Samengestelde aerostructuren in de opkomende markt voor stedelijke luchtmobiliteit

Het idee van een vliegende auto is al lang aangekondigd in de populaire cultuur, van de Jetsons cartoon in de vroege jaren 1960 tot de Star Wars landspeeder in de jaren ’70, en vele andere incarnaties in recentere sciencefiction. De belofte die ze allemaal naar voren brachten, is een toekomst waarin dagelijks vervoer de derde dimensie zou kunnen betreden en het verkeer en de congestie die modern woon-werkverkeer is, kan omzeilen. Verder was hun veronderstelling dat zo'n gemakkelijk transport om de hoek lag - een niet onoverkomelijke technische uitdaging. Vandaag, bijna 60 jaar na-Jetsons , lijkt het erop dat we eindelijk aan de vooravond staan van zo'n transportrevolutie.

Er zijn op dit moment verschillende programma's voor de ontwikkeling van vliegtuigen ver langs het fabricage- en testtraject die erop gericht zijn het passagiers- en/of vrachtvervoer in grote stedelijke gebieden over de hele wereld binnen de komende vijf jaar te vergemakkelijken. Al deze vliegtuigen werken op batterijen en zijn sterk afhankelijk van de gewichtsbesparende, krachtgevende kracht van composieten.

UAM, AAM, eVTOL

Wat is deze transportrevolutie? Het gaat onder vele namen. Het begon met elektrische vliegtuigen voor verticaal opstijgen en landen (eVTOL), maar dit kan soms te specifiek zijn, dus schakelde de industrie over op stedelijke luchtmobiliteit (UAM). NASA geeft de voorkeur aan geavanceerde luchtmobiliteit (AAM), die veel bases bestrijkt en de stedelijke aard van de technologie wegneemt - ondanks het feit dat AAM erg is ontworpen voor de stedelijke omgeving.

Ongeacht de naam - we gebruiken hier de meer gebruikelijke UAM - vliegtuigen van dit genre zijn ontworpen om een van de twee functies uit te voeren. Een daarvan is het leveren van bestuurde of autonome luchttaxidiensten, waarbij mensen van punt A naar punt B (helihaven/luchthaven-naar-helihaven/luchthaven) worden vervoerd over een afstand van 25-400 kilometer, intracity of intercity. De tweede functie is om autonoom vrachtvervoer in vergelijkbare omgevingen te bieden.

De economie en statistieken die UAM aandrijven zijn talrijk, en niet alle kunnen hier worden onderzocht (KPMG biedt een goede inleiding over de technologie en wat erachter zit), maar een van de grootste drijfveren is de snelle verstedelijking van de planeet. Volgens de VN zal tegen 2050 68% van de wereldbevolking – ongeveer 7,1 miljard mensen – in stedelijke gebieden wonen. Dit zal een aanzienlijke druk leggen op de transportinfrastructuur, waardoor reizen met de auto steeds moeilijker wordt. Uitbreiding van reizen naar het luchtruim boven steden zal naar verwachting die druk verlichten. Vandaar de snelgroeiende UAM-markt.

Lucht- en ruimtevaartkwaliteit, hoeveelheid auto's

Ongeacht de marktwerking en economie, hebben UAM-fabrikanten het tot nu toe onontgonnen gebied van composietfabricage betreden. UAM-vliegtuigen moeten, om in dienst te treden, zijn gecertificeerd door de autoriteit die het vliegverkeer regelt, vergelijkbaar met hoe grote commerciële vliegtuigen worden gecertificeerd. In de VS is dat de FAA en in Europa is dat EASA. Om die certificering te behalen, moet het vliegtuig aan bepaalde veiligheids- en prestatiestatistieken voldoen. Het gebruik van composieten om te voldoen aan de certificeringsvereisten, hoewel niet triviaal, is gemakkelijk binnen het bereik van verschillende gebruikelijke materiaal- en procescombinaties.

