摘要

航空航天領(lǐng)域是碳纖維最為重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，也是最能體現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值的領(lǐng)域之一。

本期文章主要講述了歐洲空客公司技術(shù)創(chuàng)新部門結(jié)合自己多年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)碳纖維在民用飛機(jī)、臨近空間無人機(jī)、電動(dòng)飛機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用和未來挑戰(zhàn)進(jìn)行的闡述。

碳纖維在民用航空領(lǐng)域應(yīng)用

自上世紀(jì)70年代，碳纖維在飛機(jī)領(lǐng)域獲得應(yīng)用以來，歐洲空客公司不斷開發(fā)碳纖維復(fù)合材料技術(shù)，而碳纖維復(fù)合材料在空客民機(jī)中應(yīng)用比例也不斷提升。

以空客A350XWB型飛機(jī)為例，碳纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用比例已經(jīng)高達(dá)53%，金屬合金比例為33%；其中鈦合金主要用在高負(fù)載框架、起落架等結(jié)構(gòu)，CFRP可用于機(jī)翼、中央翼盒和龍骨梁蒙皮面板等結(jié)構(gòu)。

按照空客公司估計(jì)，未來20年民機(jī)需求領(lǐng)域以單過道飛機(jī)比例最高，估計(jì)需求20,242架；而且縱觀全球市場(chǎng)，主要需求集中在亞洲市場(chǎng)。

民機(jī)用碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域主要發(fā)展趨勢(shì)包括：完整一體化結(jié)構(gòu)、全自動(dòng)化的系統(tǒng)安裝、自動(dòng)化纖維鋪放等，通過采用CFRP可使發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)后部實(shí)現(xiàn)完美集成。

而民機(jī)用碳纖維復(fù)合材料也對(duì)先進(jìn)技術(shù)存在迫切需求，如低成本加工技術(shù)、快速固化成型技術(shù)、廢料精確控制技術(shù)、綠色可回收技術(shù)等。

空客公司除了在民機(jī)用碳纖維復(fù)合材料開展前沿性應(yīng)用研究以外，在如下國(guó)防軍機(jī)、航天衛(wèi)星等結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了大量探索研究工作。

碳纖維在臨近空間無人機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用

針對(duì)近年來熱點(diǎn)飛行器——臨近空間太陽能無人機(jī)領(lǐng)域研究，關(guān)于臨空無人機(jī)可閱讀《盤點(diǎn)國(guó)外臨近空間太陽能無人機(jī)》，空客公司在英國(guó)國(guó)防部項(xiàng)目支持下，成功研發(fā)出Zephyr型太陽能無人機(jī)，飛行高度達(dá)7萬英尺(21336米)，該飛行器采用超輕質(zhì)碳纖維結(jié)構(gòu)。

2003年，Zephyr臨近空間太陽能無人機(jī)概念提出。

2005年，翼展達(dá)12米的兩架原型Zephyrs飛行至最高海拔27,000英尺，飛行時(shí)間為4.5小時(shí)和6小時(shí)。

2010年Zephyr原型無人機(jī)翼展提高到18米，于2010年7月9日開始進(jìn)行飛行試驗(yàn)，并在21,561米的高空停留14晚（336小時(shí)22分鐘）。

2018年7月，Zephyr S HAPS無人機(jī)翼展達(dá)到25米，而飛行時(shí)間更是增加到25天。

據(jù)悉，在空客公司Zephyr無人機(jī)研發(fā)成功后，未來將在英國(guó)軍隊(duì)作為高科技飛行器服役，用于監(jiān)視世界各地的地面目標(biāo)。

從Zephyr無人機(jī)發(fā)展歷程可以看出，隨著臨空無人機(jī)翼展增加，其在臨空環(huán)境飛行周期也隨之增加。而無人機(jī)翼展增加則對(duì)其碳纖維復(fù)合材料性能提出更高要求，因?yàn)楦咭碚勾斫Y(jié)構(gòu)材料需要更高剛度，因此須采用高強(qiáng)高模碳纖維復(fù)合材料才能滿足要求。

碳纖維在電動(dòng)飛機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用

空客公司已經(jīng)成功推出E-FAN、E-FAN 2.0兩個(gè)版本的電動(dòng)飛機(jī)，版本主要區(qū)別在于乘坐人數(shù)，如2.0版本代表為雙座飛機(jī)，下圖為E-FAN 2.0電動(dòng)飛機(jī)。

E-FAN2.0電動(dòng)飛機(jī)是一款結(jié)構(gòu)非常小巧、翼展為31英尺的雙座飛機(jī)，由于采用了全碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，因此機(jī)身凈重僅為1100磅。目前空客正在研發(fā)四座的E-Fan 4.0。空客公司電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)歷程如下圖所示。

2016年以來，空客公司聯(lián)合羅爾斯·羅伊斯和西門子公司，共同研發(fā)E-Fan X混合動(dòng)力電動(dòng)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，預(yù)計(jì)將于2020年首飛。

在電動(dòng)飛機(jī)領(lǐng)域除了空客公司以外，已有部分國(guó)外生產(chǎn)商介入該領(lǐng)域，如由波音公司和捷藍(lán)航空支持的Zunum 航空公司，自2013 年便開始研究 10 座到 50 座的混合動(dòng)力電動(dòng)飛機(jī)， 2017 年 10 月開始開發(fā) 12 座的飛機(jī)，計(jì)劃在 2020 年飛行。

據(jù)估計(jì)，由于低廉的運(yùn)行成本，未來將會(huì)有越來越多的航空公司介入到電動(dòng)飛機(jī)領(lǐng)域，而作為電動(dòng)飛機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料的碳纖維勢(shì)必將發(fā)揮舉足輕重的作用。