运输领域复合材料的未来

复合材料可以具有很高的强度和刚度比，这就是为什么它们是任何运输工具的理想构建材料之一：飞机、火车、汽车……复合材料可以使其更轻，提高其性能、能源效率，并具有生态友好性。那么，我们应该看到它们在这个技术领域的应用越来越多，不是吗？

汽车行业：对抗高强度钢

以汽车为例。在本刊今年3月号的《为捷豹F 型开发新的前车身底板》一文中，我们看到越来越多的知识和技术投入到车用复合材料及其加工当中。这些材料不仅减轻了重量，还令功能集成，并且可以以金属不可能的方式为其应用量身打造。

BMW i3和i8是目前汽车行业复合材料应用的楷模。自从1981年首次出现在迈凯轮（McLaren ）MP4一级方程式赛车上以来，碳纤维增强的单体壳车架就一直存在于这些引人注目的超级跑车中。而现在，i3和i8终于显示出这些材料可以在相对较大的体积中使用。那么，是否可以认为碳纤维复合材料将成为汽车行业的新常态了？

要实现这一目标，制造成本仍需大幅下降。但这当然是可能的。福特的T型大规模生产技术在1908年推出。因此，大规模生产金属汽车车身的技术已经发展了一个多世纪。这就为大规模生产碳纤维增强复合材料设置了很高的门槛：有很多技术要追赶。不过，为复合材料开发更快、更具成本效益的制造技术还有发展空间，而且还有很多的创新发生在这一领域。

在它们生命终结时回收碳纤维汽车也是一个问题。理论上，宝马i3 可以95%回收利用。但是，如果碳纤维车体成为新常态，那么拆车工厂是否愿意获得必要的知识和技术去处理呢？

图1：捷豹F 型保险杠和前车身底板组件，这是我们今年3 月号《为捷豹F 型开发新的前车身底板》一文中的主题。 所有零件均由POLYTEC公司不同的技术业务部门生产（照片：POLYTEC GROUP）。

与此同时，钢铁业也在反击。1994年，当奥迪A8推出时，它有一个创新的铝制立体构架底盘，使汽车相对较轻和耐腐蚀。因此，铝为汽车提供了许多优点，如同碳纤维增强复合材料带给了宝马i3和i8。接下来的1995年，莲花路特斯（Lotus Elise）跑车以一种铝制单壳体为基础。这一变化似乎已经开始，汽车工业的很大一部分将转向铝作为新材料。

与此同时，这一新的竞争者的到来加剧了已经发生的另一种变化：寻求使用更强的钢铁材料。从2011年CX-5车型的保险杠组装开始，马自达已经开始使用一种拉伸强度1800 MPa的钢材来制造部件，这种强度还可以用压力机来制造。该强度大约是传统车用低碳钢材的六到七倍。

飞机领域：保持势头

从使用金属到使用复合材料发生很大程度上转变的是飞机制造业。复合材料已经飞行了几十年，尤其是小型飞机。现在，复合材料已经在相当大的程度上取代了客机上的铝。波音787梦想客机大约是包括：50%的复合材料、20%的铝、15%的钛、10%的钢材和5% 的其他材料组成。空客A350 XWB又向前迈进了一步：53%的复合材料，19%的铝/铝锂、14%的钛、6%的钢材，8%的其他。另外，空客声称A350内部的噪音水平比787飞机低了9分贝。

图2：我们在2016 年11 月号的《最薄弱的环节》一文中，所探讨的令人惊讶的研究结果之一：粘合剂粘结体并不是目前碳纤维增强塑料加强蒙皮结构中最薄弱的环节，而是该复合材料加强筋本身。

复合材料不仅令飞机更轻。复合结构也有助于降低疲劳敏感性，这意味着它们需要更少的维护。波音787 的大修间隔从6增加到了13年。

不过，我们也没有理由太过高兴。复合材料的价格昂贵，因此必须想方设法减少制造成本，例如采用热塑性复合材料、创新的焊接方法和共同固结（co-consolidating），就像我们在2017年3月号的《在热塑性复合材料领域一路领先》一文中所提到的那样。

