運輸領域復合材料的未來

復合材料可以具有很高的強度和剛度比，這就是為什么它們是任何運輸工具的理想構建材料之一：飛機、火車、汽車……復合材料可以使其更輕，提高其性能、能源效率，并具有生態友好性。那么，我們應該看到它們在這個技術領域的應用越來越多，不是嗎？

汽車行業：對抗高強度鋼

以汽車為例。在本刊今年3月號的《為捷豹F 型開發新的前車身底板》一文中，我們看到越來越多的知識和技術投入到車用復合材料及其加工當中。這些材料不僅減輕了重量，還令功能集成，并且可以以金屬不可能的方式為其應用量身打造。

BMW i3和i8是目前汽車行業復合材料應用的楷模。自從1981年首次出現在邁凱輪（McLaren ）MP4一級方程式賽車上以來，碳纖維增強的單體殼車架就一直存在于這些引人注目的超級跑車中。而現在，i3和i8終于顯示出這些材料可以在相對較大的體積中使用。那么，是否可以認為碳纖維復合材料將成為汽車行業的新常態了？

要實現這一目標，制造成本仍需大幅下降。但這當然是可能的。福特的T型大規模生產技術在1908年推出。因此，大規模生產金屬汽車車身的技術已經發展了一個多世紀。這就為大規模生產碳纖維增強復合材料設置了很高的門檻：有很多技術要追趕。不過，為復合材料開發更快、更具成本效益的制造技術還有發展空間，而且還有很多的創新發生在這一領域。

在它們生命終結時回收碳纖維汽車也是一個問題。理論上，寶馬i3 可以95%回收利用。但是，如果碳纖維車體成為新常態，那么拆車工廠是否愿意獲得必要的知識和技術去處理呢？

圖1：捷豹F 型保險杠和前車身底板組件，這是我們今年3 月號《為捷豹F 型開發新的前車身底板》一文中的主題。 所有零件均由POLYTEC公司不同的技術業務部門生產（照片：POLYTEC GROUP）。

與此同時，鋼鐵業也在反擊。1994年，當奧迪A8推出時，它有一個創新的鋁制立體構架底盤，使汽車相對較輕和耐腐蝕。因此，鋁為汽車提供了許多優點，如同碳纖維增強復合材料帶給了寶馬i3和i8。接下來的1995年，蓮花路特斯（Lotus Elise）跑車以一種鋁制單殼體為基礎。這一變化似乎已經開始，汽車工業的很大一部分將轉向鋁作為新材料。

與此同時，這一新的競爭者的到來加劇了已經發生的另一種變化：尋求使用更強的鋼鐵材料。從2011年CX-5車型的保險杠組裝開始，馬自達已經開始使用一種拉伸強度1800 MPa的鋼材來制造部件，這種強度還可以用壓力機來制造。該強度大約是傳統車用低碳鋼材的六到七倍。

飛機領域：保持勢頭

從使用金屬到使用復合材料發生很大程度上轉變的是飛機制造業。復合材料已經飛行了幾十年，尤其是小型飛機。現在，復合材料已經在相當大的程度上取代了客機上的鋁。波音787夢想客機大約是包括：50%的復合材料、20%的鋁、15%的鈦、10%的鋼材和5% 的其他材料組成?？湛虯350 XWB又向前邁進了一步：53%的復合材料，19%的鋁/鋁鋰、14%的鈦、6%的鋼材，8%的其他。另外，空客聲稱A350內部的噪音水平比787飛機低了9分貝。

圖2：我們在2016 年11 月號的《最薄弱的環節》一文中，所探討的令人驚訝的研究結果之一：粘合劑粘結體并不是目前碳纖維增強塑料加強蒙皮結構中最薄弱的環節，而是該復合材料加強筋本身。

復合材料不僅令飛機更輕。復合結構也有助于降低疲勞敏感性，這意味著它們需要更少的維護。波音787 的大修間隔從6增加到了13年。

不過，我們也沒有理由太過高興。復合材料的價格昂貴，因此必須想方設法減少制造成本，例如采用熱塑性復合材料、創新的焊接方法和共同固結（co-consolidating），就像我們在2017年3月號的《在熱塑性復合材料領域一路領先》一文中所提到的那樣。