UAM-fabrikanten overwegen echter ook volledige productievolumes in de honderden, zo niet duizenden eenheden. Dit is ver verwijderd van het tarief van acht per maand voor de productie van de Boeing 787 of de Airbus A350. Het bereiken van dergelijke snelheden vereist de ontwikkeling van proces-, procesbesturings- en automatiseringstechnologieën die herhaalbaar, betrouwbaar en efficiënt hoogwaardige, on-spec aerostructuren kunnen produceren. Zo is UAM-productie het uithangbord geworden voor de gebruikelijke uitdrukking voor composieten:"Lucht- en ruimtevaartkwaliteit, automobielkwantiteit."

Een van de leiders van de luchttaxiservice is, voorspelbaar, Uber, dat Uber Elevate heeft gecreëerd, een dienst voor het delen van ritten via de lucht. Uber Elevate heeft een contract gesloten met verschillende UAM-productiepartners die vliegtuigen voor het bedrijf zullen bouwen. Deze omvatten Aurora Flight Sciences, Bell, Embraer, Hyundai, Jaunt Air Mobility, Joby Aviation, Overair en Pipistrel Vertical Solutions.

Mischa Pollack, hoofd voertuigontwerp en constructies bij Uber, zei tijdens een CAMX 2020-presentatie dat het bedrijf anticipeert op de eerste certificering van zijn service in een paar steden tegen 2023, gevolgd door uitbreiding in 2026 en vervolgens een aanzienlijke schaalvergroting in 2028. Tegen 2035, hij zei, Uber Elevate verwacht in meer dan 50 markten luchtvervoerdiensten te hebben met een vraag naar 10.000 UAM-vliegtuigen per jaar. "Dit aantal," zei hij, "ligt nog steeds dichter bij de productiecijfers voor de commerciële lucht- en ruimtevaart, maar we hebben nog steeds de fabricage van composieten nodig om te evolueren."

Hoe ziet zo'n evolutie eruit? Pollack's volledige productiewensenlijst is in feite een routekaart naar de industrialisatie die de composietindustrie al enkele jaren verwacht:tot 4.500 metrische ton per jaar van koolstofvezel met hoge modulus/hoge sterkte, meer automatisering via geautomatiseerde plaatsing van tape en vezels , uitgebreid gebruik van compressie- en pultrusieprocessen, strategisch gebruik van vezelversterkte additieve fabricage, geautomatiseerd lijmen en lassen, realtime inline-inspectie, weinig of geen afval, meer gebruik van materialen met een lage belichaamde energie, aanzienlijk gebruik van gerecyclede materialen en toepassing van duurzame energie-, materiaal- en processtrategieën.

Gelukkig heeft de composietenindustrie een paar jaar om de supply chain te ontwikkelen die aan dergelijke behoeften kan voldoen. In de tussentijd varieert de manier waarop elke UAM-fabrikant in productie gaat. Sommigen, zoals hieronder vermeld, houden alle productie in eigen huis. Sommigen doen in-house prototypes, maar zullen de volledige productie naar partners verplaatsen. Anderen hebben vanaf het begin externe partners ingeschakeld en zullen die strategie in productie houden.

Er zijn tegenwoordig meer dan 100 bedrijven die werken aan de ontwikkeling van UAM-vliegtuigen voor luchttaxi- of vrachtvervoersdiensten, maar slechts een handvol heeft voldoende financiering gekregen om vliegende prototypes of demonstrators te produceren. Dit zijn:Beta Technologies (South Burlington, Vt., VS), EHang (Guangzhou, China), Joby Aviation (Santa Cruz, Californië, VS), Lilium (München, Duitsland), Pipistrel (Ajdovščina, Slovenië), Volocopter ( Bruchsal, Duitsland) en Wisk (Mountain View, Californië, VS).

Alle UAM-vliegtuigen die hier zijn geprofileerd, hebben verschillende gemeenschappelijke kenmerken:ten eerste zijn ze relatief klein, met een capaciteit voor twee tot vier passagiers, of een equivalente hoeveelheid vracht. Ten tweede worden ze bijna allemaal autonoom gevlogen. Ten derde zijn ze volledig elektrisch en voor de vlucht afhankelijk van oplaadbare batterijen. Ten vierde vertrouwen ze op het gebruik van hefrotoren die verticaal opstijgen en landen mogelijk maken. Niet elke UAM-fabrikant die hier wordt vermeld, was bereid om te delen met CW hoe het composieten inzet op zijn vaartuig. Wat volgt is een samenvatting van de verstrekte informatie.

