飞机轻量化优势不止于质量！更在“钱”途

“一代材料，一代飞机”这句话想必大家都听过，材料至于飞机的重要性也在这句话里表现的淋漓尽致。 自从莱特兄弟1903年第一次进行了有动力的飞行后，百年时光，飞机材料的改进从未停止：

在上面这张表中有一个规律清晰可见，就是一个世纪以来，无论机身材料怎样变化，它都在向着高强度、轻量化的方向稳步迈进。尤其近些年来，兼顾强度和轻量化优势的复合材料更是以一种难以想象的速度在机身材料中占据主体地位。以空客为例，短短几十年的时间，复合材料占比就已经占到飞机整体材料的一半以上。

说到这里，飞机材料轻量化趋势已经非常明显。那么抛开技术不谈，单从经济角度看，机用材料的这种趋势会给我们带来什么呢？

更低的油耗

在当今的航空领域，结构轻量化和与之相关的“低油耗”是一直是兵家必争之地。

通常而言，我们所熟悉的汽车百公里油耗往往在5-12L不等（个别大排量车会超出此范围），即使是F1赛车这样的高油耗赛车百公里油耗也不超过100L。

那么，轻量化所能带来的效益是多少呢？

按照通常所宣传的那样，汽车每减重10%，油耗降低5%。其实这是理想情况，实际并不太可能达到。姑且按照这样算。假如一辆百公里油耗为7L的轿车，如果油耗降低5%，则省油0.35L，折合人民币2.1元（按6元每L计算）。

如果考虑汽车保有量，这个数字是可观的。1000万辆汽车每百公里就可以省2100万块，1万公里就可以省210亿元。

但是，对于消费者来说，它的经济利益可就没有那么明显了。何况要实现减重10%，汽车的价格也往上涨。就目前而言，也仅仅有高强钢的减重带来的油耗降低可以弥补新材料所增加的成本。

而飞机就不一样了。它可是一个吞油巨兽！

波音747-400

以可搭载400余人的波音747-400为例，它的最大燃料容量216,840升，按100美元一桶算，就是13.6万美元。而满载续航1.3万公里，也不过是从上海到纽约的距离。

在这个量级上，材料轻量化带来的油耗降低可就不可小觑了。

根据国际航协的数据，燃油成本大约占航空总成本的26%。而在国内部分航空公司，燃油成本甚至要占到40%。最明显的现象是，去年国际油价走低，航空公司什么好事也不用干，就可以业绩大幅上涨，甚至盈利是增长数倍。

。因此我们也就不难理解为什么美国波音曾在787飞机研制过程中，愿意投入3亿美元经费研究在飞机某些部位用钛合金取代铝合金以解决超重问题，以此来达到减重2500千克的目标。要知道，这一目标一旦实现可以减少20%燃油消耗！

所以，就像本节开头所说的，轻量化带来的“低油耗”真的是必争之地。正因为“油老虎”惹不起，高油耗的747已经退出主流民航客机舞台。

更高的运力

在聊运力这个话题之前我们有必要先了解一个非常重要的飞机性能，推重比。推重比通常有两个定义：发动机的推重比和飞行器的推重比。这里我们重点关注后者，即飞行器的推重比，它是指飞机在海平面最大静推力与飞机起飞重量之比。通常，增大推重比有两个途径，其中之一就是减小飞行器自重，即轻量化。

也许有人会问，推重比的增大有什么好处？答案很简单：对飞机而言其拥有了更高的运力，而更高的运力所带来的收入也是可想而知。（这里我们不考虑战斗机）

自1967年以来，波音公司已推出并出售了7000多台波音737客机，凭借着轻质的碳纤维复合材料，新飞机的运力不断超越上一机型。从最大起飞重量上看，1967年的波音737—100为50t，1981年的300系列为56.5t，而1998年开始服役的800系列飞机为79t，最新设计的900ER重量达到了85.13t，为40年来最重。看完这组数据你也许还感受不到轻量化带来的运力增加，不用着急，接下来的数据会给你答案。

1967的100系列只可以乘坐100人，而如今的900系列可乘坐人数已经翻了一倍，达到了203人。也就是说对每名乘客而言，最大起飞重量从人均494kg下降到了419kg，40年间减少了15%。轻量化为飞机增加了座位数的同时，也让飞机拥有了更宽敞的空间、更完善的空中设备和更为快捷的飞行体验，因此便有更多的人愿意花钱来乘坐飞机，随之而来的收入便也可想而知。

100系列于900系列内舱对比（图右为900系列）

根据《民用飞机中国市场预测年报2010~2029》显示，到2029年航空业可用座公里（ASK）（指可提供座位与飞行里程的乘积，是反映运输飞行运载能力的指标。）将达到21208亿座公里，这一数据是2014年的近3倍。值得注意的是，国际航空运输协会在2014年底给出的行业预测净利润为199亿美元，到了2016年，这一数字达到了363亿美元，到了2029年这个数字又会是多少呢？很难想象，不过不论多少，轻量化势必功不可没。

绿色经济

之前我们从油耗、运力这些看的见得经济讲了轻量化的重要性，接下来让我们聊聊那些看不见的经济。如前文所述，大量复合材料能够减轻飞机质量、节省燃油，而从平日我们并不在意的降低排放来看，轻量化依然功不可没。

一份东京大学、神户大学、波音公司、全日空合作的研究报告显示，在波音787的全生命周期内，制造过程中使用碳纤维复合材料的碳排放量为200t，相反若不使用轻量化材料碳排放将达到700t。到了组装过程这一差异就更为明显了，轻量化带来的减排效果达到了800t。进入飞行阶段（10年飞行周期内），采用碳纤维复合材料的飞机碳排放为368000t(未使用时为395000t)，折合总量减排为27000t／10年，合计2700t／年。注意，以上我们所说的所有数据仅仅是单架飞机。

试想，如果没有轻量化材料的出现，任凭二氧化碳肆意的排放，日后我们要治理时，表面看是国家消耗财政收入，追本溯源还是我们每个人自己买单。这样看来，我们是要好好感谢飞机轻量化材料，无形中为我们节约了一笔资金。

好了，关于轻量化，关于经济我们今天就先聊这么多。如开篇所述，百年时光，飞机材料轻量化的趋势从未停止，我相信也不会停止。至于下一代轻量化材料是谁？也许你会有答案。

参考文献：

1.【加】瓦茨拉夫•斯米尔.《材料简史及材料未来》[M],北京:电子工业出版社,2015:227-228.
2.杨小平，黄智彬.实现节能减排的碳纤维复合材料应用进展[J],材料导报,2010,3:1-2.
3.曹春晓.一代材料技术, 一代大型飞机[J],航空学报,2008,29(3):701-702.

本文由材料牛新锐作者时间煮雨供稿，材料牛编辑整理。