美日复合材料 “断供”，MS-21项目将何去何从?

MS-21在俄语中的含义为“21世纪的干线飞机”,该项目是俄罗斯民用航空产品发展的重点。但是,近期MS-21项目陷入了困境, 2019年1月,美国赫氏(Hexcel)公司和日本东丽公司中断了MS-21全复材机翼制造所需的碳纤维和预浸料供应,这给MS-21项目推进带来极大的困扰,项目延期几乎无法避免。

MS-21项目背景和进展

如果说苏霍伊超级喷气100(SSJ100)支线飞机是俄罗斯重返民用航空市场的探路石,那么MS-21项目则承载了俄罗斯21世纪民用航空复兴的希望。MS-21系列最初由三型飞机构成,目前在研的两型飞机是MS-21-200和MS-21-300,二者具有相同的机翼平面形状、驾驶舱和综合航电系统。MS-21-200座级为130~176座,MS-21-300可载160~211名乘客。由于第三型 MS-21-400方案需要增大机翼面积,并更换推力更大的发动机,其研发和生产的难度都更大,因此该型于2014年搁置,暂时不再研制。

与俄已投入航线运营的SSJ100支线飞机瞄准波音和空客公司留下的市场空缺不同,MS-21项目除明确要发展图154、波音737和A320的替换机外,还提出了“与A320neo和波音737MAX相比具备更优越的经济性”这一竞争性要求,为此,在项目研制中采用了多种新技术降低飞机研制和运营成本。

在SSJ100飞机项目采用的机载设备几乎全部来自于国外供应商,因此在俄罗斯国内备受诟病。而MS-21项目要求每一个重要的机载系统都至少有一家俄罗斯供应商参与,MS-21项目50%左右的部件和系统来自俄罗斯国内。如图1所示,MS-21系列飞机由雅科夫列夫试验设计局股份公司负责设计,伊尔库特公司负责总装生产以及机头和机身的制造。乌里扬诺夫斯克“航星”工厂负责机身制造,航空复合材料公司(AeroComposite)负责机翼和尾翼制造。

2017年5月28日,MS-21-300在伊尔库茨克首飞,当前正在制造第四架样机。2019年2月,欧洲航空安全局(EASA)完成了MS-21-300飞机的第一阶段认证飞行。目前MS-21项目获得的确认订单为175架,预计伊尔库特公司每年能生产70架飞机,年产量有可能增加到100架。

作为俄罗斯民用航空发展的鼎力之作,MS-21项目获得了政府的强力支持。伊尔库特公司预计MS-21项目的投入总额将超过4500亿卢布(69.6亿美元)。为保证项目顺利进行,俄罗斯政府还签署了关于为生产和维护MS-21飞机提供补贴的法令,预计2019年划拨15.8亿卢布(0.24亿美元),2020年和2021年分别拨款4.11亿和48.1亿卢布(0.06亿和0.74亿美元),用于支付项目贷款利息或其他费用,包括购买飞行模拟器、地面处理设施和建立备件仓库等。在俄罗斯技术国家公司和联合飞机制造集团合并过程中,前者计划在2025年前提供500亿卢布(7.73亿美元)支持MS-21项目发展。

MS-21的“黑色机翼”

为实现飞机的性能指标,在与空客和波音的市场竞争中获得竞争优势,MS-21项目采用了多项新技术,包括复合材料制造的主承力结构、采用电力驱动反推装置的PD-14发动机、新一代主动侧杆控制技术等,其中复合材料机翼的制造是本次制裁的关键。

“黑色机翼”带来更高性能

MS-21项目中复合材料重量占全机结构重量的40%左右,这一应用水平目前在全球民用飞机中处于先进行列。MS-21项目应用复合材料最多的部件是机翼,飞机的中央翼、机翼翼盒、垂直尾翼和水平尾翼的翼盒均采用复合材料制造。由于其颜色为黑色,故机翼被称为“黑色机翼”。机翼的外形、尺寸和面积等对客机的经济性影响巨大,相对于金属材料机翼,采用复合材料制造的“黑色机翼”具备更好的气动性能和更轻的重量。

机翼展弦比是飞机设计的一个重要参数,提高机翼展弦比可以降低诱导阻力,但同时会导致结构重量增加,因此选取机翼展弦比时需要找到一个气动设计和结构设计的平衡点。在同类飞机中,金属材料机翼的展弦比最大可达到10.5,而MS-21机翼展弦比达到了11.5,相比于其他飞机,其巡航状态升阻比提高了5%～6%,燃油消耗可相应降低6%～8%。