Bètatechnologieën

Rustig en snel vooruitgaand is Beta Technologies, dat de ALIA 250c . ontwikkelt bestuurde eVTOL voor het vervoer van maximaal vijf passagiers. Dit vliegtuig heeft vier hefrotors en een duwende rotor. De hefrotors bevinden zich op gieken voor en achter elke vleugel boven de romp; de duwende rotor bevindt zich aan de achterzijde van het vlak achter het horizontale staartvlak. Doelbereik voor de ALIA 250c is 400 kilometer, en hoewel het is ontworpen om passagiers te vervoeren, zal de eerste toepassing van het vliegtuig zijn voor het transport van menselijke organen voor lanceringsklant United Therapeutics.

Vervaardiging van alle composietstructuren voor de ALIA 250c wordt uitgevoerd door Blue Force Technologies (BFT, Morrisville, N.C., V.S.), dat gespecialiseerd is in ontwerp, engineering, tooling, prototyping en full-rate productie van composietonderdelen en -structuren voor de eindmarkt voor lucht- en ruimtevaart. Shawn Herrmann, VP Future Projects bij BFT, zegt dat zijn team vooral werd uitgedaagd door Beta Technologies, die een aantal gewichts- en prestatiebepalingen had gekoppeld aan de ALIA 250c . Hij zegt dat BFT werd geleid door drie elementen van het Beta-ontwerp:een strikt minimaal structureel gewichtsfractie (van het totale vliegtuiggewicht) van 25%, sterk gecontourde configuraties met meerdere structuur-naar-structuur interfaces die aerodynamische vermenging vereisen, en een sterk verenigde structuur met minimale voegen.

"Beta gaat voor een bereikontwerppunt waar niemand anders zich in heeft gewaagd, en daarom moeten we een grote, efficiënte vleugel dragen zonder het leeggewicht op te offeren voor zweven", zegt Herrmann. "Elk pond dat van de structuur wordt verwijderd, kan naar batterijen gaan, en dus een groter bereik."

Om het eerste vliegtuig te fabriceren, moest BFT zijn agressieve gewichtsdoel bereiken met behulp van een proces dat zich leent voor zachte gereedschappen, zonder significante prestaties op te geven ten opzichte van een typische prepreg met standaard modulus voor uitharding bij lage temperatuur. "We hebben ontdekt dat we door gebruik te maken van ons gepatenteerde op infusie gebaseerde proces", zegt Herrmann, "in combinatie met onze soft-tooling-aanpak, we een volledig experimenteel [vliegwaardig] casco kunnen bouwen in dezelfde hoeveelheid tijd die nodig is om koolstofgereedschap te bouwen voor een op prepreg gebaseerd prototype.”

Herrmann zegt dat BFT de afgelopen vijf jaar harsinfusietechnieken heeft ontwikkeld voor de primaire structuur van prototypes. Met ALIA , voerde het bedrijf verdere materiaal- en procestests uit om zijn infusietechnieken te herhalen en te verbeteren om mechanische eigenschappen te verkrijgen die de structurele gewichtsfractie zouden bereiken die door het programma wordt vereist. Bovendien deed het dit met een harssysteem dat alleen uitharding bij kamertemperatuur en vrijstaande naharding vereiste. Verder heeft BFT getracht de ALIA . te fabriceren ’s constructies met zo min mogelijk verbindingen, wat betekent dat lange, tot één geheel gevormde constructies bestaan — inclusief de vleugel van 50 voet en de twee gieken van 35 voet die de hefrotoren vasthouden.

