材料作為航空業(yè)發(fā)展的基石，在航空百年的發(fā)展歷程中充當(dāng)了重要角色。時(shí)至今日，隨著人類對(duì)于飛行速度、舒適度要求的日益提高以及運(yùn)營(yíng)商對(duì)于飛機(jī)效率要求的日益苛刻，制造商不斷嘗試使用新材料和新工藝來(lái)提高飛機(jī)性能，以更好地滿足各方的要求。

從竹纖維到蜘蛛絲

盡管與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但在“綠色航空”的大背景下，這種材料卻有其天生的弱點(diǎn)——在生產(chǎn)過(guò)程中，復(fù)合材料在經(jīng)過(guò)固化后很難再次分解和回收利用。因此，碳纖維復(fù)合材料的廢料往往只能通過(guò)填埋的方式進(jìn)行處理，對(duì)環(huán)境造成了一定的影響。

為了解決這一問(wèn)題，法國(guó)多家企業(yè)正在聯(lián)合進(jìn)行一項(xiàng)名為“BAMCO”的項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在研發(fā)一種由竹纖維制成的新型生物基復(fù)合材料。這種更加環(huán)保的復(fù)合材料未來(lái)可用于替代玻璃、酚醛類樹(shù)脂基復(fù)合材料，應(yīng)用在飛機(jī)的機(jī)艙內(nèi)部蓋板、機(jī)身包覆蓋板和機(jī)載廚房等部位。

多項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，竹纖維比傳統(tǒng)的玻璃纖維質(zhì)量更輕，卻擁有旗鼓相當(dāng)?shù)膽?yīng)力水平，這使得它可以成為“客艙內(nèi)部具有簡(jiǎn)單幾何形狀的非承力或次承力結(jié)構(gòu)”等部位的理想替代品。

為了降低生產(chǎn)和使用成本，在BAMCO項(xiàng)目中，研制團(tuán)隊(duì)將這種基于生物材料的復(fù)合材料與傳統(tǒng)制造工藝相結(jié)合，這將對(duì)材料的批量化生產(chǎn)起到關(guān)鍵作用。目前，已有一些歐洲的客艙和部件制造商對(duì)這種新材料表現(xiàn)出濃厚的興趣。根據(jù)公開(kāi)資料，歐洲麗薩航空將成為全球首家使用由新型生物基復(fù)合材料生產(chǎn)的駕駛艙部件的客戶。

與此同時(shí)，空客正在與德國(guó)AMSilk公司合作，共同研發(fā)一種利用合成蛛絲纖維制成的新型復(fù)合材料，并計(jì)劃于今年發(fā)布由這種新材料制成的產(chǎn)品。

這種由合成蛛絲纖維制成的新型復(fù)合材料被稱為“生物鋼”，是由慕尼黑工業(yè)大學(xué)的一項(xiàng)科研成果衍生出的新材料。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這種新材料是一種由蛛絲蛋白制成的生物高分子材料。科研人員利用植入了蜘蛛基因的細(xì)菌發(fā)酵來(lái)獲得這種蛋白質(zhì)，并將其應(yīng)用到商業(yè)領(lǐng)域。

目前，阿迪達(dá)斯的部分運(yùn)動(dòng)鞋中已經(jīng)應(yīng)用了這種材料，它具有更輕的質(zhì)量和更好的減震性。受此啟發(fā)，空客正在與AMSilk公司一起加速推進(jìn)這種新材料的研發(fā)工作。如果進(jìn)展順利，空客將成為全球首家使用這種“生物鋼”的航空企業(yè)。

波音在新材料的研發(fā)上也不甘落后。目前，波音正與HRL實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)爾灣分校共同研發(fā)一種比泡沫塑料還要輕100倍的超輕金屬材料。

這種名為“微晶格”（microlattice）的材料，99.99%是中空結(jié)構(gòu)，也就是99.99%是空氣，其余0.01%是相互連接的3D多孔聚合物中空管，中空管的厚度只有頭發(fā)絲直徑的千分之一。

據(jù)波音公司介紹，如果將一只雞蛋包在這種材料里，從25樓扔下地面，雞蛋也不會(huì)有任何損傷，中空多孔結(jié)構(gòu)使其具備了超高吸能特性，即便本體被壓縮50%之后也能輕易還原。

此外，這種新材料比泡沫塑料要輕100倍，和骨骼的構(gòu)造差不多。在波音公開(kāi)的一段視頻中，研究人員可以輕易地將微晶格金屬吹起來(lái)，它就像羽毛一樣輕輕地飄到空中，然后緩慢落地，很難想象這是一種金屬材料。波音表示，這種材料如果能夠應(yīng)用于飛機(jī)制造，將大大降低飛機(jī)的重量，實(shí)現(xiàn)更高的燃油效率。

除了新材料研發(fā)之外，NASA的研究團(tuán)隊(duì)還“異想天開(kāi)”地試圖利用復(fù)合材料自身的結(jié)構(gòu)和分子的排列組合來(lái)提高機(jī)翼效率。

空氣動(dòng)力學(xué)研究表明，機(jī)翼的形狀對(duì)飛行效率有巨大的影響。從理論上來(lái)說(shuō)，機(jī)翼設(shè)計(jì)的好壞取決于多種因素，如飛機(jī)的重量、飛行速度、飛行姿態(tài)等。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，剛性機(jī)翼并不是效率最高的機(jī)翼。為此，NASA的自適應(yīng)數(shù)字復(fù)合航空結(jié)構(gòu)技術(shù)團(tuán)隊(duì)利用碳纖維復(fù)合材料，設(shè)計(jì)了在飛行過(guò)程中可以改變形狀的機(jī)翼，以求降低飛行阻力。

