白皮书-复合材料在未来飞机中的作用
- 为什么复合材料现在很重要：到2050年，航空旅行每年增长约4%，减少结构重量和改善空气动力学对减少排放至关重要。
- 节约背后的科学：了解碳纤维增强聚合物不仅可以减轻重量，还可以实现更具空气动力学效率的设计。
- 复合材料的性能：了解复合材料与金属的不同之处，以及哪些性能推动了其使用的好处。
- 当前和未来的机会：探索现代飞机如何使用复合材料来提高效率，以及下一代和未来的概念如何从复合材料中受益。
无论您是经验丰富的复合材料专业人士还是行业新手，本白皮书都将为您提供数据和见解，以了解为什么复合材料不再是可选的，而是实现下一代效率和可持续性目标所必需的。
摘要
随着全球航空业预计在未来几十年将大幅增长，该行业需要能够降低碳排放和提高飞机燃油效率的技术。复合材料，已经在空客A350和空客A350等现代飞机上发生了变革。波音787将在实现净零排放的道路上发挥关键作用。本白皮书探讨了如何复合材料提供了高强度、低重量和适应性的令人信服的组合飞机设计师。这些特性使工程师能够平衡潜在的权衡在空气动力学性能和轻质结构之间——产生大量燃料减少与金属设计相比。利用复合材料技术将是航空航天的关键制造商将交付下一代飞机设计，能够显著减少燃料消耗和碳排放。
空中客车A350机翼广泛使用复合材料
飞机燃油效率
行业趋势将需要更省油的飞机，而复合材料是关键的推动因素
航空工业燃油效率 每位乘客/英里二氧化碳排放量
国际民航组织预测，到2050年，航空旅行将每年增长4%
为了实现行业的脱碳目标，该行业需要在降低飞机燃料消耗方面继续取得进展。国际民用航空组织（ICAO）预测，从2023年到2050年，航空旅行将以每年4%的速度增长。如果不进一步提高效率，该行业的排放量将继续增长。其他创新，如可持续航空燃料（SAF）或替代推进技术，可以帮助实现净零排放，但SAF的高昂成本和新推进技术的漫长时间给该行业带来了挑战。首先使用现有技术减少燃料消耗量是一个关键步骤。此外，燃料通常是航空公司最大的单一支出（占航空公司运营支出的四分之一到三分之一），降低燃料消耗对航空公司的运营和盈利能力至关重要。
从历史上看，飞机制造商通过四个主要手段提高了燃油效率（就每乘客英里燃油而言）：改进发动机技术、提高座椅和乘客密度、改善空气动力学和降低结构重量。2022年的一项研究考察了这些杠杆随着时间的推移对节省燃料的贡献，如页面底部的图表所示。到目前为止，现有车队的大部分改进都来自发动机技术。座位和乘客密度也是主要因素，特别是在21世纪初低成本航空公司扩张期间。麦肯锡的一项分析使用了不同的方法，发现2005年至2019年间近一半的燃油效率节省是由于座椅密度和乘客载客率，而不是飞机的改进。
随着空中客车A380、波音787和空中客车A350的推出，空气动力学性能和结构重量实现了飞跃。A380在中央机翼结构中引入了碳纤维复合材料。波音787的机翼和机身都采用了复合材料，将复合材料融入了飞机结构的50%。空中客车公司与A350遵循了类似的道路，复合材料占飞机结构重量的53%。这遵循了飞机项目比早期设计采用更多复合材料的更广泛趋势。空客的A220采用复合材料机翼，波音的777X也是复合材料机翼。
尽管结构重量迄今为止发挥的作用较小，但未来可能会发生变化。乘客密度正在接近自然极限。突破发动机技术的界限将需要重大的设计变革，例如开放式转子系统，这将需要时间来开发和验证改进和减轻结构重量，这在下一代项目中比我们历史上看到的更为重要。对于飞机设计师来说，复合材料在改善空气动力学和减轻结构重量方面发挥着至关重要的作用——我们将在下一节探讨这一折衷方案。飞机燃油效率的来源。
1960年至2019年间对飞机效率提高的相对贡献
优化重量和阻力
重量和阻力在飞机机翼设计中有固有的权衡，飞机巡航阻力的约40%与飞机重量有关
飞机巡航阻力的约40%与飞机重量有关
