下一代单通道对复合材料行业的影响-1
尽管全世界仍在等待空客和波音公司宣布新的单通道项目，但很明显，复合 材料将在其制造中发挥作用。但以什么 方式，以什么能力？
空客 A320 总装线
在 2007 年接受《设计新闻》采访时， 时任波音 787 项目技术集成总监的艾伦 ·米勒（Alan Miller）博士评论 了航空航天行业在采用复合材料方面面临的挑战。 “（在波音 787 梦想客机问世之前） 我们还没有大规模的应用。复合材料行业以前从未遇到过这种情况。这是 我们必须攀登的一座山。 ”
787 是商用飞机复合材料使用的一个阶段性变化。 飞机结构的设计约为 50%的复合材料，超过了当时任何 其他大型商用飞机。因此， 787 的生产需要在碳纤维和 零部件制造能力方面进行大量投资。它还为 777X、A350 和 A220 等新项目的更多采用铺平了道路。
尽管复合材料被广泛采用，但该行业生产最多的两 种飞机， 空客 A320 和波音 737 系列，含有的复合材料 相对较少。737 MAX 是波音 737 的最新版本，于 1968 年 首次投入使用，其飞机结构中仅包含约 10%的复合材料。 A320 大约含有 15%。这些飞机合计占全球可用座位里 程的近 60%。在其设计中加入更多的复合材料对航空航 天和复合材料行业来说仍然是一个巨大的机会，但与当 今的双通道计划（如 787 或 A350） 或较小的 A220 单通 道计划（含 46%的复合材料）相比，这也是一个相当大 的挑战。
我们相信波音和空客的下一个新飞机项目将是单 通道飞机。几乎可以肯定的是，这些项目将比当前一代 具有更多的复合材料。虽然双通道飞机通常以每月 5-15架的速度生产，但新的单通道设计需要能够达到每月 100 架飞机的工艺。这种转变有可能成为航空航天和复 合材料行业的又一次重大变革——所有这些都对飞机 的设计、引入时间和所需技术产生了影响。复合材料行 业似乎还有另 一座山要爬。
设计：物有所值
许多关于复合材料与金属材料的讨论都集中在重 量节省上；轻质特性被视为飞机节省燃料的主要驱动因 素。然而， 复合材料的真正好处更为微妙。复合材料通 常可以实现更大的设计自由度和空气动力学优势，这超 过了单独的重量节省。
图 1. 787 的机翼比 767 更长、更薄。
图 1 展示了一架蓝色 767-300，这是一种在 20 世纪 80 年代投入使用的金属设计。上面覆盖着灰色的是一辆 787-8， 它的长度和座位容量大致相似。值得注意的是，787 的机翼比旧的 767 设计延伸得更长。如果我们检查 机翼的横截面厚度， 我们会发现 787 平均薄约 10%。更 长、更薄的机翼减少了飞机的阻力，从而实现了更高效 的空气动力学设计。
复合材料通过其强度、刚度和轻质特性的结合实现 了这一设计。结合改进的发动机， 这种设计使 787 每座 公里的燃料消耗量低得多。事实上，787 的机体重量（不 包括发动机） 比 767 重 30%。然而， 尽管重量很大， 但 由于其更高效的几何形状，它仍然可以实现可观的燃油 节约和近两倍的续航里程。
777X 对其复合材料机翼采用了类似的策略， 将机 翼跨度从 777-300ER 的 64.8 米延长到 777-9 的 71.8 米。 据波音公司称，这将使燃料消耗减少约 10%。较长的机 翼非常有效， 因此该设计可以证明折叠翼尖是合理的， 以确保飞机与现有 777 飞机保持在相同的机场代码内， 并可以进入现有的机场大门。
一些高级计算可以深入了解这些程序的权衡（图 2）。 如果我们考虑一架空客 A321neo，由于复合材料，其机 翼重量降低了 20%，但与当前设计的几何形状相同， 我 们的计算估计，典型任务的燃料消耗将减少 1.5-2%。相反，假设我们将机翼替换为全复合材料设计，其重量与 金属机翼相同，但跨度更长，横截面更薄。如果这样的 机翼将平均巡航升阻比从 18 提高到 19，我们估计这将 相当于燃料消耗减少 5-7%，尽管没有节省重量。这些空 气动力学的改进比重量的节省有更大的影响，但它们只 能通过转向复合材料来实现。
因此，我们相信， 下一代单通道飞机几乎肯定会有 复合材料机翼。潜在的燃料节约太大了， 无法考虑金属 结构。
图 2. 表示性燃油燃烧改善。使用复合材料的 空气动力学变化可能比单独节省重量产生更大 的影响。
然而，对于机身来说， 这种权衡并不那么明确。机 身本身不像机翼那样具有任何空气动力学优势。在机身 壁板相对较厚的宽体飞机上，复合材料往往具有更大的优势。窄体飞机更频繁的起飞和降落周期往往需要额外 的材料， 这降低了改用复合材料的好处。我们估计， 使 用复合材料将机身重量减少 20%， 将使油耗下降 1.5%。 随着气候变化的影响，每一滴节省的燃料都很重要。但 在机身中使用复合材料还有其他缺点，包括成本和可制 造性。原始设备制造商是否选择复合材料机身可能取决 于两个相互关联的因素：时机和技术。