复合材料的所带来变化并没有使所有的相关重量减少，因为新技术仍然伴随着更高的安全系数。为了防止航空业从长远的角度回归到金属工业，这些安全因素必须降低。就像我们在2016年11月号的《最薄弱的环节》中所看到的那样，通过对失效机制进行大量的基础性研究，发现粘合剂粘结体并不是目前碳纤维增强塑料加强蒙皮结构中最薄弱的环节。

船用复合材料：徘徊在边缘

对于船舶、船艇以及军舰而言，复合材料的优势非常明显。然而令人惊讶的是，金属船体仍然是许多类型船舶，特别是较大型船舶的标准。Damen Naval Shipbuilding的专家表明了一些原因。

目前也显示了造船企业和像E-LASS 这样的组织（the European network for lightweight applications at sea）正试图改变这一潮流。这个领域现在有一种复合材料技术应该取得突破的紧迫感。同时，制造成本也是一个很大的因素。

图3：得益于复合材料，一架Damen 护卫舰在波涛之中轻快前行。

几十年前，Damen Schelde Naval Shipbuilding海军造船公司从建造复合材料船改为铝，因为这样可以实现更便宜的生产。但那仅仅是过去。自世纪之交以来，他们就一直在更换回使用复合材料，即使是更大的船只。因为模块化设计和系列生产技术使得它们的生产成本比铝材更为优惠。

尽管复合材料船在原理上许多方面都比金属船更加安全，但实现大型复合材料船舶建造最大的挑战就是向客户证明，这些船舶至少与金属船舶一样安全。就像航空领域一样：证明复合材料结构性能的基础研究是关键。

激发新的运输方式或只是乐趣？

复合材料还能够开创创新的车辆和运输方式，这可以打开全新的市场。有时这些概念是满足交通需求的真正有用的工具。例如“躺骑式自行车（velomobile）”或“汽车式自行车（bicycle car）”，它本质上是一个卧式自行车或者是具有气动外壳的三轮车。高科技版的Todd Reichert于2016年9月17日达到了144.17公里/小时惊人的速度记录。虽然这个速度当然不能适应普通的通勤，但无疑在一辆velomobile上巡航比一辆自行车更加舒适和快速。

有时这些概念只是为了好玩，比如冲浪板、滑板、滑水板、跪式滑水板或风筝板。当然，冲浪板在使用复合材料之前就存在很长的时间了，但纤维增强塑料在很大程度上使它们成长为一个每年生产约40万单位的市场方面发挥了很大作用。

这些运动已经发展出了许多令人惊讶的变化。比如风筝冲浪，就像风帆冲浪，只不过是风筝拉着你而不是帆。它牵引力是巨大的，发射到空中的风筝板高达10米，其加速度可到达60公里/小时。所以，最好戴上头盔和防护背心。

水上冲浪滑板（Wakeboarding）更像是滑水（waterskiing），当你站在滑板上时，由船拉着你。这些滑板通常大约5英尺长，1.5英尺宽，具有相当对称的形状，使得它们容易反向操作。

由于在空中的机动飞行模式，所有这些板子都将承受巨大的冲击力。它们通常由泡沫芯组成、成型，然后层压环氧树脂、玻璃、碳或芳族聚酰胺纤维。但是有一些昂贵的滑板，其核心可以由木材制成。

躺骑式自行车（velomobiles）能够取得突破吗？

如果velomobile概念也能发展成为大众市场，那将是很有趣的。它始终是一个很有前景的概念，其结合了一些汽车的优点和一些自行车的优点；而且还有很多变化。

例如，“人力动力汽车（People Powered Vehicle）”就有两个并排的座位。此外, 还有电动马达辅助的版本，使它们在走走停停的交通和爬山中非常实用。尽管如此，大规模生产还没有开始。Sinclair C5在20世纪80年代失败的例子至今仍可引以为鉴。

事后看来，当时的C5和其他应用似乎都有着明显的缺陷，这些缺陷现在可以通过当前技术和精心设计以弥补。而目前市场似乎对创新型车辆更加开放，其他相关的新概念也越来越多地进入到日常的交通运输中：电动自行车、电动摩托车、小型电动汽车（如雷诺的Twizy）……

