「空飛ぶ」夢を追う武装高精鋭、国産炭素繊維奮戦航空宇宙応用市場

「私たちの征途は星の海です」

6月17日、神舟12号の有人宇宙船は無事に聶海勝、劉伯明、湯洪波の3人の宇宙飛行士を宇宙に送り込んだ。有人宇宙船「神舟12号」が天とコアカプセルとの自主的な高速ドッキングに成功した後、3人の宇宙飛行士が天とコアカプセルに入った。中国人が自分の宇宙ステーションに入るのは初めてだ。

外交部の趙立堅報道官は同日の定例記者会見で、広大な宇宙を探索することは全人類の共通の夢だと述べた。

我が国の有人宇宙技術の絶えずの突破と発展は、宇宙飛行を開始する天人の研磨と奮闘に欠かせず、同時に先進的な新材料の「護衛」からも離れられない。

中国航天科技集団が公開した情報によると、宇宙船には強度よりも高く、手触りが快適な炭素繊維材料の操縦棒が採用されている。宇宙船の打ち上げと帰還の過程で、宇宙飛行士の体は座席にしっかり縛られ、体はダッシュボード上の各種設備の操作を完了するために前傾することができなかった。ジョイスティックはこの難題を解決するためのものだ。ジョイスティック本体は無極伸縮式に設計されており、宇宙飛行士は現場条件に応じて一定の範囲内で任意にジョイスティックの長さを調整することができる。

世界的に見て、航空宇宙は炭素繊維とその復材の重点応用分野である。先進的な新材料の重要な「使命」は、「深い空、深い海」などの国の重要な戦略的需要を満たすことである。

では、現在、産業化が急速に進んで20年近く経った後、我が国の炭素繊維の航空宇宙分野への応用探索はどのような新たな突破を得たのだろうか。将来の傾向はどうですか。

航空宇宙装備「軽量化」

好ましい炭素繊維複合材

世界の航空宇宙分野では、「一代の材料、一代の装備」は至言だ。

ある航空分野の業界関係者は、航空材料は航空工業の発展の基礎であると指摘している。航空業の発展は、機体材料、構造材料、エンジン材料、および各種コンポーネント材料の革新的な応用と密接に区別できない。先進的な材料を使用することは、航空機の高性能、軽量化、高信頼性、長寿命、低コストを実現するための重要な保障である。

中国航空発北京航空材料研究院の張学軍副総技師はこれまで、航空機とエンジンにとって材料は軽量、高強度、高温に耐え、構造は低欠陥、高安定性を持つことが必要であり、これは航空材料の増材製造に解決しなければならない問題であると公言してきた。

炭素繊維複合材料は世界的に公認された「高性能、軽量化」の特徴を持つハイテク材料である。

国内の有名な炭素繊維企業の研究開発部の責任者は記者に、比強度の面から見ると、一般的な鉄鋼の引張強度は約600 MPa ~ 800 MPaであり、一般的な炭素繊維の引張強度は3500 MPa以上であり、つまり、炭素繊維の強度は鉄鋼の4 ~ 6倍程度であると紹介した。密度の面から見ると、45番鋼の密度は7.85グラム/立方センチメートルで、T 300炭素繊維の密度は1.76グラム/立方センチメートルで、T 700炭素繊維の密度は1.8グラム/立方センチメートルで、その密度は鋼の1/4未満である。これは、同じ重さの炭素繊維と鉄鋼でも、炭素繊維が耐えられる荷重は鉄鋼の20倍以上であることを意味している。アルミニウム合金の密度は2.7 g/立方センチメートル前後であるが、炭素繊維強化樹脂系複合材料がうまく作れば、密度は2 g/立方センチメートル以下にすることができる。同時に、炭素繊維には突出した耐高温、耐腐食特性がある。例えば、酸素がない場合、炭素繊維は3000℃の高温に耐えられるが、これは一般的な金属材料では達成できない。

その典型的な「軽量高強度」の特徴のため、航空宇宙飛行は世界の炭素繊維とその復材の非常に重要な応用分野となっている。

広州賽奥炭素繊維技術株式会社がこれまで発表した「2020年世界炭素繊維複合材料市場報告」（以下「報告」と略称する）によると、2020年、世界の炭素繊維10.686万トンの総使用量のうち、航空宇宙分野の使用量は16450トンで、約15%を占めている。実際、これまでの数年間、この割合はずっと高い。「2019年世界炭素繊維複合材料市場報告」によると、その年、世界の炭素繊維の総使用量は10.37万トンで、そのうち航空宇宙分野の使用量は2.35万トンで、23%を占めていた。ただ、2020年は世界的な疫病の影響で、海外の民間航空、公務機市場が深刻に下落し、炭素繊維の使用量も一定の下落を示した。