復合材料的所帶來變化并沒有使所有的相關重量減少，因為新技術仍然伴隨著更高的安全系數。為了防止航空業從長遠的角度回歸到金屬工業，這些安全因素必須降低。就像我們在2016年11月號的《最薄弱的環節》中所看到的那樣，通過對失效機制進行大量的基礎性研究，發現粘合劑粘結體并不是目前碳纖維增強塑料加強蒙皮結構中最薄弱的環節。

船用復合材料：徘徊在邊緣

對于船舶、船艇以及軍艦而言，復合材料的優勢非常明顯。然而令人驚訝的是，金屬船體仍然是許多類型船舶，特別是較大型船舶的標準。Damen Naval Shipbuilding的專家表明了一些原因。

目前也顯示了造船企業和像E-LASS 這樣的組織（the European network for lightweight applications at sea）正試圖改變這一潮流。這個領域現在有一種復合材料技術應該取得突破的緊迫感。同時，制造成本也是一個很大的因素。

圖3：得益于復合材料，一架Damen 護衛艦在波濤之中輕快前行。

幾十年前，Damen Schelde Naval Shipbuilding海軍造船公司從建造復合材料船改為鋁，因為這樣可以實現更便宜的生產。但那僅僅是過去。自世紀之交以來，他們就一直在更換回使用復合材料，即使是更大的船只。因為模塊化設計和系列生產技術使得它們的生產成本比鋁材更為優惠。

盡管復合材料船在原理上許多方面都比金屬船更加安全，但實現大型復合材料船舶建造最大的挑戰就是向客戶證明，這些船舶至少與金屬船舶一樣安全。就像航空領域一樣：證明復合材料結構性能的基礎研究是關鍵。

激發新的運輸方式或只是樂趣？

復合材料還能夠開創創新的車輛和運輸方式，這可以打開全新的市場。有時這些概念是滿足交通需求的真正有用的工具。例如“躺騎式自行車（velomobile）”或“汽車式自行車（bicycle car）”，它本質上是一個臥式自行車或者是具有氣動外殼的三輪車。高科技版的Todd Reichert于2016年9月17日達到了144.17公里/小時驚人的速度記錄。雖然這個速度當然不能適應普通的通勤，但無疑在一輛velomobile上巡航比一輛自行車更加舒適和快速。

有時這些概念只是為了好玩，比如沖浪板、滑板、滑水板、跪式滑水板或風箏板。當然，沖浪板在使用復合材料之前就存在很長的時間了，但纖維增強塑料在很大程度上使它們成長為一個每年生產約40萬單位的市場方面發揮了很大作用。

這些運動已經發展出了許多令人驚訝的變化。比如風箏沖浪，就像風帆沖浪，只不過是風箏拉著你而不是帆。它牽引力是巨大的，發射到空中的風箏板高達10米，其加速度可到達60公里/小時。所以，最好戴上頭盔和防護背心。

水上沖浪滑板（Wakeboarding）更像是滑水（waterskiing），當你站在滑板上時，由船拉著你。這些滑板通常大約5英尺長，1.5英尺寬，具有相當對稱的形狀，使得它們容易反向操作。

由于在空中的機動飛行模式，所有這些板子都將承受巨大的沖擊力。它們通常由泡沫芯組成、成型，然后層壓環氧樹脂、玻璃、碳或芳族聚酰胺纖維。但是有一些昂貴的滑板，其核心可以由木材制成。

躺騎式自行車（velomobiles）能夠取得突破嗎？

如果velomobile概念也能發展成為大眾市場，那將是很有趣的。它始終是一個很有前景的概念，其結合了一些汽車的優點和一些自行車的優點；而且還有很多變化。

例如，“人力動力汽車（People Powered Vehicle）”就有兩個并排的座位。此外, 還有電動馬達輔助的版本，使它們在走走停停的交通和爬山中非常實用。盡管如此，大規模生產還沒有開始。Sinclair C5在20世紀80年代失敗的例子至今仍可引以為鑒。

事后看來，當時的C5和其他應用似乎都有著明顯的缺陷，這些缺陷現在可以通過當前技術和精心設計以彌補。而目前市場似乎對創新型車輛更加開放，其他相關的新概念也越來越多地進入到日常的交通運輸中：電動自行車、電動摩托車、小型電動汽車（如雷諾的Twizy）……

