在低空经济领域,无论是载人飞行器如eVTOL(电动垂直起降飞行器)还是无人机(消费级、工业级),对材料的性能要求,不仅需要具备轻量化、高强度的特性,还要满足复杂环境下的使用需求。碳纤维是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量纤维,具有密度低、比强度大、比模量高等特性。其抗拉强度可达钢的7-9倍,弹性模量高出钢的数倍。此外,碳纤维还具有出色的耐腐蚀性和耐疲劳性,能够在恶劣环境中保持稳定的性能。这些特性使得碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic, CFRP)成为低空飞行器制造的首选材料,对提升低空飞行器性能、降低能耗等方面具有重要意义。
无人机领域
当前,低空经济领域的小型无人机可分为表演用无人机、侦察用无人机、农用无人机、气象无人机、测绘无人机等。无人机结构件的很多部位都采用碳纤维复合材料制造,包括机身、旋翼、机翼、舵面、发动机部件等,以降低整机重量和提升整体性能,例如飞行稳定性、动力性能及操控性能等。
eVTOL飞行器领域
eVTOL飞行器作为低空经济的核心产品,其碳纤维复合材料使用量占比达75%以上,远超传统大飞机。单台eVTOL飞行器对碳纤维的需求量在100公斤至400公斤之间,其中,约75-80%用于eVTOL的结构部件和推进系统,其次为横梁、座椅结构等内部应用占 12-14%,电池系统、航空电子设备和其他小型应用占8-12%。Stratview Research的数据显示,eVTOL飞行器对复合材料的需求将在未来六年内大幅增长,预计将从2024年的约110万磅(约500吨)激增至2030年的2590万磅(约11750吨),增长幅度约22.5倍。
从亿航智能、小鹏汇天、峰飞航空等国内头部整机制造商的设计方案来看,eVTOL 航空器机身结构均采用了碳纤维复合材料。
以小鹏汇天的旅航者X2为例,整机机身采用了全碳纤维结构设计,能够搭载两名乘客,并拥有最大200公斤的载重能力。旋翼桨叶选用了航空业目前最先进的碳纤维环氧树脂基复合材料,具有高刚度与低质量的特性,不仅缩短了电机驱动旋翼的控制响应时间,提升了飞行品质,还极大地增强了旋翼桨叶的气动弹性稳定性。此外,该桨叶采用了碳纤维铺层结构,即使遭遇硬物碰撞,也仅会导致表面和桨缘的划伤,而不会影响飞行的安全性。旅航者X2的起落架材料主要为碳纤维和玻璃纤维,其中,碳纤维复合材料主要用于保证起降所需要的强度。