在荷兰，正常的自行车和电动自行车的速度为45公里/小时，已经受到政府方面的欢迎。从2017年1月开始它们可以上路行驶。但这种自行车在很大程度上仍被视为轻便摩托车，这意味着它们必须离开自行车道，在主干道上加入汽车们的行列。因而，一个比传统自行车头盔更强、更厚的特殊头盔被强制性使用。这些不方便的地方会降低它们对消费者的吸引力。那么，这是否会为诸如躺骑式自行车（velomobiles）和“汽车式自行车（bicycle car）”这样的替代品打开市场呢？

水陆两用车尚未突破

在之前的文章里，我们已经展示了复合材料技术是如何给两栖汽车带来新的生命。是的，全世界的梦想家们都在努力解决汽车的一个重要缺陷：它不能在水上行驶——如果你考虑到我们的地球三分之二被水覆盖。第一辆两栖车可追溯到19世纪，在越野车如SUV和其他4×4变得非常流行的同时令人惊讶的是，两栖车辆没有成为普遍常见的汽车。和velomobiles 一样，它们也有明显的问题，但似乎最重要的问题在世纪之交的时候就已经解决了。

图4：Frank Rinderknecht 的Rinspeed Splash 飞行在水面上。（图片来源：Rinspeed）

在1994年，蒂姆• 杜顿（Tim Dutton）解决了传统水陆两用车辆的腐蚀问题，他引进了“水手（Mariner）”玻璃纤维单体车身。螺旋桨使用的安全问题是通过使用水射流来创新的船身形状（如Alan Gibbs的三座Aquada 或Dave March的Watercar）解决的，这意味着水陆两用车辆不再是潜水艇式的。

有了现代技术，这些车辆就像陆上跑车和水上快艇一样快。另外，它们看起来也很酷。奥地利设计师Frank Rinderknecht甚至开发出了一款能在水面上24英尺以水翼飞行达到50英里/小时速度名为Splash的汽车，还有一款sQuba车可以在水下行驶。似乎所有的技术问题和缺点都已经被解决了。不过，你还没有看到它们在大街上成群结队地停放着。

可陆上行驶的飞机

另一个混合概念也还没有起飞——飞行车或者说是可行驶的飞机——其原因相当明显：价格高，实用性低。你必须是有执照的飞行员，还得兼有驾驶证。不过，人们依然在这一领域认真努力地工作着。

例如，斯洛伐克公司“Aeromobil”正在开发一种具有碳纤维复合材料覆盖的钢框架车辆，它简直是由蝙蝠侠开发的。预计它应该能够在道路上行驶160公里/小时，在空中行驶200公里/小时。最初，计划在2017年以数十万美元的价格推向市场。但是，一如既往地，在打破常规时总会碰到一些挫折，这次是原型机发生了旋转和碰撞。幸运的是，飞行员兼该公司共同所有者Stefan Klein由于车辆所备的弹道降落伞只受到了轻伤。

图5：即将投产的PAL-V（照片：www.PAL-V.com）。

该公司现在希望在2018年推出首批产品。但它的长度为6米，宽度为2.24米，相当于劳斯莱斯幻影的长度，比悍马H1还宽。所以，无论是通过拥挤的交通，还是把它塞进您的车库，可能都会有点挑战性。

另外一架可路上行驶的飞机是Transfugia Transition。像AeroMobil一样，它利用碳纤维复合材料和Rotax 发动机，并且具有大致相同的长度和宽度。它可能看起来不像Aeromobil那么酷，预计在公路的最高时速为110公里/小时，而在空中则是185公里/小时。但在2016年6月，美国联邦航空局（FAA）批准了其2014年的豁免申请，允许该车辆被认证为轻型运动型飞机，最大起飞重量为1800磅（817公斤）。这是向前迈出的重要一步，因为最初当局坚持轻型运动型飞机必须小于1430磅（649公斤）的最大起飞重量，这使得这款车辆（空重时已达600公斤）毫无用武之地。

2011年时，该公司将其售价定为27.9万美元。但是，考虑到另一架可行驶飞机PAL-V的历史，如果Transfugia Transition想击中市场，那么它的价格可能有点高。PAL-V（Personal Air and Land Vehicle），被称为“世界上第一辆看似合理的飞行汽车”。

