（左上） 数字技术是航空航天业实现脱碳目标的关键。（中） 空客正在探索天然纤维和生物树脂作为其未来材料 计划的一部分。（左下）轻质复合材料 A350 下翼盖 在伊列斯卡斯工厂制造并送往英国布劳顿，但需要新材料和技术才能实现空客的脱碳目标。来源 | 空客
2024年9月，工厂参观：空中客车，西班牙伊列斯卡斯，参观期间和之后的讨论。它探讨了空中客车在复合材料和循环性方面的发展方向，包括回收、生物源材料、数字化等。
可持续性和新飞机开发
A350 是复合材料机身部件生产的新一步（上），但需要新技术来实现航空业的脱碳目标（下）。来源 | ECO-COMPASS 项目（空客是合作伙伴）和空客：脱碳
空中客车伊列斯卡斯生产工厂负责人莫妮卡·阿尔瓦雷斯解释说：“‘我们为团结的世界开创可持续航空航天业’，这是空中客车的使命宣言。我们希望引领变革生态系统，实现航空业脱碳。”
“A350 是复合材料部件生产的新一步，”她继续说道，“其驱动力在于减轻重量和降低油耗。我们也通过最新一代 A320 系列飞机为这一进程做出了贡献。但为了未来的发展，我们需要新材料和更高生产率的工业系统，使我们能够快速提升产能并为我们的脱碳目标做出贡献。”
“空客目前有两个优先事项，”阿尔瓦雷斯指出。“单通道窄体飞机的新替代品和 ZEROe 短程氢燃料电动飞机，计划于 2035 年投入使用。”空客在其 2023 年年度报告中确实指出，它将对其下一代单通道飞机和首款氢动力客机的架构做出重要决定。“我们预计这两款飞机都将使用大量复合材料，”阿尔瓦雷斯说。因此，提高新复合材料结构的能力是关键。例如，到 2027 年，目前的 A320/A321 系列窄体飞机的产量将增加到每月 75 架。
复合材料的未来取决于循环性
“让飞机更轻是关键，”空客材料快速通道负责人布兰卡·索斯特-奥克 (Blanka Szost-Ouk) 表示。“我是空客六位快速通道负责人之一，负责制定关键技术路线图，材料就是其中之一。”其他技术包括电气化、自动化、连接性、工业和人工智能。“复合材料是我们可以使用的最轻的材料之一，但它们的端到端循环性需要改进。”
作为空中客车公司的多功能复合材料专家，Tamara Blanco 对此表示赞同。她现在的工作范围包括可持续性，这是复合材料的一项关键功能。“我们遵循业务需求，”Blanco 说道。“复合材料是未来飞机的首选材料，因为它们比铝更轻，这是满足降低燃料消耗和二氧化碳排放要求的关键。然而，为了确保复合材料是未来的首选材料，我们需要为生命周期中的其他领域（即除服役使用之外）开发解决方案，在这些领域，复合材料对环境的影响更大——例如材料生产、废物管理和报废 [EOL]。我非常专注于为这些领域开发最佳复合材料解决方案。”
“我们正在努力研发由低排放源制成的树脂和纤维，”Szost-Ouk 说道。“但我们在伊列斯卡斯也有非常有趣的项目，我们让复合材料（在这个特定案例中是碳纤维增强热固性预浸料）获得第二次生命。我们重新利用通常会被浪费的未固化材料，并用这些材料制造其他部件，例如 A350 下翼盖上纵梁的填料。”
空客正在将预浸带回收利用，制成 A350 机翼盖 T 型纵梁的填料/条状物，类似于此处所示的填料/条状物，但采用挤压工艺而不是 3D 编织纺织品。来源 | CW新闻、 3D Noodles International AB
Blanco 表示：“循环经济对于我们来说尤其重要，因为我们研究材料，对于复合材料更是如此。”在CW参观空客伊列斯卡斯期间，她指出了一个成型单元，预浸带卷的剩余末端被放入挤压机，将其转化为三角形填料/条状物，用于 A350 机翼盖 T 型纵梁。
“我们必须确保生产废料和 EOL 部件的可回收性，”她继续说道。“在这里，我们与伊列斯卡斯工厂和一家大型土木工程公司Comsa进行了合作，以机械方式回收固化的复合废料，用作混凝土材料的增强材料。”
空客负责监督 HELACS 项目，以展示碳纤维复合材料飞机部件的拆卸和回收。来源 | HELACS 项目新闻和CW新闻