軍需産業の分野では、殲撃機は炭素繊維複材を大量に応用している。「報告」によると、2020年、世界の軍用機分野の炭素繊維の使用量は約2600トンで、世界の航空宇宙分野の炭素繊維の総使用量の約15.8%を占めている。

炭素繊維の戦略的価値のため、国外はずっと炭素繊維の分野で我が国に対して製品、技術、装備の“3つの封鎖”を実行している。肝心な技術と材料は「人に制される」ことはできず、我が国の国防軍需産業分野の自主材料の安全供給を保障しなければならず、国産炭素繊維産業が産業化技術の難題を一歩一歩攻略する最も根本的な動因にもなっている。

2005年以降、国産炭素繊維の製造技術と産業化技術が絶えず新たな突破を遂げたことに伴い、我が国の国防軍需産業用炭素繊維材料は自主供給保障を実現することに成功した。

『報告』によると、2020年、我が国市場の炭素繊維応用総量は48851トンで、そのうち、航空宇宙分野の使用量は約1700トン（一部輸入炭素繊維を含む）である。

光威復材は我が国の軍需産業用炭素繊維市場のリーダーである。同社の2020年財務報告によると、期間中、同社の顧客甲に対する販売額は9億8200万元で、同社の年間総売上高の46.42%を占めている。同社の担当者は記者に対し、「この20年間、光威は国の『863計画』の複数のプロジェクトと国の重大な科学研究プロジェクトを次々と担当し、我が国で最も早く炭素繊維の核心装備の国産化を実現し、国産炭素繊維を我が国の国防軍需産業分野に応用する企業となった。現在、光威は我が国の軍需産業分野の炭素繊維の主力サプライヤーである」と紹介した。

「軍民両用の戦略的材料として、炭素繊維材料の技術は一定の転覆性を持っており、高分子材料を構造材料にすることができる。炭素繊維とその複合材料を装備の代替材料にすることができれば、装備の重量をある程度軽減することができる。我が国の各種装備は絶えず世代交代をアップグレードする必要があり、軽量化は永遠のテーマである。航空宇宙装備の減量は、すべてグラム単位で行われている。ロケットのエンジン重量を減らすことができれば、その射程は著しく増加する。飛行機の重量を減らすことができれば、その燃費、排出量はそれに応じて減少する。これこそ炭素繊維とその複合材料がますます人気を集めている主な原因である。」航空機の構造力学と複合材料の専門家で、中国工程院院士の杜善義氏はこう述べた。

我が国の民間航空業

自己炭素繊維の抱擁を速める

先進航空機製造業は一般的に「製造業の頭上のクラウン」と呼ばれている。我が国の軍需産業分野で使用される炭素繊維材料の自主保障を成功裏に実現した後、ここ数年、民間航空、宇宙分野において、国産炭素繊維の応用も絶えず新たな突破を遂げている。特にここ2年、複雑で変化の多い国際情勢に直面して、民間航空分野で国産自主複合材料の使用を加速させることはすでに大勢の赴くところである。

商用機は中の重さだ。世界市場から見ると、数十年来、先進国の有名な航空会社と炭素繊維の「大手」が協力して開発し、商用航空機を炭素繊維複合材の優位な応用分野にした。例えば、大型旅客機ボーイング787やエアバスA 350には炭素繊維複合材が大量に使用されている。

「報告」によると、2020年、世界の商用航空機分野の炭素繊維の使用量は約8700トンで、世界の航空宇宙分野の炭素繊維の総使用量に占める割合は約52.9%だった。

我が国では、国産大型航空機製造プロジェクトの推進に伴い、国産炭素繊維との連携が進んでいる。特に2020年になると、このプロセスは加速度を開いた。

「2020年8月から現在に至るまで、世界的な炭素繊維大手の日本東レは我が国に対して炭素繊維の切断供給を行っている。これは、現在の情勢の下で、民間航空分野の材料供給も自主権を自分の手に握らなければならないことをよりはっきりと認識させる」と、ある炭素繊維企業の責任者は記者に感慨した。

中国商飛複合材料センターの典型的な構造部の責任者はこれまで、複合材料の大型旅客機での使用は、尾翼などの次支持構造から、胴体、翼などの主支持構造へと拡大していることを明らかにしてきた。国産大型航空機C 919と中ロワイドボディ機プロジェクトCR 929はいずれも複合材料を大量に使用している。現在、複合材料はC 919で主に後胴体セグメントに使用されており、複合材料の使用量は約12%を占めている。次に、CR 929の胴体、翼、尾翼には、機首以外にも複合材料の使用が計画されており、使用量の約50%が予想されています。