世界上第一辆看似合理的飞行汽车

PAL-V价格预计为40万欧元。其长度为4米，宽度为1.6米（与大众Polo尺寸相当），与Aeromobil相比，PAL-V在航空运输方面具有优势，而在交通方面更具有实用性。

图6：正在路上倾斜行驶的PAL-V（照片：www.PAL-V.com）

这款外形奇特的飞行汽车融汽车、摩托车和旋翼机于一体，由荷兰设计师约翰• 巴克（John Bakker）设计。飞行汽车在地面行驶时最高时速可达180公里，而车后方隐藏着的可折叠水平旋翼、尾翼与推进器能让汽车腾空飞行，最高时速可达185公里，让驾驶者摆脱塞车困扰。

PAL-V在各方面都是创新的。在陆地上，它并不是一辆正常的汽车，而是一款双座混合动力车，配备可折叠旋翼。由于它的三轮结构及“倾斜”系统在地面上行驶时，可以得到如摩托车一般的敏捷感。这就是为什么这款飞行汽车被认为是合理的原因之一。

在空中，它不是基于一架飞机，而是在一个陀螺仪（或说旋翼机）上。在机器处于空中时驱动轮子的电机为螺旋桨供电。由于车辆的前进速度和来自螺旋桨的驱动力，顶置转子叶片被空气冲击使其自动旋转。旋转转子产生升力，使机器在50米内起飞，爬升到海拔1500米。

图7：PAL-V 正在垂直着陆（照片：www.PAL-V.com）。

就像其他两架可路上行驶的飞机一样，PAL-V的重量与经典的Mini Cooper相当。转子转速相对较低能够令噪音水平低于70dB。

提醒你，PAL-V不仅因为它巧妙的技术而充满希望。还由于美国（2004年）和欧洲（2005年）的新规定让认证更加容易，从而也使飞机的成本进一步降低。所有的可行驶的飞机、空中飞车、空中摩托、无人机等等，都可能从NASA的“空中高速公路”系统中受益。

无人机无疑是一个正在兴起的新市场：无论是对于玩具行业、搜集情报、执法机构、送餐，还是包裹快递。

Skycar：超过半个世纪的研发

Skycar是Paul Moller博士自1962年以来一直不断研发的机器，当时他制造了他的第一个垂直起降（垂直起飞和着陆）的原型。他的理由有一定道理：汽车相比于飞机是缓慢的，而飞机又不提供点至点运输。

从您的车库到目的地的快速点对点运输，特别是距离在100到1200公里之间，是Skycar所提供的。它应该能够在美国宇航局的天空高速公路上达到600公里/小时的速度。像PAL-V一样，Skycar设计的最初主要针对（政府）组织进行边境巡逻、快递、新闻采集、警察执法、消防、搜索和救援等。显然，也有一些兴趣用于军事目的。

Moller设计的M400 Skycar可以垂直起飞和着陆，高度可达10,000米。为了实现所需的重量比，Moller不得不开发自己的轻型旋转发动机来驱动机器的反转旋转螺旋桨。它具有由蜂窝结构构成的外骨骼，夹在碳纤维层之间（或用于军事目的的芳纶纤维）。

最后，Skycar不需要飞行员驾驶执照。美国国家航空航天局（NASA）和联邦航空局（FAA）正在开发SATS（小型飞机运输系统），这套系统使飞机能够通过传播他们的GPS定位来跟踪彼此。这些信息，连同机载传感器信息，已经足够驱动一台自动驾驶仪，这样人类飞行员就永远不需要了。

一旦这台机器进入市场，其价格应该在一百万美元左右。在以后大规模生产中，预计最终将降至60万美元。但它还有很长的路要走。它展示了有限的飞行能力，但它还没有获得自由、不受束缚的飞行。尽管螺旋桨的负载相对较低，但它却产生了大约85分贝的噪音。噪音起码要减少到70分贝以下，否则Skycar是没法在大多数居民区飞行的。