在荷蘭，正常的自行車和電動自行車的速度為45公里/小時，已經受到政府方面的歡迎。從2017年1月開始它們可以上路行駛。但這種自行車在很大程度上仍被視為輕便摩托車，這意味著它們必須離開自行車道，在主干道上加入汽車們的行列。因而，一個比傳統自行車頭盔更強、更厚的特殊頭盔被強制性使用。這些不方便的地方會降低它們對消費者的吸引力。那么，這是否會為諸如躺騎式自行車（velomobiles）和“汽車式自行車（bicycle car）”這樣的替代品打開市場呢？

水陸兩用車尚未突破

在之前的文章里，我們已經展示了復合材料技術是如何給兩棲汽車帶來新的生命。是的，全世界的夢想家們都在努力解決汽車的一個重要缺陷：它不能在水上行駛——如果你考慮到我們的地球三分之二被水覆蓋。第一輛兩棲車可追溯到19世紀，在越野車如SUV和其他4×4變得非常流行的同時令人驚訝的是，兩棲車輛沒有成為普遍常見的汽車。和velomobiles 一樣，它們也有明顯的問題，但似乎最重要的問題在世紀之交的時候就已經解決了。

圖4：Frank Rinderknecht 的Rinspeed Splash 飛行在水面上。（圖片來源：Rinspeed）

在1994年，蒂姆? 杜頓（Tim Dutton）解決了傳統水陸兩用車輛的腐蝕問題，他引進了“水手（Mariner）”玻璃纖維單體車身。螺旋槳使用的安全問題是通過使用水射流來創新的船身形狀（如Alan Gibbs的三座Aquada 或Dave March的Watercar）解決的，這意味著水陸兩用車輛不再是潛水艇式的。

有了現代技術，這些車輛就像陸上跑車和水上快艇一樣快。另外，它們看起來也很酷。奧地利設計師Frank Rinderknecht甚至開發出了一款能在水面上24英尺以水翼飛行達到50英里/小時速度名為Splash的汽車，還有一款sQuba車可以在水下行駛。似乎所有的技術問題和缺點都已經被解決了。不過，你還沒有看到它們在大街上成群結隊地停放著。

可陸上行駛的飛機

另一個混合概念也還沒有起飛——飛行車或者說是可行駛的飛機——其原因相當明顯：價格高，實用性低。你必須是有執照的飛行員，還得兼有駕駛證。不過，人們依然在這一領域認真努力地工作著。

例如，斯洛伐克公司“Aeromobil”正在開發一種具有碳纖維復合材料覆蓋的鋼框架車輛，它簡直是由蝙蝠俠開發的。預計它應該能夠在道路上行駛160公里/小時，在空中行駛200公里/小時。最初，計劃在2017年以數十萬美元的價格推向市場。但是，一如既往地，在打破常規時總會碰到一些挫折，這次是原型機發生了旋轉和碰撞。幸運的是，飛行員兼該公司共同所有者Stefan Klein由于車輛所備的彈道降落傘只受到了輕傷。

圖5：即將投產的PAL-V（照片：www.PAL-V.com）。

該公司現在希望在2018年推出首批產品。但它的長度為6米，寬度為2.24米，相當于勞斯萊斯幻影的長度，比悍馬H1還寬。所以，無論是通過擁擠的交通，還是把它塞進您的車庫，可能都會有點挑戰性。

另外一架可路上行駛的飛機是Transfugia Transition。像AeroMobil一樣，它利用碳纖維復合材料和Rotax 發動機，并且具有大致相同的長度和寬度。它可能看起來不像Aeromobil那么酷，預計在公路的最高時速為110公里/小時，而在空中則是185公里/小時。但在2016年6月，美國聯邦航空局（FAA）批準了其2014年的豁免申請，允許該車輛被認證為輕型運動型飛機，最大起飛重量為1800磅（817公斤）。這是向前邁出的重要一步，因為最初當局堅持輕型運動型飛機必須小于1430磅（649公斤）的最大起飛重量，這使得這款車輛（空重時已達600公斤）毫無用武之地。

2011年時，該公司將其售價定為27.9萬美元。但是，考慮到另一架可行駛飛機PAL-V的歷史，如果Transfugia Transition想擊中市場，那么它的價格可能有點高。PAL-V（Personal Air and Land Vehicle），被稱為“世界上第一輛看似合理的飛行汽車”。