在這項(xiàng)研究中，美國(guó)宇航局（NASA）與美國(guó)麻省理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)、加州大學(xué)圣克魯斯分校、加州大學(xué)伯克利分校和加州大學(xué)戴維斯分校合作，使用新的復(fù)合材料來(lái)制造一種能夠主動(dòng)改變形狀的超輕型機(jī)翼。

在NASA的這項(xiàng)研究中，機(jī)翼由碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件單元組合而成。這些構(gòu)件單元被組裝成晶格結(jié)構(gòu)或以重復(fù)結(jié)構(gòu)排列，構(gòu)件的排列方式?jīng)Q定了機(jī)翼的彎曲方式。借助制動(dòng)器和飛行控制系統(tǒng)，機(jī)翼能在不同的飛行狀態(tài)下變成最合適的形態(tài)。

NASA表示，這種更加智能的機(jī)翼最顯著的特點(diǎn)是可以通過(guò)減少由諸如襟翼、方向舵和副翼等剛性控制表面所帶來(lái)的阻力，從而提高飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)效率。

應(yīng)運(yùn)而生的創(chuàng)新生產(chǎn)工藝

根據(jù)國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA）發(fā)布的市場(chǎng)預(yù)測(cè)報(bào)告，2018年，全球航空公司共運(yùn)送旅客43億人次，到2037年，這一數(shù)字將增長(zhǎng)至82億人次。為了滿足航空運(yùn)輸快速發(fā)展的需求，未來(lái)20年，飛機(jī)制造商至少需要交付36700架新飛機(jī)。

為了滿足產(chǎn)能提升的需求，一些創(chuàng)新的生產(chǎn)工藝應(yīng)運(yùn)而生。其中，非熱壓罐工藝進(jìn)入熱固性復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域引發(fā)了復(fù)合材料制造體系的一場(chǎng)變革。由于熱壓罐的使用成本昂貴，同時(shí)還會(huì)限制生產(chǎn)效率，因此，擺脫熱壓罐的掣肘是復(fù)合材料生產(chǎn)過(guò)程中降本增效的關(guān)鍵。

2015年，NASA開(kāi)始了第一次嘗試。其對(duì)一種翼身混合體飛機(jī)的非圓柱形復(fù)合材料壓力艙驗(yàn)證件進(jìn)行了測(cè)試，該驗(yàn)證件采用了波音的非熱壓罐制造工藝。同年4月，俄羅斯航空復(fù)合材料公司交付了MC-21干線客機(jī)第一套非熱壓罐工藝制造的復(fù)合材料中央翼盒，該機(jī)的機(jī)翼蒙皮也由非熱壓罐制造，這是大型民用客機(jī)第一次采用這一技術(shù)。

在有了制造工藝的支撐后，熱塑性材料開(kāi)始逐步替代熱固性材料，在航空器承力部件中被更多地采用。

空客表示，在A350項(xiàng)目之前，公司已經(jīng)將熱塑性材料應(yīng)用在超過(guò)1500種零部件上。此外，在歐盟的框架計(jì)劃下，空客還在加快大型熱塑性復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)方面的研究。

龐巴迪公司則公開(kāi)了一項(xiàng)新型熱塑性復(fù)合材料托架技術(shù)，適用于飛機(jī)機(jī)翼、中央翼盒以及油箱的液壓和燃油托架，使用這種新材料生產(chǎn)的零部件可比金屬材料零部件減重至少40%。

隨著技術(shù)成熟、成本降低，更多復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造商將從經(jīng)濟(jì)性和周期短的角度，選擇非熱壓罐材料與工藝，這在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)、制造流程，以及原材料和制造裝備供應(yīng)鏈中掀起了一場(chǎng)新的變革，越來(lái)越多的企業(yè)參與到這場(chǎng)技術(shù)變革中。

總部位于美國(guó)的Tri-Mack塑料制造公司提供了一種“混合”熱塑性復(fù)合材料部件，其中具有單向纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料（用于提供強(qiáng)度和剛度）與注塑成型工藝相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性。堅(jiān)硬的單向碳纖維會(huì)阻礙部件生產(chǎn)成各種復(fù)雜的形狀，而注塑成型為該部件帶來(lái)了額外的功能，克服了堅(jiān)硬的單向碳纖維帶來(lái)的工藝性差的挑戰(zhàn)。

Tri-Mack公司表示，整個(gè)工藝過(guò)程完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，比制造性能相同的熱固性復(fù)合材料部件周期更短。

此外，還有一些制造商另辟蹊徑，通過(guò)開(kāi)發(fā)復(fù)合材料纖維的3D“編織”技術(shù)來(lái)提高生產(chǎn)效率。

法國(guó)制造商Saint-Gobain開(kāi)發(fā)了一種用于復(fù)合材料纖維的3D“編織”技術(shù)，可以將熱塑性樹(shù)脂纖維與增強(qiáng)碳纖維編織結(jié)合在一起。當(dāng)部件固化時(shí)，熱塑性樹(shù)脂成為材料的基體，碳纖維也嵌入其中。目前，公務(wù)機(jī)制造商達(dá)索公司已經(jīng)在一款“獵鷹”公務(wù)機(jī)上采用了由這種工藝生產(chǎn)的零部件。

根據(jù)Saint-Gobain公司的規(guī)劃，未來(lái)這種工藝還將推廣到雷達(dá)天線罩、螺旋槳槳轂和排氣整流罩等部件的制造中。