该领域的另一项举措是“洁净天空 2”项目HELACS（飞机复合结构报废成本有效且可持续管理的整体流程），该项目从 2021 年 1 月持续到 2023 年 12 月。空中客车公司担任该项目的管理者，与由Aitiip 技术中心（西班牙萨拉戈萨）牵头的财团合作，其中包括特鲁埃尔机场（西班牙特鲁埃尔）、研究中心 Centexbel（比利时根特）和英国科斯利的碳纤维回收公司 Gen 2 Carbon。该项目展示了拆解和回收碳纤维复合材料飞机部件的工业和环境安全方法。拆解技术包括水射流切割和自主机器人系统，而部件的回收主要基于热解以回收碳纤维并生产新材料。
多功能性、导电性和导热性
Blanco 表示，复合材料的多功能性仍然是空客的一个关键趋势。“从 A350 的金属机身到复合材料机身，我们必须实施不同的解决方案来应对雷击保护 [LSP]，”她解释道。因此，某些复合材料组件不仅提供了轻量化结构，而且还作为 LSP 系统的一部分设计了导电性。“现在，我们正在基于新材料、设计和不同技术为下一代飞机开发增强型轻量化解决方案。”
空中客车公司正在寻求电动飞行方面的进步，例如（左上角顺时针方向） ZEROe 燃料电池和氢动力飞机、ASCEND 超导动力系统演示器和 Cryoprop 电动动力系统演示器。来源 |空中客车
Blanco 继续说道：“多功能性对于下一代飞机来说更为重要，因为它们将更加电气化。这符合国际航空运输协会、航空运输协会和国际民航组织制定的到 2050 年实现二氧化碳净零排放的航空雄心。”她解释说，空客已经制定了能源路线图，该路线图利用了空客众多活动和产品之间的协同作用。“它包括三个正在同时研究的主要趋势：SAF [可持续航空燃料] 的渐进式开发和采用、模块化混合动力汽车和 ZEROe 飞机，它们主要基于使用液态氢作为推进器。我们集团致力于支持这一路线图，尽可能地将所需的功能与复合材料可以提供的轻量化特性相结合。”
“我们优先考虑复合材料的两种功能：导电性和导热性，”Blanco 说道，“这对下一代飞机来说更为重要。”她解释说，这些功能对于 LSP 和其他防止电磁危害的电气功能至关重要。“此外，我们正在尝试寻找更多使用多功能复合材料的机会，例如，用于未来飞机的防冰。”
Blanco 表示，另一个优先事项是提高复合材料的热导率。“这对我们未来的产品越来越重要，我们正在研究其他燃料系统，例如需要热管理的氢气。”她不仅提到了低温液态氢的潜在用途，还提到了燃料电池的大量热量输出。“这就是为什么轻质复合材料中的这些功能是关键，我们正在为未来的产品研究它们。”
“我还想说，如果你考虑一下飞机，你会发现每个人都希望更加互联，”Szost-Ouk 指出。“因此，对于未来的飞机，我们将需要大量的电力和电缆来驱动数据驱动系统，这些系统在传输越来越多的电力时会产生热量。因此，热导率问题还包括整个飞机的总体热量管理。”
“尽管多功能性可以成为未来电动和低碳排放飞机的推动因素，但从一开始就将新材料解决方案与减重结合起来非常重要，”Szost-Ouk 说道。“它们总是需要比目前使用的更轻。我们研究过的一些设计是可持续的，但它们并不更轻，我们不能使用这些设计，因为这会增加我们运营飞机的客户每次飞行的成本。所以，我们必须始终保持这种平衡。”
Blanco 补充道：“不仅要轻量化，还要兼顾循环性。新材料，包括多功能复合材料，需要符合我们在端到端生命周期方面的关键目标——从原材料生产到 EOL 策略。”
复合可持续性和数字化
Szost-Ouk 表示：“寻找平衡的循环材料解决方案与数字化的联系越来越紧密。例如，复合材料行业正在追求材料数字化，这涉及收集和处理数字格式的数据，以实现更高效的存储、访问、连续性和分析。这使得我们能够以主动、可预测的方式使用信息，从而改进我们产品的整个生命周期，从创新阶段到 EOL。”
循环材料解决方案与数字化的联系日益紧密。来源 | 空客：工业 4.0与未来材料
她解释说，材料可持续性是空中客车公司业务交叉并与数字化相关的几条横向路线图之一。“我认为可持续性/循环性与数字化之间存在着密切的联系，”Szost-Ouk 说。“事实上，我无法想象 没有数字化的循环性。例如，数据连续性是我们追踪零件材料历史的关键。我们还在研究数字解决方案，以使我们能够更快地进行创新。”
碳纤维生产商东丽公司（日本东京）已在其名古屋研究中心和用于飞机的新型阻燃预浸料中宣布了这种方法。东丽公司正在使用材料信息学来缩短此类新材料的交付周期，并表示将把这种方法应用于飞机和其他行业新型预浸料的导热性和导电性。聚合物供应商沙特基础工业公司（沙特阿拉伯利雅得）也在使用这种方法，利用薛定谔的基于物理的计算平台，在数月内而不是数年内开发新产品。（参见“快速跟踪下一代聚合物”）。