 航空复合材料公司生产的MS-21复合材料中央翼盒

非热压罐工艺降低制造成本

复合材料结构部件一般有两种不同制备方式。第一种是传统的热压罐方法,复合材料内部是铝质蜂窝,上下是几百层的碳纤维材料。在按照需要的角度铺层后,预浸件放在热压罐中固化8h,转变为高强度轻质航空零件。波音和空客公司当前交付的飞机产品中的复合材料结构部件、SSJ100的复合材料机翼结构部件都是按照这种传统热压罐工艺生产的。第二种是非热压罐成型方法,这种方法取消了热压罐工艺,降低了零部件制造人工成本,减少了能源消耗、提高了生产效率,但工艺质量控制难度较大,零件孔隙率难控制,俄罗斯有效解决了这些技术难题,孔隙率只有0.3%,已经达到了热压灌固化的质量水平。MS-21项目采用了非热压罐成型工艺,成为世界首型采用该工艺制造复合材料主承力结构的干线飞机,零件最大尺寸达20m×4m,中央翼盒10m×3m,为未来获得市场竞争优势奠定了基础。

利用国际合作实现技术升级

为引入、掌握并应用复合材非热压罐成型工艺,俄罗斯航空复合材料公司与国外工艺设备制造商在项目初期保持了密切合作关系。2009-2012年,航空复合材料公司开展了广泛的国际合作,由美国赫氏公司、日本东丽公司和美国氰特(Cytec)公司(2015年被比利时索尔维公司收购)供应碳纤维和环氧树脂等,奥地利钻石飞机和中国航空工业集团旗下的FACC公司制造翼盒和机翼原型件,西班牙M.Torres公司供应碳纤维铺放和自动化设备,法国Stevik公司供应浸渍设备。其中,美国赫氏公司为MS-21提供了HexPly M21/34%/ UD194/IMA等材料,碳纤维在性能上与T800接近。不难发现,“黑色机翼”虽由航空复合材料公司制造,但其工艺和原材料来源均出自欧美国家,在获得新技术带来的性价比提升时,俄罗斯必须面对国际关系恶化时的欧美制裁隐患。

美日的“断供”

由于MS-21项目面临着与欧美民机项目的直接竞争,随着国际形势变化和产品交付时间的临近,诸如“黑色机翼”之类的创新技术很容易成为欧美国家遏制MS-21项目推进的便利工具。

“断供”的过程

2018年9月26日,美国宣布对俄罗斯11家企业实施制裁,其中5家企业来自航空航天领域,制裁的原因是这些企业涉及军民两用技术,从事“与美国国家安全利益或外交政策相矛盾”的活动。2019年1月,美国赫氏公司和日本东丽公司终止向航空复合材料公司供应碳纤维和环氧树脂,致使俄罗斯现有库存材料仅够制造6架MS-21原型机。尽管航空复合材料公司总经理阿纳托里·卡伊丹斯基在2019年2月接受采访时称,当前主要使用比利时索尔维公司的产品作为赫氏公司的替代品,但是,索尔维的产品主要是T300和T600级碳纤维预浸料,分别属于高强标准模量和高强中模量产品,性能低于赫氏和东丽公司的T800级预浸料产品。这样看来,卡伊丹斯基的说法更像是淡化矛盾的措辞。

产生的影响

此次“断供”,出手迅速,给MS-21项目发展带来了极大的负面影响。

一方面,美日两国终止原材料供应的时机非常微妙,恰好赶在MS-21项目完成EASA取证第一阶段试验之时。作为MS-21项目开拓国际市场的基础,EASA取证活动必须向前推进,一旦主要原材料品牌性能发生变化,后续或将增加补充试验的工作量,增加取证难度。

另一方面,如果MS-21项目通过中介公司和小型项目间接获取终止供应的材料,则很难达到年产70架飞机的目标。因此,俄罗斯只能改变现有的材料选择,由于缺少稳定供货渠道,项目延期不可避免。MS-21项目原计划从2019年开始批量生产,从目前来看,至少要推迟一年甚至几年时间。

俄罗斯的应对方案

俄罗斯在提起诉讼、要求欧美国家解除制裁的同时,还在积极寻找其他解决方式。

据俄媒消息,俄罗斯将用国产复合材料替换MS-21飞机上的所有国外复合材料,首先从替换机翼中的复合材料开始,全部替换过程要在两年内完成。尽管俄罗斯表现得很有信心,但从目前情况看,俄罗斯现有复合材料结构设计和工艺能力仍显不足,短期内恐无法完全实现进口替代。

