超声速飞机虽然一直不是主流, 但在全球商用航空市场中仍占据冰山一角。现在有几家公司正试图恢复超声速飞机往日的荣光,其中,美国Boom航宇公司正在研发全复合材料的超声速飞机,命名为“序幕”(Overture)。Boom公司在2019年的巴黎航展中表示,Boom即将完成XB-1原型机的研发工作,该机是“序幕”的缩比验证机,将于2020年夏天正式推出。“序幕”的最高时速为2.2马赫,巡航高度为60000英尺(约19354米),仅需7个小时即可将运送55~75名旅客从悉尼飞抵洛杉矶,从华盛顿特区飞往伦敦仅需3.5小时。另外,“序幕”将使用普罗米修斯燃料公司提供的一项创新技术——利用可再生资源产生的电能将大气中的二氧化碳转化为飞机燃料,从而使飞机实现零碳排放超声速飞行。
超声速飞机的归来,对飞机结构设计有了新的要求:除了继续追求轻量化外,对于结构尖端边缘部位的热防护也尤其关键,先进复合材料也是超声速飞机能否完美“归来”的关键。
2、航空电气时代到来,先进复合材料是核心技术
城市空中交通(UAM)作为新兴航空市场的潜力正在被逐步挖掘,虽然整体规模不大,但这一领域在2019年仍明显展现了增长态势。UAM包括各种小型飞机(可容纳4~10名乘客), 飞机的工作范围有所不同,具体取决于飞行器的大小及其推进系统,其目标是在城市内或城市间运送人员或物资。优步公司正在自行研发的电动垂直起降飞机(eVTOL)最大续航里程仅为60英里(96千米)。考虑到对结构重量对电池电量影响,在eVTOL中使用轻质复合材料结构已经成为刚需。因此, 超过150家eVTOL的开发商正在大力投资和招募复合材料工程人才。这一领域面临的挑战是,eVTOL市场很可能需要建立与商用航空市场同等严格的认证标准,但同时产品定位上又要求取得更高产量,逐步延伸至汽车领域。在这种需求的驱动下,人们追求复合材料制造流程的自动化,以实现生产效率提升、成本降低、质量提高并达到产品合格率要求。尽管发展迅速,但在eVTOL投入运营前,仍有许多工作要做:包括产品认证、空域管理、安全标准、起降位置等还有待制订和确定。首批eVTOL可能要到2024~2025年前后才被允许投入运营。
除eVTOL外,UAM领域内另一种将极大消耗复合材料的产品是全电动商用飞机。2019年巴黎航展中展出了Alice,是由以色列Eviation公司开发的全电动、全复合材料飞机。Alice是一款9座的支线客机,其巡航速度约为445千米/时,续航里程为1000千米。公司预计将于2020年底或2021年初获得认证。
Alice的诞生预示着商用航空运输的一个新兴领域——全电动支线运输机时代即将到来。eVTOL和电动飞机(混合动力推进系统)的发展,不仅是能源系统的一次革命,同时也是对飞行器布局和结构设计的创新。从现有的发展趋势判断,先进复合材料无疑是主要结构用材的“种子选手”,是航空电气时代的核心技术之一。
作为21世纪第三个10年的开局, 复合材料行业在经过了产业调整和行业洗牌后,即将开启全新篇章。由航空航天带动发展的先进复合材料,已经逐步向汽车、风电能源、船舶甚至轨道运输行业辐射,中低端复合材料也将在医疗器械、文娱体育等民用产品中取得广泛应用,释放产能过剩的压力。总体来看,未来10年,复合材料将呈现性能不断突破、应用全面普及的多元化发展态势,成为推动材料科学、技术和产业的进步主要动能。