的是，金属材料将不会立刻从飞机设计中消失，在可预见的未来仍将作为发动机零部件及某些飞机结构的主导材料。但在未来的飞机设计中，金属将被视作“例外”而不是“常规”存在。

　　这种变革将在未来几十年发生，其含义是深远的。航空公司、供应商、投资者及政府部门必须重视复合材料变革所带来的变化，并做好相应的准备。显然，复合材料的时代正在到来。