Het harssysteem dat werd gebruikt om de eerste ALIA . te fabriceren , zegt Herrmann, is in eigen huis ontwikkeld en is dus geen officieel gekwalificeerd materiaal. Dit is voldoende voor prototyping, geeft hij toe, maar zoals de ALIA in productie gaat, zal certificering waarschijnlijk leiden tot verschillende materiaal- en procesbeslissingen, inclusief een mogelijke verschuiving naar prepregs. "Certificering zal de belangrijkste factor zijn bij de materiaalkeuze voor het productievliegtuig", zegt Herrmann. "Het productievliegtuig zal er hetzelfde uitzien en qua gewicht vergelijkbaar zijn, maar zal gebruik maken van materialen en processen die zinvol zijn voor certificering en hoogwaardige productie."

Andere overwegingen voor volledige productie - waarvan Beta het volume niet heeft bekendgemaakt - zijn onder meer materialen en processtroom, evenals automatisering. BFT is al begonnen met het eerste, en het laatste, zegt Herrmann, is bijna een zekerheid:"Automatisering moet mechanische eigenschappen opleveren die bij het ontwerp worden gebruikt, moet produceren in het tempo waarvoor de fabriek is ontworpen en tegen de voorspelde minimale terugkerende kosten, en moet worden aangetoond dat het herhaalbaar en betrouwbaar is om laminaten op te leveren die consistent zijn met de aannames voor defectgrootte en dichtheid die zijn gemaakt in de schadetolerantiebenadering van certificering. We zien een toekomst van tariefproductie met behulp van verschillende niveaus van automatisering in lay-up, inspectie, trim / boor, assemblage, enz. "

EHang

Een iets andere aanpak is EHang, dat de EHang 216 aan het ontwikkelen is , een autonome helikopter eVTOL ontworpen voor luchttaxivervoer van twee passagiers of vracht (ook wel luchtlogistiek genoemd). Het beschikt over acht coaxiale rotors, die elk zijn gemonteerd op een structurele arm die zich radiaal uitstrekt vanaf de onderkant van de romp. De rotorarmen kunnen verticaal worden opgeklapt om het opbergen van het vaartuig te vergemakkelijken. Zoals Volocopter's VoloCity (zie hieronder), de EHang 216 staat op sloffen. Hij heeft een maximaal laadvermogen van 220 kilogram en een maximaal bereik van 35 kilometer.

Video's van de EHang 216 tijdens de vlucht zijn er in overvloed, die het vermogen van het vaartuig als een mensen- en vrachtvervoerder aantonen. In mei 2020 kreeg EHang wat volgens het bedrijf de eerste commerciële pilootoperatie ter wereld is van de Civil Aviation Administration of China om EHang 216 te gebruiken. voor luchtlogistieke doeleinden. Dit werd in juli 2020 gevolgd door de uitreiking van een Special Flight Operations Certificate uitgegeven door Transport Canada Civil Aviation. Hierdoor zijn proefvluchten mogelijk van EHang 216 in Québec, Canada.

EHang's strategische productiepartner — inclusief composieten — voor de EHang 216 is lucht- en ruimtevaartfabrikant FACC AG (Ried im Innkreis, Oostenrijk). Noch EHang noch FACC was bereid om composietmaterialen of verwerkingsinformatie te delen met CW voor dit verhaal, maar FACC heeft gemeld dat het met EHang zal samenwerken om vliegtuigen in ontwikkeling te optimaliseren en plannen voor serieproductie te helpen ontwikkelen. FACC zal ook helpen met certificering, aftermarket-onderhoudsdiensten en onderzoek en ontwikkeling.

Joby Aviation

Een van de meest prominente AAM-programma's is van Joby Aviation, dat een nog niet nader genoemde bestuurde helikopter eVTOL ontwikkelt voor luchttaxivervoer van maximaal vier passagiers. Het Joby-vaartuig is opmerkelijk omdat het zes kantelfunctie . heeft rotoren. Er zijn twee rotors gemonteerd op elke vleugel boven de romp en er zijn er twee op de staart. Het vaartuig staat op een driewielig landingsgestel, heeft een bereik van 240 kilometer en een maximale snelheid van 320 kilometer per uur.

