IIAMS Vleugelbox: Roadmap naar Certificering

Fig. 7 „Certificeringsproces van de wijzigingen voor het prototype”, wat de FTB#2 buitenste vleugel omvat. Photo Credit: „Structural Radar Research of Airbus Defense and Space as Clean Sky Partnership” door Manuel Iglesias Vallejo, Rubén Tejerina Hernanz, Antonio Jiménez, et al., Airbus Defence and Space, 8th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS), 1-4 juli 2019.

Airbus DS, FTB#2 en toekomstige turboprop vliegtuigen

Airbus Defence and Space (Airbus DS, Cadiz, Spanje) trad het Clean Sky Europese Unie onderzoek- en technologieprogramma toe als EADS CASA. Opgericht als Construcciones Aeronáuticas SA in 1923 in Getafe, Spanje, heeft CASA een lange geschiedenis in vliegtuigproductie en was een van de oorspronkelijke leden van het Airbus Consortium. De tweede site werd in 1926 in Cadiz gevestigd, en het bedrijf heeft 22 vliegtuigmodellen geproduceerd alsook componenten voor Airbus en Eurofighter militaire vliegtuigen en voor commerciële vliegtuigen geproduceerd door Airbus en Boeing.

Clean Sky 1 omvat 7 projectgebieden – 6 Geïntegreerde Technologie Demonstrators (ITDs) en de Technology Evaluator. De ITDs, elk gecoördineerd door 2 industriële organisaties, dekken verschillende segmenten van luchtvervoer.

Clean Sky 2 omvat 9 projectgebieden – 3 Innovatieve Vliegtuig Demonstrator Platforms (IADPs), 3 ITDs, 2 Transverse Activiteiten, en de Technology Evaluator.

https://www.cleansky.eu/discover

Airbus DS is voortgeschreden van medeleider van de Green Regional Aircraft (GRA) geïntegreerde technologie demonstrator (ITD) in het oorspronkelijke Clean Sky programma (2008-2017) naar medeleider van de AIRFRAME ITD alsook leider voor de flight test bed 2 (FTB#2) in de REGIONAL geïntegreerde vliegtuig demonstrator platform (IADP) binnen het opvolg Clean Sky 2 programma (2014-2024).

A.E. Jiménez Gahete, met de Structures and Design, Engineering & Technology Directorate bij Airbus DS, beschrijft FTB#2-ontwikkeling in het sep 2020 Materiales Compuestos artikel getiteld, „Airbus Defence and Space highly integrated wing box section manufactured by dry fiber placement and liquid resin infusion”. Dit werk van Airbus DS in Clean Sky 2 zal toegepast worden op een toekomstige militaire transport of commerciële regionale turboprop vliegtuig. Een van de hoofddoelen is de externe vleugel voor de FTB#2 te ontwikkelen, die OOA composiet primaire structuren zal omvatten, inclusief een integraal verstevigde thermoplastische composiet bovenste vleugelboxdeksel en een eenmalige, one-shot vleugelbox gemaakt met geautomatiseerd vezelplaatsen (AFP) met droge vezelbanden en vloeibare harsinfusie.

De laatste is inderdaad de structuur die MTorres ontwikkelde en produceerde binnen het Clean Sky 2 IIAMS-project, zoals beschreven in CompositesWorld’s maart 2020 artikel, „Advancing the OOA infused wing box.” Opvallend is dat die vleugelbox de onderhuid, voor- en achterste sparren integreert, maar niet de bovenhuid omvat. Het wordt duidelijk van de geïllustreerde roadmaps hieronder dat de bovenhuid thermoplastisch composiet zal zijn.

FTB#2 externe vleugel doelen en achtergrond

„Elk toekomstig vliegtuigontwerp zal meer eco-efficiëntie in de hele levenscyclus vereisen,” zegt Gahete. Dit zou moeten omvatten:

• Minder energie in componentproductie
• Minder schroot primair materiaal
• Verminderd verbruik van productievloeistoffen en hulpstoffen
• Verhoogde herwinbaarheid.

Dergelijke verbeteringen waren sleutelfactoren in de ontwikkeling van het structurele ontwerp en productieproces voor de FTB#2 externe vleugel, samen met doelen voor gewichtsreductie (-10%) en productiekosten alsook verhoogde productie-efficiëntie.