記者は取材の中で、我が国の複数の炭素繊維企業が国産大航空機プロジェクトに参加していることを知った。光威復材の関係責任者は、「光威の炭素繊維製品のC 919応用に対するPCD検証は長年行われているが、まだ量産応用されていない。CR 929の応用に対しては、現在材料準備が進んでいる」と公開した。

商用大型航空機のほか、ヘリコプター、ドローンも炭素繊維とその複合材の重要な応用分野であり、例えば高原ヘリコプター、農業分野の散薬用ドローンなどである。

「報告」によると、2020年、世界のヘリコプターの炭素繊維使用量は約1500トンで、世界の航空宇宙分野の炭素繊維総使用量の9.1%を占めている。世界のドローン分野の使用量は750トンで、約4.6%を占めている。

これらの面では、国産炭素繊維の応用もここ数年拡大している。今年5月から6月にかけて、光威復材は航空工業一飛院、一通ドローンシステム有限会社にTP 500無人輸送機初の後胴体、尾翼、前胴体を順次納入し、TP 500無人輸送機初の胴体と尾翼の完全納入を実現したと発表した。

TP 500無人輸送機は主に貨物輸送の無人輸送市場に応用され、全体は主に複合材料の設計製造を採用し、先進的な接着一体化技術を用いて組み立て接続し、構造重量を最大限に軽減し、生産コストを削減した。同機は主に我が国の内陸部と島、および東南アジア、中東、北アフリカなどの国と地域の貨物輸送無人輸送市場の需要を満たすために使用され、その後、リモートセンシングマッピング、人影工事、通信保障、緊急救援などの任務を実行するために改造することもできる。

光威復材の上述の責任者によると、この無人輸送機は航空工業第一飛行機設計研究院が全体的な開発単位として、壱通無人機システム有限会社が全体的な組み立て単位として、光威復材は炭素繊維プリプレグの主材、部品、大部品の組み立てなどの開発任務を引き受け、大部品の形で全体的に顧客に渡して総組み立ての調整を行った。

「ここ数年来、光威復材は自身の炭素繊維及び複合材料の全産業チェーンの優位性に基づいて、ドローン複合材料業務を積極的に発展させ、現在すでに炭素繊維、プリプレグ供給から複合材料製造品及び機械全体複合材料の開発能力を備えている。同社はすでに豊富なドローン製造、民間航空システム建設の経験を蓄積し、AR 500シリーズのドローンヘリコプター、TP 500無人輸送機、高空太陽エネルギー長航ドローンなど多くのタイプのドローンを顧客に納入することに成功した」と述べた。この担当者は言う。

この担当者はさらに、「AR 500シリーズ、TP 500シリーズの2つのドローンは、いずれも光威が自社生産した繊維とプリプレグを採用しており、小トウT 700級炭素繊維を中心にしている。初のTP 500無人輸送機の完全納入は、無人ヘリコプターの納入と量産に続き、炭素繊維複合材の研究開発と生産能力が絶えず向上していることのもう一つの重要な体現である。全体的に見ると、民間無人輸送機市場は将来的に広大な発展空間を持っている。光威も引き続き努力し、会社の炭素繊維、プリプレグから複材の設計、成形製造などの一体化した協同優位性を十分に発揮し、関連する設計、運営などの方面に積極的に協力し、早期に商業化目標を実現する」と述べた。

また、広州賽奥炭素繊維技術株式会社の林剛社長は記者団に対し、「国内では近年、農業分野でのドローン使用量も増加しており、例えば新疆綿農が綿花にスプレーしてドローンを使用することが増えている。これらの分野は非常に潜在力のある市場であり、国産炭素繊維にとっても新たなチャンスだ」と述べた。

我が国の次世代ロケット

国産炭素繊維を使用する

「報告」によると、2020年、世界の宇宙分野における炭素繊維の使用量は約300トンで、世界の航空宇宙分野における炭素繊維の総使用量に占める割合は約3%だった。

我が国の宇宙分野では、国産炭素繊維とその復材の応用突破は現在も絶えず突破している。最近、光威復材から提供された国産T 800 H級炭素繊維、上海航天八院が設計・開発した直径3.35メートルの複合材料液体酸素貯蔵箱の低温力学試験が順調に完成した。

上海航天側によると、これは国内の大型複合材料の液体酸素貯蔵タンクが国産炭素繊維を初めて応用し、しかも工事の応用量級の試験検証を通じて、我が国の複合材料の液体酸素貯蔵タンクがすでに初歩的に工事の応用能力を備えていることを示しており、後続は我が国の次世代輸送ロケットに工事の応用を実現する見込みである。