对于飞机设计师来说，重量和气动性能形成复合体平衡行为。这两个因素密切相关，通过关系连接在升力和阻力之间。当飞机进入稳定、水平飞行，作用在其上的力—升力、重量、推力和阻力—是平衡的。机翼必须产生足够的能量提升以平衡飞机的重量，同时发动机必须产生足够的推力以克服空气动力阻力。飞机的阻力越大，所需的发动机推力越大，导致燃油消耗增加、碳排放增加。
飞机上的阻力来自几个方面。这些来源的比例随着飞机燃烧燃料，但通常飞行中大约一半的阻力是由空气和飞机表面之间的摩擦。大约40%的阻力是升力引起的阻力，由机翼下方的高压空气从翼尖周围溢出到低压引起这种气流产生了旋转的空气，就像刹车一样，使飞机减速。
典型单通道飞机的阻力组成。
巡航时作用在飞机上的总阻力百分比
这样，飞机的重量对碳排放有直接影响。较重的飞机需要更大的升力→ 产生更多的升力诱导阻力→ 需要发动机提供更大的推力→ 消耗更多的燃料来产生推力→ 通过更高的燃料消耗产生更大的碳排放。飞机不仅在起飞时感受到这种效果，而且在飞机飞行的每一英里中都会感受到这种影响。这种关系可能会产生复合效应—如果飞机需要更多的燃料来承载额外的重量，那么这些燃料也会产生阻力损失，需要更多的燃油。飞机设计师可以通过两种主要方式减少升力引起的阻力：
降低飞机重量
通过减少必须提升的质量，航空公司可以减少燃料消耗。即使飞机重量发生相对较小的变化，也会产生较大的影响。例如，2014年，美国航空公司用1.2磅（0.5公斤）的平板电脑取代了5磅（2.3公斤）的空乘手册，每年为航空公司节省了约65万美元的燃料。同样，在飞机设计中使用更轻的材料可以减少诱导阻力并提高效率。
优化机翼设计
工程师可以优化机翼的特性以降低诱导阻力。一种选择是使用更长、更细的机翼。对于固定翼区域，较长的翼展可以减少诱导阻力，因为它可以使机翼更有效地产生升力。然而，这并非没有权衡；较长的机翼通常会增加重量。设计师面临的挑战是取得适当的平衡，确保任何额外的重量都不会抵消空气动力学的好处。
机翼设计比较。
复合材料可实现更宽的翼展，从而减少升力引起的阻力
同样，与前几代777飞机的金属机翼相比，波音即将推出的777X系列采用了复合材料机翼。777X具有细长的机翼，提高了空气动力学效率。尽管比前几代稍大，但777X需要一个功率较小的发动机，这反映了这些空气动力学变化所需的较低推力。这种机翼的优点对设计至关重要，飞机具有可折叠的翼尖，以确保飞机可以使用与早期777相同的机场设施。
空中客车公司也采取了类似的做法。该公司的A350和A220飞机都采用了细长的复合材料机翼，提高了空气动力学性能。下一节将详细介绍复合材料的特性，使设计师能够将空气动力学的这些改进融入现代飞机。
复合材料的性能
复合材料具有高强度和刚度，可以根据设计进行定制
下一页的表格显示了与常见航空航天金属相比，碳纤维的选定性能。显示了特定等级的纤维（Hexcel的HexTow®IM7）和这些纤维与树脂基质结合成单向（UD）带时的性能。材料选择取决于除此处所示因素之外的一系列因素，但该表显示了沿这些尺寸的高性能碳纤维。这些特性使得复合材料在现代机翼设计中不可或缺。制造更长、更薄的机翼而不相应增加重量的能力不仅提高了空气动力学效率，而且直接转化为节省燃料。在上述示例中，与767相比，787的燃油效率提高了约25%，预计777X的燃油效率将比777-300ER高出10-15%。这两种飞机都配备了更新的发动机，这有助于这些改进，但空气动力学和轻质复合材料结构有助于提高效率。
常见航空航天材料的性能
相对于铝2024-T4的重量强度和重量刚度