Thermoplastische composieten en harsinfusie spelen beide een sleutelrol in de FTB#2 externe vleugel. In-situ geconsolideerde (ISC) thermoplastische composieten (TPC) en droge vezel/harsinfusie maken het mogelijk grote primaire structuren OOA te produceren tegen verminderde kosten vergeleken met traditionele autoclave-gebaseerde processen. Thermoplastisch lassen en hoog geïntegreerde structuren die in één keer geïmpregneerd worden, verminderen ook de impact van montage, mechanische bevestigingsmiddelen, bewerking voor die bevestigingsmiddelen en inspectie doorheen.

Infusietechnologie ontwikkelingen in Clean Sky 2 begonnen met eerdere Clean Sky projecten zoals GRA, ECO-DESIGN, APOLO en CERTERIN. Tegenovergesteld, ISC TPC is gerijpt in Clean Sky projecten ICARO, TARGET, ECO-DESIGN, en Green Regional Aircraft-Light Weight (GRA-LW), wat deze technologie in staat stelt te worden opgenomen in de Clean Sky 2 FTB#2 vluchtdemonstrator.

Fig. 10. Testpiramide. Photo Credit: „Airbus Defence and Space highly integrated wing box section manufactured by dry fiber placement and liquid resin infusion,” door A.E. Jiménez Gahete, Materiales Compuestos Vol. 4, No. 4, pp. 19-26, sep 2020.

FTB#2 externe vleugel certificering

Zoals uitgelegd door Gahete, „Stap voor stap gaan we [Airbus DS] door de gehele vliegtuigcel structurele testpiramide van coupons tot de full-scale structurele tests van de buitenste vleugel.” Hexcel HiTape, UD 210 gram per vierkante meter (gsm) en 12,7-mm breed met thermoplastische sluier V800E aan beide kanten (sluiergewicht 4 gsm per kant), geïmpregneerd met Hexcel HexFlow RTM6 180°C uitharding epoxyhars, is volledig gekarakteriseerd, inclusief unidirectionele en multi-hoek eigenschappen. Testresultaten toonden aan dat dit materiaal goed presteert in modulus maar minder goed in sterkte vergeleken met Hexcel’s HexPly M21E epoxy prepreg gemaakt met HexTow IMA intermediaire koolstofvezel, wat gebruikt wordt om vleugelvellen, sparren en middenvleugelbox voor de Airbus A350 te produceren. Quasi-isotrope laminaten toonden goede resultaten vergeleken met dezelfde referentie.

Gahete legt uit dat naast coupons voor materialenkarakterisering, en vóór details en paneel subcomponenttesten om de ontwerpwaarden te verkrijgen, productiedemonstrators gebruikt werden om te helpen valideren „welke ontwerpkenmerken verkregen konden worden met de geselecteerde productieprocessen.” DEMO1 integreert een sectie van variabele-dikte huid, J-spar met ribversterkers en twee stringers geïntegreerd in de huid en J-spar flens. En DEMO2 – meetend 3 meter lang x 0,86 meter breed x 3,44 meter hoog – simuleert de algehele afmetingen van de FTB#2 buitenste vleugelbox en omvat vijf stringers. Gahete merkt op dat enkele procesaanpassingen door een paar iteraties gemaakt werden voordat succesvolle resultaten in structurele onderdeeltesten behaald werden.

Fig. 9. Ontwikkeling testmatrix voor FTB#2 buitenste vleugel. Photo Credit: Gahete, Materiales Compuestos Vol. 4, No. 4, pp. 19-26, sep 2020.

Een ontwerpdetails testmatrix werd ook voltooid, inclusief bliksemslag, stringer run-out en stringer kinking testen (voor buiging en falen evaluatie). Subcomponent paneeltesten zijn ook met positieve resultaten voltooid. Met de hele testpiramide met succes voltooid, van coupons tot subcomponenten, zegt Gahete, blijft alleen de finale buitenste vleugel full-scale statische en functionele tests over om de FTB#2-kwalificatie voor vlucht te verkrijgen. Deze tests zijn gepland om tegen eind 2021 voltooid te zijn.

FTB#2 als onderdeel van bredere technologieontwikkeling

De externe vleugelbox is slechts één deel van FTB#2 dat Airbus DS levert. Andere structurele demonstrators – zoals uitgelegd in het 2019-papier, „Structural radar research of Airbus Defense and Space as Clean Sky partnership,” geschreven door Airbus DS en gepubliceerd door de European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS) in 2019 – omvatten MT1 of MT2 cockpits (zie afbeelding hieronder) met hoge structurele integratie voor gewichts- en kostenefficiëntie, vleugel aanloopkanten met morphing-functies en volledige externe vleugel met winglet en morphing flap. (Let op, de laatste wordt gevorderd via het Air Green 2 project door CIRA - Italian Aerospace Research Centre.)