Joby heeft een meerjarige commerciële samenwerking met Uber Elevate, een dienst voor het delen van ritten in de lucht, maar zegt ook te overwegen om een eigen dienst voor het delen van ritten te lanceren. In ieder geval mikt het bedrijf op 2023 voor ingebruikname.

Joby zou geen composietmaterialen delen en geen informatie over zijn vliegtuig verwerken met CW voor dit verhaal, maar het is algemeen bekend dat Joby belangrijke productieactiviteiten voor composieten heeft ontwikkeld in en nabij de fabriek in Santa Cruz. John Geriguis, geavanceerde ontwikkeling bij Joby, zei in een presentatie op CAMX 2020 dat Joby's industrialisatiedoelen vergelijkbaar zijn met die van Uber's Pollack, maar opgesteld als wat het bedrijf wil vermijden bij zijn composietproductieactiviteiten:weinig of geen afval, geen materialen vervaldatum, geen materiaallimieten, geen personeelsproblemen, geen afhankelijkheid van menselijke variabelen, geen menselijke inspectie en geen reparaties na volledige build. Geriguis merkte ook op dat hoewel Joby momenteel thermohardende harssystemen gebruikt, er mogelijkheden zijn voor integratie van thermoplastische composieten in toekomstige generaties van het vliegtuig.

Lilium

Het in Duitsland gevestigde Lilium ontwikkelt de Lilium Jet , een bestuurde eVTOL-luchttaxi met vaste vleugels en plaats voor maximaal vier passagiers. Ondanks "Jet" in de naam, de Lilium Jet wordt aangedreven door 36 kantelbare kanaalventilatoren gemonteerd op de voorrand van elke vleugel en de horizontale staartvin. Hij is ontworpen voor intercityverkeer en heeft een actieradius van 300 kilometer en een maximumsnelheid van 300 kilometer per uur. Lilium heeft de Lilium Jet aan een vluchttest onderworpen , die kan worden bekeken in een video die in oktober 2019 op de Lilium-site is geplaatst. Lilium kondigde in juli een leveringscontract voor koolstofvezel aan met Toray (Tokyo, Japan). In de aankondiging zei Lilium dat Toray koolstofvezel in eerste instantie rechtstreeks aan Lilium zal leveren voor gebruik bij de productie van aanvullende technologiedemonstraties. Wanneer de Lilium Jet prototyping en productie ingaat, zal Toray koolstofvezel leveren aan leveranciers die composietonderdelen voor Lilium zullen vervaardigen.

Yves Yemsi, chief programme officer bij Lilium, zegt dat koolstofvezelcomposieten zullen worden gebruikt in alle primaire structuren op de Lilium Jet, inclusief de romp, vleugels en flappen. Feedback en info beloofd van Lilium; is niet afgeleverd.

Pipistrel

Een beetje een uitschieter is Pipistrel, die de Nuuva V300 aan het ontwikkelen is autonome eVTOL, niet voor passagiers maar voor luchtvracht en luchtlogistieke toepassingen. Het maakt gebruik van acht hefrotoren en één duwende rotor en heeft een maximaal laadvermogen van 460 kilogram. Lading wordt opgeslagen in de romp, toegankelijk vanaf de zijkant of het neusgedeelte. Pipistrel is bezig met de productie van de eerste Nuuva V300 prototype, maar het bedrijf neemt al productieorders aan en is van plan om "enkele honderden" per jaar te produceren.

Pipistrel zegt meer dan 25 jaar ervaring te hebben met het maken van aerodynamische composietconstructies en richt zich op de uitwisselbaarheid van onderdelen, reparatie in het veld en snelle uithardingsprocessen voor de Nuuva V300 . Het bedrijf gebruikt alleen prepregs op epoxybasis, die voornamelijk worden verwerkt via handmatige plaatsing en uitharding bij kamertemperatuur, met af en toe een autoclaafbehandeling voor kleinere onderdelen. Pipistrel zegt dat het verwacht uitgebreid gebruik te maken van prepreg-gebaseerde automatisering buiten de autoclaaf wanneer het vliegtuig in productie gaat.