世界上第一輛看似合理的飛行汽車

PAL-V價格預計為40萬歐元。其長度為4米，寬度為1.6米（與大眾Polo尺寸相當），與Aeromobil相比，PAL-V在航空運輸方面具有優勢，而在交通方面更具有實用性。

圖6：正在路上傾斜行駛的PAL-V（照片：www.PAL-V.com）

這款外形奇特的飛行汽車融汽車、摩托車和旋翼機于一體，由荷蘭設計師約翰? 巴克（John Bakker）設計。飛行汽車在地面行駛時最高時速可達180公里，而車后方隱藏著的可折疊水平旋翼、尾翼與推進器能讓汽車騰空飛行，最高時速可達185公里，讓駕駛者擺脫塞車困擾。

PAL-V在各方面都是創新的。在陸地上，它并不是一輛正常的汽車，而是一款雙座混合動力車，配備可折疊旋翼。由于它的三輪結構及“傾斜”系統在地面上行駛時，可以得到如摩托車一般的敏捷感。這就是為什么這款飛行汽車被認為是合理的原因之一。

在空中，它不是基于一架飛機，而是在一個陀螺儀（或說旋翼機）上。在機器處于空中時驅動輪子的電機為螺旋槳供電。由于車輛的前進速度和來自螺旋槳的驅動力，頂置轉子葉片被空氣沖擊使其自動旋轉。旋轉轉子產生升力，使機器在50米內起飛，爬升到海拔1500米。

圖7：PAL-V 正在垂直著陸（照片：www.PAL-V.com）。

就像其他兩架可路上行駛的飛機一樣，PAL-V的重量與經典的Mini Cooper相當。轉子轉速相對較低能夠令噪音水平低于70dB。

提醒你，PAL-V不僅因為它巧妙的技術而充滿希望。還由于美國（2004年）和歐洲（2005年）的新規定讓認證更加容易，從而也使飛機的成本進一步降低。所有的可行駛的飛機、空中飛車、空中摩托、無人機等等，都可能從NASA的“空中高速公路”系統中受益。

無人機無疑是一個正在興起的新市場：無論是對于玩具行業、搜集情報、執法機構、送餐，還是包裹快遞。

Skycar：超過半個世紀的研發

Skycar是Paul Moller博士自1962年以來一直不斷研發的機器，當時他制造了他的第一個垂直起降（垂直起飛和著陸）的原型。他的理由有一定道理：汽車相比于飛機是緩慢的，而飛機又不提供點至點運輸。

從您的車庫到目的地的快速點對點運輸，特別是距離在100到1200公里之間，是Skycar所提供的。它應該能夠在美國宇航局的天空高速公路上達到600公里/小時的速度。像PAL-V一樣，Skycar設計的最初主要針對（政府）組織進行邊境巡邏、快遞、新聞采集、警察執法、消防、搜索和救援等。顯然，也有一些興趣用于軍事目的。

Moller設計的M400 Skycar可以垂直起飛和著陸，高度可達10,000米。為了實現所需的重量比，Moller不得不開發自己的輕型旋轉發動機來驅動機器的反轉旋轉螺旋槳。它具有由蜂窩結構構成的外骨骼，夾在碳纖維層之間（或用于軍事目的的芳綸纖維）。

最后，Skycar不需要飛行員駕駛執照。美國國家航空航天局（NASA）和聯邦航空局（FAA）正在開發SATS（小型飛機運輸系統），這套系統使飛機能夠通過傳播他們的GPS定位來跟蹤彼此。這些信息，連同機載傳感器信息，已經足夠驅動一臺自動駕駛儀，這樣人類飛行員就永遠不需要了。

一旦這臺機器進入市場，其價格應該在一百萬美元左右。在以后大規模生產中，預計最終將降至60萬美元。但它還有很長的路要走。它展示了有限的飛行能力，但它還沒有獲得自由、不受束縛的飛行。盡管螺旋槳的負載相對較低，但它卻產生了大約85分貝的噪音。噪音起碼要減少到70分貝以下，否則Skycar是沒法在大多數居民區飛行的。

超回路列車Typerloop：新形式高速運輸系統

當談到Skycar時，我們難以不持有懷疑態度。但這并不是唯一一項需要數十年才能實現的顛覆性技術——考慮到電動汽車。早在1884 年，托馬斯? 帕克（Thomas Parker）就被認為是第一個生產電動汽車的人。那是在奔馳公司生產內燃發動機汽車的兩年之前。事實上，在開拓時期，電動汽車的性能已經超過了燃燒引擎。然而，電池技術阻礙了它們的發展。

現在，埃隆? 馬斯克（Elon Musk）和特斯拉汽車（Tesla motors）似乎最終也在推動這一轉變。Musk 可以為火車做同樣的事情嗎?