上海宇宙飛行は公式の微信公衆号で、ロケットの構造重量の60%以上を占めるタンクは、ロケットの体の「大きな体」の部品と言えると発表した。タンクが軽いほど、ロケットに搭載できる有効荷重が多いほどロケットの搬送能力が大きくなることを意味するため、タンクの重量は構造デザイナーたちに「細かいこと」をさせてきた。ここ数年、伝統的なアルミニウム銅合金から高強度のアルミニウムリチウム合金材料まで、タンク構造材料の反復はロケットの減量の「小さな目標」を達成するのに絶えず助力してきたが、構造デザイナーたちにとってはまだ十分ではない。2016年から、上海航天八院チームはより高い力学性能を持つ炭素繊維強化複合材料に注目し、関連方案の論証作業を展開した。

805に搭載されたロケット構造システムデザイナーの陳佳氏によると、複合材料の比強度は通常50%以上向上でき、金属タンクの予想より30%削減できるという。また、一体化設計方法を通じて、製造プロセスと品質制御プロセスを大幅に簡略化し、本を下げて効果を高める著しい成果を達成することができる。上海航天八院が総開発した次世代ロケットを例に、現在の金属貯蔵箱をベースに30%減量できれば、ロケットの積載能力は6%向上することができる。つまり、ロケットは300キロの積載量を多く搭載することができ、これは輸送力価格がグラムである火矢を積載する上で重要な意義がある。

「805所在の大型複合材料の液体酸素貯蔵タンクの重要技術の難関突破は実質的な突破を遂げ、これにより複合材料の液体酸素貯蔵タンクの『第十四次五カ年計画』期間中に我が国の次世代運搬ロケットで工事応用の目標を実現することが現実的に実行可能になった」上海宇宙飛行はこのように表明した。

光威復材の関係責任者は記者に対し、「光威は2013年に国産T 800級高性能炭素繊維の核心技術を突破し、2014年にエンジニアリング生産を実現した。関係部門が審査に参加した『国産T 800 H級炭素繊維』と『高強度高モード炭素繊維』の2つの『一貫』プロジェクトの全国評価で、光威はいずれも全国1位を獲得した。現在、光威はすでに高強度、高強度中型、高強度高型シリーズ化炭素繊維製品体系を形成し、先進的な炭素繊維複合材料研究開発センターを建設した。私たちの目標は、我が国の宇宙飛行、航空、兵器工業、大飛行機などの国防軍需産業と国民経済分野の重要プロジェクトに対して、自主的で高性能な炭素繊維、複合材料と製造品などの製品を持続的に提供することである。会社が炭素繊維技術の研究開発と産業化の難関を突破してから、産業報国はずっと私たちのためにたゆまず奮闘する目標です」

しかし、注目すべきは、先進国に比べて、我が国の炭素繊維とその復材の現在の航空宇宙分野での応用比率は依然として小さいことである。『報告』によると、2020年、我が国の航空宇宙分野の炭素繊維使用量が我が国市場における炭素繊維使用総量に占める割合は約3.5%であり、同期の世界の15%に比べてまだ一定の差がある。

しかし、格差は成長潜在力を意味する。全体的な発展傾向を見ると、杜善義氏は「将来、炭素繊維とその複合材料はますます重要になり、需要はますます切迫し、役割はますます顕著になり、応用分野もますます広がるだろう」と強調した。

林剛氏は、「現在、中米貿易摩擦が激化し、日本の東レが我が国に炭素繊維の切断供給を行っていることは、民間航空市場も国産戦略的材料の自主保障プロセスを加速させなければならないことを我が国の航空宇宙分野により一層認識させている。一方で、東レの切断は、かえって国産炭素繊維により多くの機会を与えている。世界の炭素繊維応用市場の全体的な発展傾向を見ると、この2年間は疫病に見舞われたが、航空宇宙市場の将来の生命力は依然として旺盛である。今後3年間で、民間航空市場の炭素繊維需要は2019年の水準に回復する見通しだ。また、需要が回復した後、世界市場の単通路航空機が炭素繊維とその複合材を広く採用することに加え、航空市場用炭素繊維に励起作用を与え続けるだろう。2030年までに、世界の航空宇宙市場における炭素繊維の使用量は8万トンから10万トンに増加する見通しだ。全体的に見ると、今後10年間、商業応用において、世界の炭素繊維の応用主駆動力は工業であり、補助駆動は航空宇宙である。技術発展の面では、炭素繊維は依然として航空宇宙と工業応用の「ダブルドライブ」モデルであり、それぞれ駆動する製品の規格にはそれぞれ特色がある」と述べた。

（出所：中国紡績報）