Volocopter

Het vaartuig dat wordt ontwikkeld door Volocopter, genaamd de VoloCity , is een autonome helikopter eVTOL met plaats voor twee passagiers. VoloCity , die gebruik maakt van skids in plaats van een landingsgestel op wielen, wordt aangedreven door 18 hefrotoren, heeft een maximaal laadvermogen van 200 kilogram, een maximale vliegsnelheid van 110 kilometer per uur en een bereik van 35 kilometer. VoloCity 's rotors zijn gerangschikt op een structurele rand die is verankerd aan de bovenkant van de romp, met 12 rotors op gelijke afstand van de omtrek van de rand en zes meer op een kleinere diameter in de rand. Elke rotor heeft een diameter van 2,3 meter; de totale diameter van de velg is 11,3 meter. Volocopter neemt nu reserveringen aan voor VoloCity , waarvan het hoopt dat het tegen 2023 in gebruik zal worden genomen.

Volocopter zegt dat het composieten toepast op de hele VoloCity casco, rotorvliegtuigen en stoelen. Prototype- en demonstratievaartuigen worden vervaardigd door een niet nader genoemde partner die composieten fabriceert met behulp van koolstofvezel en glasvezel via natte layup. Het harstype is niet geïdentificeerd, maar waarschijnlijk is het epoxy. In een verklaring zegt Volocopter dat het een gekwalificeerde vezel/hars-combinatie heeft gekozen omdat, "op basis van tijdsdruk en doelen, het belangrijk was om een gekwalificeerd materiaal te gebruiken dat paste bij onze behoeften en onze tijdlijn voor productie." Wanneer VoloCity Volocopter zegt dat het verwacht over te schakelen naar een prepreg die niet in de autoclaaf is, met fabricage geleverd door 'internationale fabrikanten'.

Hoeveel VoloCity ambachtelijke Volocopter verwacht jaarlijks te produceren is onbekend, maar verklaringen van het bedrijf in reactie op informatieverzoeken voor dit verhaal suggereren "duizenden", eraan toevoegend dat, "Wat wel zeker is, is dat we ernaar streven om productiesnelheden te bereiken die dichter bij die van autofabrikanten liggen dan die van vliegtuigfabrikanten momenteel.”

Wisk

Wisk, een joint venture van Boeing (Seattle, Wash., V.S.) en Kitty Hawk (Palo Alto, Californië, V.S.), ontwikkelt de Cora , een autonome eVTOL-luchttaxi met vaste vleugels en plaats voor twee passagiers. Cora wordt aangedreven door 12 hefrotoren - drie voor en achter elke vleugel - en een duwende rotor aan het achterste uiteinde van de romp voor het staartgedeelte. Het vliegtuig staat op een driewielig landingsgestel. Cora heeft een maximale actieradius van 40 kilometer en een maximale snelheid van 160 kilometer per uur.

Wisk zegt dat alle primaire structuren op Cora worden in eigen huis vervaardigd met composieten met behulp van een gepatenteerde combinatie van hars en vezels. In een verklaring zei Wisk dat er voor gekwalificeerde materialen is gekozen omdat "het over het algemeen gemakkelijker is om te beginnen met ontwerpen vanuit een reeds bewezen oplossing." Het fabricageproces is lasergestuurde handlay-up met consolidatie buiten de autoclaaf onder vacuümzak. Afgewerkte constructies worden beoordeeld met limietbelastingtests, thermografie en ultrasone inspectie. Naarmate de productie toeneemt, verwacht het bedrijf automatiseringstechnologieën te integreren om te voldoen aan "productiesnelheden die momenteel worden voorzien voor eVTOL's." Wisk zegt ook dat het verwacht de interne productie te handhaven wanneer Cora gaat full-rate productie, met aannemers die aanvullende productie leveren als capaciteitsbeperkingen dit vereisen.

Tabel 1:UAM-fabrikanten, vliegtuigen

Fabrikant/ambachtelijk

Voortstuwing

Control

Capaciteit

Max. bereik

Max. snelheid

ALIA . van Beta Technologies