航空航天领域是碳纤维最为重要应用领域之一,也是最能体现其应用价值的领域之一。

本期文章主要讲述了欧洲空客公司技术创新部门结合自己多年的研发经验,对碳纤维在民用飞机、临近空间无人机、电动飞机领域应用和未来挑战进行的阐述。

碳纤维在民用航空领域应用

自上世纪70年代,碳纤维在飞机领域获得应用以来,欧洲空客公司不断开发碳纤维复合材料技术,而碳纤维复合材料在空客民机中应用比例也不断提升。

航空航天用碳纤维的发展及未来挑战-复合材料网

以空客A350XWB型飞机为例,碳纤维复合材料在结构材料中的应用比例已经高达53%,金属合金比例为33%;其中钛合金主要用在高负载框架、起落架等结构,CFRP可用于机翼、中央翼盒和龙骨梁蒙皮面板等结构。

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按照空客公司估计,未来20年民机需求领域以单过道飞机比例最高,估计需求20,242架;而且纵观全球市场,主要需求集中在亚洲市场。

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民机用碳纤维复合材料领域主要发展趋势包括:完整一体化结构、全自动化的系统安装、自动化纤维铺放等,通过采用CFRP可使发动机和飞机后部实现完美集成。

而民机用碳纤维复合材料也对先进技术存在迫切需求,如低成本加工技术、快速固化成型技术、废料精确控制技术、绿色可回收技术等。

空客公司除了在民机用碳纤维复合材料开展前沿性应用研究以外,在如下国防军机、航天卫星等结构中进行了大量探索研究工作。

碳纤维在临近空间无人机领域应用

针对近年来热点飞行器——临近空间太阳能无人机领域研究,关于临空无人机可阅读《盘点国外临近空间太阳能无人机》,空客公司在英国国防部项目支持下,成功研发出Zephyr型太阳能无人机,飞行高度达7万英尺(21336米),该飞行器采用超轻质碳纤维结构。

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2003年,Zephyr临近空间太阳能无人机概念提出。

2005年,翼展达12米的两架原型Zephyrs飞行至最高海拔27,000英尺,飞行时间为4.5小时和6小时。

2010年Zephyr原型无人机翼展提高到18米,于2010年7月9日开始进行飞行试验,并在21,561米的高空停留14晚(336小时22分钟)。

2018年7月,Zephyr S HAPS无人机翼展达到25米,而飞行时间更是增加到25天。

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据悉,在空客公司Zephyr无人机研发成功后,未来将在英国军队作为高科技飞行器服役,用于监视世界各地的地面目标。

从Zephyr无人机发展历程可以看出,随着临空无人机翼展增加,其在临空环境飞行周期也随之增加。而无人机翼展增加则对其碳纤维复合材料性能提出更高要求,因为高翼展代表结构材料需要更高刚度,因此须采用高强高模碳纤维复合材料才能满足要求。

碳纤维在电动飞机领域应用

空客公司已经成功推出E-FAN、E-FAN 2.0两个版本的电动飞机,版本主要区别在于乘坐人数,如2.0版本代表为双座飞机,下图为E-FAN 2.0电动飞机。

E-FAN2.0电动飞机是一款结构非常小巧、翼展为31英尺的双座飞机,由于采用了全碳纤维复合材料结构,因此机身净重仅为1100磅。目前空客正在研发四座的E-Fan 4.0。空客公司电动飞机研发历程如下图所示。

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2016年以来,空客公司联合罗尔斯·罗伊斯和西门子公司,共同研发E-Fan X混合动力电动技术验证机,预计将于2020年首飞。

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在电动飞机领域除了空客公司以外,已有部分国外生产商介入该领域,如由波音公司和捷蓝航空支持的Zunum 航空公司,自2013 年便开始研究 10 座到 50 座的混合动力电动飞机, 2017 年 10 月开始开发 12 座的飞机,计划在 2020 年飞行。

据估计,由于低廉的运行成本,未来将会有越来越多的航空公司介入到电动飞机领域,而作为电动飞机关键结构材料的碳纤维势必将发挥举足轻重的作用。(钱鑫)