飛機輕量化優勢不止于質量！更在“錢”途

“一代材料，一代飛機”這句話想必大家都聽過，材料至于飛機的重要性也在這句話里表現的淋漓盡致。 自從萊特兄弟1903年第一次進行了有動力的飛行后，百年時光，飛機材料的改進從未停止：

在上面這張表中有一個規律清晰可見，就是一個世紀以來，無論機身材料怎樣變化，它都在向著高強度、輕量化的方向穩步邁進。尤其近些年來，兼顧強度和輕量化優勢的復合材料更是以一種難以想象的速度在機身材料中占據主體地位。以空客為例，短短幾十年的時間，復合材料占比就已經占到飛機整體材料的一半以上。

說到這里，飛機材料輕量化趨勢已經非常明顯。那么拋開技術不談，單從經濟角度看，機用材料的這種趨勢會給我們帶來什么呢？

更低的油耗

在當今的航空領域，結構輕量化和與之相關的“低油耗”是一直是兵家必爭之地。

通常而言，我們所熟悉的汽車百公里油耗往往在5-12L不等（個別大排量車會超出此范圍），即使是F1賽車這樣的高油耗賽車百公里油耗也不超過100L。

那么，輕量化所能帶來的效益是多少呢？

按照通常所宣傳的那樣，汽車每減重10%，油耗降低5%。其實這是理想情況，實際并不太可能達到。姑且按照這樣算。假如一輛百公里油耗為7L的轎車，如果油耗降低5%，則省油0.35L，折合人民幣2.1元（按6元每L計算）。

如果考慮汽車保有量，這個數字是可觀的。1000萬輛汽車每百公里就可以省2100萬塊，1萬公里就可以省210億元。

但是，對于消費者來說，它的經濟利益可就沒有那么明顯了。何況要實現減重10%，汽車的價格也往上漲。就目前而言，也僅僅有高強鋼的減重帶來的油耗降低可以彌補新材料所增加的成本。

而飛機就不一樣了。它可是一個吞油巨獸！

波音747-400

以可搭載400余人的波音747-400為例，它的最大燃料容量216,840升，按100美元一桶算，就是13.6萬美元。而滿載續航1.3萬公里，也不過是從上海到紐約的距離。

在這個量級上，材料輕量化帶來的油耗降低可就不可小覷了。

根據國際航協的數據，燃油成本大約占航空總成本的26%。而在國內部分航空公司，燃油成本甚至要占到40%。最明顯的現象是，去年國際油價走低，航空公司什么好事也不用干，就可以業績大幅上漲，甚至盈利是增長數倍。

。因此我們也就不難理解為什么美國波音曾在787飛機研制過程中，愿意投入3億美元經費研究在飛機某些部位用鈦合金取代鋁合金以解決超重問題，以此來達到減重2500千克的目標。要知道，這一目標一旦實現可以減少20%燃油消耗！

所以，就像本節開頭所說的，輕量化帶來的“低油耗”真的是必爭之地。正因為“油老虎”惹不起，高油耗的747已經退出主流民航客機舞臺。

更高的運力

在聊運力這個話題之前我們有必要先了解一個非常重要的飛機性能，推重比。推重比通常有兩個定義：發動機的推重比和飛行器的推重比。這里我們重點關注后者，即飛行器的推重比，它是指飛機在海平面最大靜推力與飛機起飛重量之比。通常，增大推重比有兩個途徑，其中之一就是減小飛行器自重，即輕量化。

也許有人會問，推重比的增大有什么好處？答案很簡單：對飛機而言其擁有了更高的運力，而更高的運力所帶來的收入也是可想而知。（這里我們不考慮戰斗機）

自1967年以來，波音公司已推出并出售了7000多臺波音737客機，憑借著輕質的碳纖維復合材料，新飛機的運力不斷超越上一機型。從最大起飛重量上看，1967年的波音737—100為50t，1981年的300系列為56.5t，而1998年開始服役的800系列飛機為79t，最新設計的900ER重量達到了85.13t，為40年來最重。看完這組數據你也許還感受不到輕量化帶來的運力增加，不用著急，接下來的數據會給你答案。

1967的100系列只可以乘坐100人，而如今的900系列可乘坐人數已經翻了一倍，達到了203人。也就是說對每名乘客而言，最大起飛重量從人均494kg下降到了419kg，40年間減少了15%。輕量化為飛機增加了座位數的同時，也讓飛機擁有了更寬敞的空間、更完善的空中設備和更為快捷的飛行體驗，因此便有更多的人愿意花錢來乘坐飛機，隨之而來的收入便也可想而知。

100系列于900系列內艙對比（圖右為900系列）

根據《民用飛機中國市場預測年報2010~2029》顯示，到2029年航空業可用座公里（ASK）（指可提供座位與飛行里程的乘積，是反映運輸飛行運載能力的指標。）將達到21208億座公里，這一數據是2014年的近3倍。值得注意的是，國際航空運輸協會在2014年底給出的行業預測凈利潤為199億美元，到了2016年，這一數字達到了363億美元，到了2029年這個數字又會是多少呢？很難想象，不過不論多少，輕量化勢必功不可沒。

綠色經濟

之前我們從油耗、運力這些看的見得經濟講了輕量化的重要性，接下來讓我們聊聊那些看不見的經濟。如前文所述，大量復合材料能夠減輕飛機質量、節省燃油，而從平日我們并不在意的降低排放來看，輕量化依然功不可沒。

一份東京大學、神戶大學、波音公司、全日空合作的研究報告顯示，在波音787的全生命周期內，制造過程中使用碳纖維復合材料的碳排放量為200t，相反若不使用輕量化材料碳排放將達到700t。到了組裝過程這一差異就更為明顯了，輕量化帶來的減排效果達到了800t。進入飛行階段（10年飛行周期內），采用碳纖維復合材料的飛機碳排放為368000t(未使用時為395000t)，折合總量減排為27000t／10年，合計2700t／年。注意，以上我們所說的所有數據僅僅是單架飛機。

試想，如果沒有輕量化材料的出現，任憑二氧化碳肆意的排放，日后我們要治理時，表面看是國家消耗財政收入，追本溯源還是我們每個人自己買單。這樣看來，我們是要好好感謝飛機輕量化材料，無形中為我們節約了一筆資金。

好了，關于輕量化，關于經濟我們今天就先聊這么多。如開篇所述，百年時光，飛機材料輕量化的趨勢從未停止，我相信也不會停止。至于下一代輕量化材料是誰？也許你會有答案。

參考文獻：

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2.楊小平，黃智彬.實現節能減排的碳纖維復合材料應用進展[J],材料導報,2010,3:1-2.
3.曹春曉.一代材料技術, 一代大型飛機[J],航空學報,2008,29(3):701-702.

本文由材料牛新銳作者時間煮雨供稿，材料牛編輯整理。