学术研究也可以让人感觉到复合材料比金属设计的好处。密歇根大学的一项优化研究比较了金属机翼与复合材料机翼，发现复合材料机翼轻30-40%，可节省5-8%的燃料。13同样，美国国家航空航天局对下一代单通道飞机的一项研究估计，使用机翼和机身中的最新复合材料技术，新飞机项目的空气动力学效率可以提高7%，飞机的空重可以提高9%。综合起来，该研究估计燃料消耗可节省7%。对于一架典型的单通道飞机，这相当于飞机每小时运行约275加仑（1041升）的燃料4或600美元的成本。在飞机的整个生命周期内，这些改进产生了巨大的影响。根据麻省理工学院航空公司数据项目4的大型窄体（单通道）飞机2019年的平均轮挡飞行时数和燃料消耗，这相当于在假设的25年飞机寿命内节省了600万加仑的燃料。由于每磅燃料产生超过3磅的二氧化碳排放，每架飞机的二氧化碳排放量减少了6万吨。为了给人一种规模感，60000吨二氧化碳相当于1500辆中型乘用车在其生命周期内产生的排放量。
受益于复合材料技术的不仅仅是机翼。飞机设计师越来越多地将复合材料应用于垂直和水平稳定的机舱、机身（如波音787和空客A350）以及风扇叶片和外壳等发动机部件。在这些应用中，主要优点仍然是减轻重量。然而，与机翼部件不同，这些区域中的许多都没有额外的空气动力学优势，设计师还必须仔细评估复合材料是否是应用的最佳材料。在这些决策中，次要的好处，如更好的抗疲劳性和耐腐蚀性是一个重要的考虑因素，因为复合材料还可以通过延长寿命来降低维护成本。例如，在经过例行维护检查的700架波音787中，没有一架显示出机身疲劳的迹象。
在一架飞机上使用复合材料节省的燃料，可能相当于从道路上减少1500辆乘用车。
下一代飞机设计
先进的概念依赖于先进的材料来实现这些设计
随着航空航天工业努力实现净零排放，复合材料在飞机设计中的作用将进一步扩大。在下图中，图表中的每个堆叠条表示一架飞机的空重，条数表示根据制造商的预测每月生产的飞机数量。波音和空客目前的单通道飞机是业内生产率最高的。这些飞机基于几十年前的设计，使用的复合材料比最近的项目少得多。在这些飞机的下一代设计中加入更多的复合材料仍然是提高该行业燃油效率的最大机会之一。
该行业正在积极研究如何在这些设计中增加复合材料的使用。空中客车公司的“明日之翼”计划是一项合作倡议，专注于轻质材料、改进空气动力学和自动化制造。同样，空中客车公司多功能机身演示器（MFFD）是一项研究倡议，专注于改进飞机机身设计。目标是整合先进的复合材料、模块化结构和多功能组件。
单通道飞机的机遇。
根据2027年预测的月平均交付量交付的飞机累计空重
先进概念
JetZero的全复合材料混合翼身设计进一步降低了空气动力阻力
在公司2025年峰会上谈到下一代单通道时，空中客车公司的Karim Mokkadem表示：“一切都将转向更长、更窄、更薄的机翼，以增加升力并减少阻力。与此同时，这些机翼将由新材料制成——更轻的材料、复合材料。”
先进的空气动力学设计理念也大量使用了复合材料。美国国家航空航天局和其他组织对高纵横比和超高纵横比机翼的研究旨在进一步突破机翼技术的界限，以减少诱导阻力。
更具革命性的设计将飞机的机翼和机身平滑地融合成一种形式。几家制造商已经探索了这种“混合翼身”，如美国国家航空航天局和波音公司的X-48演示机。航空初创公司JetZero的目标是将250名乘客的版本推向市场。他们的设计依赖于复合材料20来提供结构强度和生产灵活性，以创造这些光滑、复杂的形状。
尽管有性能优势，但复合材料的初始成本可能高于金属，某些制造工艺可能需要更长的时间。考虑到整个生命周期的成本，复合材料的性能通常优于金属—材料的初始较高价格被燃料和维护的服务节省所抵消—但这些权衡对设计师来说是复杂的决定。创新继续寻找以更高的速度更具成本效益地生产复合材料部件的方法。
复合材料不再仅仅是一种优势，而是实现未来航空效率和可持续性目标的必要条件。通过使设计师能够优化飞机结构以减轻重量和增强空气动力学，复合材料提供了可测量的减排和改进的运行经济性。复合材料的影响已经在现代飞机设计中显现出来，并将在未来变得越来越重要。