在低壓或真空管中進行高速鐵路運輸的想法已經存在了幾十年了。大概是俄羅斯教授Boris Weinberg在1909建立了第一個模型。這一概念有過許多不同的名字和變化：氣電方式（Airless Electric Way）、空氣動力火車（Vactrain）、Vaculev、真空管技術（Evacuated Tube Technology）……通過真空管中由磁懸浮列車推進車輛甚至已經被提出作為一個系統來運載火箭進入太空（例如：StarTram）。

圖8：PAL-V 的早期使用可能是協助執法和緊急服務（圖片：www.PAL-V.com）。

正是埃隆? 馬斯克（Elon Musk）以他的“超回路列車（Hyperloop）”項目再次吸引了全世界對這種技術的興趣。這些概念讓我們有可能以一種環保和安全的方式提供航空（甚至超過）的速度。

太空旅游

1996年，1000萬美元的安薩里X 大獎公布獲獎名單的時候，許多人對此持懷疑態度。該獎項頒發給了第一個私人投資的可重復使用的航天器，能夠攜帶3人進行亞軌道飛行，飛行高度超過100公里。

2004年10月，伯特? 魯坦（Burt Rutan） 和他的公司Scaled Composites 贏得了大獎，并且他與理查德? 布蘭森爵士（Sir Richard Branson）和維珍銀河公司（Virgin Galactic）合作，將獲獎技術轉變成了一個可行的太空旅游業務的基礎。盡管出現了一些挫折和延誤（比如2014年的太空飛船2號的事故），但拜托于維珍銀河公司（Virgin Galactic），以及在這一領域工作的眾多其他公司，太空旅游市場最終將會實現。

但什么時候能夠真正實現仍是個疑問。X-大獎比大多數人預想的要早得多, 但這項新技術的商業化程度要比大多數人后來預測的要長得多。我們還要等待多久？幾年、幾十年，甚至可能是幾個世紀？

五十年后，大家都不笑了

當經濟實惠的太空旅行成為現實時，對理論上最便宜的太空旅行的興趣也肯定會增長：太空升降機。這個想法既簡單又太離譜了。衛星在赤道上方3.6萬公里的軌道速度與地球的自轉速度完全吻合，這意味著衛星可以永久地保持在地球上相同的位置之上。

你所要做的就是在衛星和地球表面之間架設一條電纜或條帶。然后，你可以通過電纜上下電梯，把人和負載安全、經濟地送進空間并重新返回。

創造足夠強大的電纜是必須解決的大問題之一。你可以通過最大長度來表征材料的強度，由其形成的電纜可以在其自重之前進行咬合。金屬的臨界長度約為20公里，玻璃纖維為70公里，Dyneema纖維為300公里。

隨著重力的降低，離心力在較高的高度被抵消，斷裂長度為5000公里的電纜應該是足夠的。實驗已經顯示了碳晶3000公里的斷裂長度。人們現在正在開發的高強度材料，如碳納米管、石墨烯或金剛石納米線，預計在適當的時候將能夠達到所需的斷裂長度。

此外，據估計，建造太空電梯的費用高達200億美元。太空電梯何時建成？科幻作家兼未來學家Arthur C. Clarke的預言是：“太空電梯將在人們停止大笑50年后建成?！?br/>
您的預測是什么？記?。喊阉鼈兞艚o自己。話雖如此，如果您有和我們分享的沖動：請讓我們知道！如果您覺得我們錯過了任何可能影響復合材料未來的重要事實，請讓我們知道。

因為最后，如果不是你們：復合材料行業和學術界所有勤奮的專家與我們分享你們的知識和發現，我們永遠寫不出這些文章。