摘要

航空航天領域是碳纖維最為重要應用領域之一，也是最能體現其應用價值的領域之一。

本期文章主要講述了歐洲空客公司技術創新部門結合自己多年的研發經驗，對碳纖維在民用飛機、臨近空間無人機、電動飛機領域應用和未來挑戰進行的闡述。

碳纖維在民用航空領域應用

自上世紀70年代，碳纖維在飛機領域獲得應用以來，歐洲空客公司不斷開發碳纖維復合材料技術，而碳纖維復合材料在空客民機中應用比例也不斷提升。

以空客A350XWB型飛機為例，碳纖維復合材料在結構材料中的應用比例已經高達53%，金屬合金比例為33%；其中鈦合金主要用在高負載框架、起落架等結構，CFRP可用于機翼、中央翼盒和龍骨梁蒙皮面板等結構。

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

民機用碳纖維復合材料領域主要發展趨勢包括：完整一體化結構、全自動化的系統安裝、自動化纖維鋪放等，通過采用CFRP可使發動機和飛機后部實現完美集成。

而民機用碳纖維復合材料也對先進技術存在迫切需求，如低成本加工技術、快速固化成型技術、廢料精確控制技術、綠色可回收技術等。

空客公司除了在民機用碳纖維復合材料開展前沿性應用研究以外，在如下國防軍機、航天衛星等結構中進行了大量探索研究工作。

碳纖維在臨近空間無人機領域應用

針對近年來熱點飛行器——臨近空間太陽能無人機領域研究，關于臨空無人機可閱讀《盤點國外臨近空間太陽能無人機》，空客公司在英國國防部項目支持下，成功研發出Zephyr型太陽能無人機，飛行高度達7萬英尺(21336米)，該飛行器采用超輕質碳纖維結構。

2003年，Zephyr臨近空間太陽能無人機概念提出。

2005年，翼展達12米的兩架原型Zephyrs飛行至最高海拔27,000英尺，飛行時間為4.5小時和6小時。

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

2018年7月，Zephyr S HAPS無人機翼展達到25米，而飛行時間更是增加到25天。

據悉，在空客公司Zephyr無人機研發成功后，未來將在英國軍隊作為高科技飛行器服役，用于監視世界各地的地面目標。

從Zephyr無人機發展歷程可以看出，隨著臨空無人機翼展增加，其在臨空環境飛行周期也隨之增加。而無人機翼展增加則對其碳纖維復合材料性能提出更高要求，因為高翼展代表結構材料需要更高剛度，因此須采用高強高模碳纖維復合材料才能滿足要求。

碳纖維在電動飛機領域應用

空客公司已經成功推出E-FAN、E-FAN 2.0兩個版本的電動飛機，版本主要區別在于乘坐人數，如2.0版本代表為雙座飛機，下圖為E-FAN 2.0電動飛機。

E-FAN2.0電動飛機是一款結構非常小巧、翼展為31英尺的雙座飛機，由于采用了全碳纖維復合材料結構，因此機身凈重僅為1100磅。目前空客正在研發四座的E-Fan 4.0。空客公司電動飛機研發歷程如下圖所示。

2016年以來，空客公司聯合羅爾斯·羅伊斯和西門子公司，共同研發E-Fan X混合動力電動技術驗證機，預計將于2020年首飛。

在電動飛機領域除了空客公司以外，已有部分國外生產商介入該領域，如由波音公司和捷藍航空支持的Zunum 航空公司，自2013 年便開始研究 10 座到 50 座的混合動力電動飛機， 2017 年 10 月開始開發 12 座的飛機，計劃在 2020 年飛行。

據估計，由于低廉的運行成本，未來將會有越來越多的航空公司介入到電動飛機領域，而作為電動飛機關鍵結構材料的碳纖維勢必將發揮舉足輕重的作用。