超回路列车Typerloop：新形式高速运输系统

当谈到Skycar时，我们难以不持有怀疑态度。但这并不是唯一一项需要数十年才能实现的颠覆性技术——考虑到电动汽车。早在1884 年，托马斯• 帕克（Thomas Parker）就被认为是第一个生产电动汽车的人。那是在奔驰公司生产内燃发动机汽车的两年之前。事实上，在开拓时期，电动汽车的性能已经超过了燃烧引擎。然而，电池技术阻碍了它们的发展。

现在，埃隆• 马斯克（Elon Musk）和特斯拉汽车（Tesla motors）似乎最终也在推动这一转变。Musk 可以为火车做同样的事情吗?

在低压或真空管中进行高速铁路运输的想法已经存在了几十年了。大概是俄罗斯教授Boris Weinberg在1909建立了第一个模型。这一概念有过许多不同的名字和变化：气电方式（Airless Electric Way）、空气动力火车（Vactrain）、Vaculev、真空管技术（Evacuated Tube Technology）……通过真空管中由磁悬浮列车推进车辆甚至已经被提出作为一个系统来运载火箭进入太空（例如：StarTram）。

图8：PAL-V 的早期使用可能是协助执法和紧急服务（图片：www.PAL-V.com）。

正是埃隆• 马斯克（Elon Musk）以他的“超回路列车（Hyperloop）”项目再次吸引了全世界对这种技术的兴趣。这些概念让我们有可能以一种环保和安全的方式提供航空（甚至超过）的速度。

太空旅游

1996年，1000万美元的安萨里X 大奖公布获奖名单的时候，许多人对此持怀疑态度。该奖项颁发给了第一个私人投资的可重复使用的航天器，能够携带3人进行亚轨道飞行，飞行高度超过100公里。

2004年10月，伯特• 鲁坦（Burt Rutan） 和他的公司Scaled Composites 赢得了大奖，并且他与理查德• 布兰森爵士（Sir Richard Branson）和维珍银河公司（Virgin Galactic）合作，将获奖技术转变成了一个可行的太空旅游业务的基础。尽管出现了一些挫折和延误（比如2014年的太空飞船2号的事故），但拜托于维珍银河公司（Virgin Galactic），以及在这一领域工作的众多其他公司，太空旅游市场最终将会实现。

但什么时候能够真正实现仍是个疑问。X-大奖比大多数人预想的要早得多, 但这项新技术的商业化程度要比大多数人后来预测的要长得多。我们还要等待多久？几年、几十年，甚至可能是几个世纪？

五十年后，大家都不笑了

当经济实惠的太空旅行成为现实时，对理论上最便宜的太空旅行的兴趣也肯定会增长：太空升降机。这个想法既简单又太离谱了。卫星在赤道上方3.6万公里的轨道速度与地球的自转速度完全吻合，这意味着卫星可以永久地保持在地球上相同的位置之上。

你所要做的就是在卫星和地球表面之间架设一条电缆或条带。然后，你可以通过电缆上下电梯，把人和负载安全、经济地送进空间并重新返回。

创造足够强大的电缆是必须解决的大问题之一。你可以通过最大长度来表征材料的强度，由其形成的电缆可以在其自重之前进行咬合。金属的临界长度约为20公里，玻璃纤维为70公里，Dyneema纤维为300公里。

随着重力的降低，离心力在较高的高度被抵消，断裂长度为5000公里的电缆应该是足够的。实验已经显示了碳晶3000公里的断裂长度。人们现在正在开发的高强度材料，如碳纳米管、石墨烯或金刚石纳米线，预计在适当的时候将能够达到所需的断裂长度。

此外，据估计，建造太空电梯的费用高达200亿美元。太空电梯何时建成？科幻作家兼未来学家Arthur C. Clarke的预言是：“太空电梯将在人们停止大笑50年后建成。”

您的预测是什么？记住：把它们留给自己。话虽如此，如果您有和我们分享的冲动：请让我们知道！如果您觉得我们错过了任何可能影响复合材料未来的重要事实，请让我们知道。

因为最后，如果不是你们：复合材料行业和学术界所有勤奋的专家与我们分享你们的知识和发现，我们永远写不出这些文章。