首先,缺少足够的复合材料结构设计经验。俄罗斯近二十年来新研的民机项目仅有SSJ-100和MS-21两个项目,难以积累足够复合材料结构设计经验。例如,MS-21项目当前的复合材料原型件由FACC和钻石公司完成,侧面说明俄罗斯本身缺少复合材料结构设计能力,仅能利用国外公司设计参数进行复合材料机翼的制造;另外,前文提到MS-21-400备选方案复合材料机翼面积增加,需要重新设计复合材料结构的,因此MS-21-400方案取消。由此推测,俄罗斯可能还不具备足够的复合材料结构设计能力。

其次,高强度碳纤维材料制备能力不足。俄罗斯原子能公司下属的UMATEX公司最有希望替代美国赫氏公司提供产品。UMATEX公司具有研制生产高强度和高模量碳纤维、织物和预浸料的科研中心和生产企业,碳纤维材料研制和生产能力在俄罗斯排名第一。为了完成全面的复合材料进口替代任务,2015年UMATEX公司在叶拉布格地区建立的碳纤维生产厂投入商业运营,年生产能力超过1400t;UMATEX公司2018年还兼并了Prepreg-SKM(预浸材料-SKM)公司,生产基于不同牌号的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维的织物和预浸料,用于船舶、航空、建筑和其他行业,目前Prepreg-SKM公司已开发出200多种织物和25种预浸料。表1给出了UMATEX公司网站上给出的可采购主要碳纤维产品数据,这些产品的性能与MS-21“黑色机翼”所需的T800级别材料相比还有一定差距。由此判断,该公司建立满足MS-21性能要求的碳纤维材料研制生产能力尚需时日,因此难以保证MS-21项目如期推进。

 Prepreg-SKM公司主要产品性能

事件的启示

总体来看,MS-21项目是俄罗斯当前民用航空最重要的项目,没有什么能够改变俄罗斯政府和航空工业界推进该项目的决心。然而,项目的阻力也是显而易见的,窄体飞机市场长期由波音和空客公司掌控,他们对后来者的防范和排挤也是不遗余力的,中断原材料供应只是竞争手段之一,不排除将来在MS-21项目取证、发动机供应等方面继续对其发难。对此,我国应当吸取教训,在国产飞机研制过程中,及早布局复合材料结构设计与工艺、关键原材料、元器件等基础能力,加强工艺设备和基础设施投入,确保多渠道稳定的配套产品供应;充分利用国内市场启动订货,寻找国外市场空缺,结合国际形势和国家战略向外输出产品。

赫氏公司(Hexcel)是在美国特拉华州注册成立的一家材料公司,总部位于康涅狄格州斯坦福德。公司主要制造复合材料和结构部件。赫氏在1946年成立,第一个产品是为军用轰炸机提供蜂窝。

赫氏自称是美国最大的碳纤维生产商,生产结构面料织布,复合材料如:蜂窝,预浸料,胶膜及夹心板最大生产商,复合材料部件和结构制造商。赫氏公司主要市场是航空航天,国防,风能和工业市场,包括汽车,船舶和娱乐。

1971年,赫氏是高山滑雪板制造商,目前提供滑雪和滑雪板制造复合材料。

赫氏公司在犹他州西谷市,亚利桑那州卡萨格兰德,得克萨斯州塞甘,阿拉巴马州迪凯特,宾夕法尼亚州波茨维尔,华盛顿伯灵顿和肯特,西班牙帕尔拉,剑桥达克斯福德,奥地利诺伊马克特豪斯鲁克地区,中国天津,法国莱萨韦尼埃,法国达尼厄,比利时韦尔肯拉特拥有生产设施。

东丽(TORAY)株式会社成立于1926年,总部位于日本东京。东丽集团是世界著名的以有机合成、高分子化学、生物化学为核心技术的高科技跨国企业,在全球19个国家和地区拥有200家附属和相关企业,年销售额超过120亿美元。拥有雇员35000名。东丽公司是世界上最早从事反渗透膜技术开发的企业之一,早在二十世纪60年代就开始了膜技术的研究,从原材料的选用、制膜技术的开发以及膜元件构造的设计等,为这一技术在超纯水。海水淡化等水处理领域的应用发展做出了卓越的贡献。现在东丽已经成为世界上少数的能同时提供醋酸纤维膜和聚酰胺复合膜的厂家;同时东丽公司也是世界上唯一一家具有RO、NF、UF、MF、纤维滤布系列膜技术研发与向市场提供全系列商业化膜产品的膜厂家。