布兰科表示，空客正在推行类似的举措。“未来，在每个发展领域，数字化都是关键推动因素。我们正在全公司推动数字化，不仅是为了实现循环，也是为了比过去更快地找到答案。”
推进可持续复合材料 TRL
空客如何评估这些新的复合材料解决方案？“在机身研发中，我们遵循航空业使用的典型 TRL [技术成熟度] 流程，逐步展示技术的成熟度，”Blanco 说。“我们通常从 TRL 2 或 3 开始，但当我们确实有更低 TRL 的解决方案时，我们依靠科学界和外部社区来为我们展示可行性和应用。我们定义明确的标准或绩效指标，并根据这些标准衡量技术的发展。”
TRL 级别。来源 |欧洲航天局
“现在”她继续说道，“我们从一开始就有严格的循环标准。我们甚至在 TRL 3 之前就考虑到了这些。我们进行生命周期评估 [LCA] 或环境评估，以确保我们开发的产品符合我们的可持续发展承诺和目标。”
Szost-Ouk 表示，这些不仅包括广义上的可持续性，还包括健康和安全。“在树脂方面，我们正在监测并已经预测到未来一些可能符合欧盟法规的物质合规要求。我们根本不会从在这些方面存在任何问题的材料开始。必须从一开始就清除这些隐患。”
来源 | “迈向航空领域的循环经济…… ”，由 ECO-COMPASS 项目发布。
之后，布兰科表示，将根据既定标准来衡量发展情况，包括循环性和功能性。“复合材料在成本方面也需要更具竞争力，”她强调道。“我们正在努力确保复合材料被选为未来飞机的材料，因为它们在轻量化方面是必需的。”
Szost-Ouk 表示，可回收性也越来越重要。“我们不仅评估将要开发的技术的 LCA，而且我们还有专门的项目来开发更多循环复合材料解决方案，包括回收和 EOL 解决方案以及生物源复合材料。我们在这方面投入了大量精力，我在这个领域有专门的项目。”
合格的生物复合材料
生物基复合材料的历史问题在于，它们无法提供目前飞机所需的高性能。这是否只是长期发展的问题？“我们绝对不会因为对环境的损害更大而牺牲轻量化，”Szost-Ouk 说。“显然，我们有规格，我们开发的任何材料都必须符合这些要求。我相信有一种方法可以找到生物源替代品——这可能会比目前的石油基材料对环境的影响更小——对于我们今天使用的某些复合材料，但我们仍然必须经过相同的认证路径。在这里，使用人工智能和/或 量子计算的计算工具将成为垫脚石。”
空客正在先锋实验室直升机上测试生物基复合材料。来源 | 空客：“开拓项目”和 “开发适合飞行的生物基复合材料”
Blanco 举了一个例子。“我们将在直升机上测试一种生物基碳纤维，作为替代当前碳纤维复合材料的直接解决方案。这种材料来自木材废料，我们的目标是在碳纤维生产中实现相同的性能，但二氧化碳排放量要低得多，因为它来自生物来源，而不是当前的石化基 PAN 前体。这种纤维现在已经在我们的直升机飞行实验室中飞行。因此，我们正在证明我们可以从生物来源获得树脂和纤维，首先研究纤维，并证明其性能与当前材料相同。”
“如果我们考虑生物基材料，例如来自蓖麻植物的 PA11，其性能与石化基聚合物相比要弱一些，”Szost-Ouk 说道。“因此，我们必须开发替代品。但我认为这些类型的解决方案可以借助数字技术，这将加快我们在未来几年找到解决方案的能力。我们空客在这一领域非常活跃，不仅进行实验工作，还利用最新的创新技术支持计算。”
供应链向前发展
随着实现这些可持续发展目标的努力不断加大，Szost-Ouk 还指出，空客是最终用户，“因此我们非常依赖材料供应商。我们需要与他们更紧密地合作，他们必须对我们更加公开所有这些聚合物和材料配方，因为他们实际上必须改变他们目前的化学成分。”她补充说，空客确实正在推动整个供应链中的这种合作。“即使在采购方面，我们也在努力支持和指导我们的复合材料供应商，如果他们能向我们展示材料的可追溯性和循环性，我们会在优先考虑方面给予更多的重视。为了找到航空业需要的解决方案，我们需要共同努力。”
Blanco 表示：“我们必须降低生产过程中的碳足迹，不仅是零部件，还有树脂和碳纤维。”“这是一个巨大的挑战，但对于降低 LCA 的影响、增加未来飞机复合材料的使用以及实现空客的脱碳目标来说，这是必要的。”