De illustratie hieronder toont diverse Airbus DS onderzoek binnen Clean Sky (CS1) en Clean Sky 2 (CS2), als onderdeel van een breed technologieportfolie.

Ook uitgelegd in het EUCASS-papier, hebben deze onderzoeksprojecten niet alleen composiettechnologieën gevorderd maar ook nieuwe ontwikkelingen in metalen, alsook additieve productie, tooling en reparatie:

• Hoog geïntegreerde primaire structuur
  • One-shot co-uitgeharde verstevigde multifunctionele dubbel-gekromde solide laminaat
  • Hoge integratie van bulk frames via vloeibare harsinfusie (LRI)
    • Solide laminaat (lagere vormer FR-9)
    • Verstevigde zandwich (voorwaartse drukschot FR-1)
    • Onderhuid en sparren van FTB#2 vleugelbox
  • Hoge integratie via thermoplastische in-situ consolidatie (ISC)
    • Kleine kromming (FR-4 van MT1/MT2; bovenhuid van FTB#2 externe vleugelbox)
    • Thermoplastische continue vorming (stringers)
    • Hoge/dubbele kromming (aanloopkant en cowling)
  • Rompframe/vleugelrib gemaakt in hete stamping licht metaal blad
• Secundaire structuur: laag-kost TPC en ALM (additieve laag productie) vensterframes
• Tooling technologieën: laag-kost composiet en ALM
• Reparaties en onderhoud
  • Standaard reparatie op hoog geïntegreerde gekromde verstevigde huid (pre-preg)
  • Thermoplastische ISC co-consolidatie en lassen
  • RTM-LRI structurele items
    • Prepreg plakkertoepassing
    • Droge materiaal plakkers plus harsinjectie
  • Harsinjectie om externe multifunctionele lagen te fixeren

Jig-loze montage is ook een terugkerende nadruk geweest, evenals het rijpen van nieuwe 4.0 digitale systemen en testtechnologieën zoals die vermeld in het EUCASS-papier:

• Interferometrie (DIC)
  • Multi-impact mid energie testen
  • Trillingstesten
• Thermografie
  • NDT toepassing
  • Structureel gedrag in hete omgeving
• SHM sensoren en meettechnieken
  • Vezeloptica FBG (Fiber Bragg Grating)
  • OBR (Optical Backscatter Reflectometry)
  • MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems combineren elektrische en mechanische componenten op een enkele computerchip)
• p-U akoestisch (druk-snelheid gebaseerde in-situ absorptiemethode)

Collaboratief EU-raamwerk voor certificering

Een laatste noot uit de EUCASS- en Gahete-papieren is de krediet gegeven aan de nauwe samenwerking met en het werk verricht door een aantal sleutel Airbus DS partners inclusief NLR (Netherlands Aerospace Centre), Airborne (Den Haag, Nederland), Applus+ Laboratories (Barcelona, Spanje), MTorres (Torres de Elorz, Spanje) en FIDAMC (Getafe, Spanje), de laatste beschreven als „significant betrokken bij alle technologieën die ontwikkeld worden met composietmaterialen en hun productieprocessen.”

Al enige tijd heb ik de activiteiten en publicaties van ingenieurs bij Airbus in Getafe genoteerd en geschreven over het ISC TPC-werk gedaan door FIDAMC en anderen. CW heeft ook Airbus DS’s leiderschap in veel van de artikelen geschreven over Clean Sky-projecten benadrukt. Maar tot nu toe begreep ik niet hoe langetermijn en gepland de Airbus DS-strategie is geweest, het meest gebruik makend van zijn deelname aan en bijdrage aan Clean Sky-programma's. Het maakt perfecte zin om de grondslag voor certificering te leggen tijdens de ontwikkeling van nieuwe cockpit- en vleugeldemonstrators. CW schreef over deze zelfde benadering die wordt nagevolgd door topicleider Airbus Duitsland binnen de Clean Sky 2 Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD). In dat geval zal volledige karakterisering van laag-smelt polyaryletherketon (LM PAEK) in gelaste verbindingen bereikt worden binnen het sub-project MECATESTERS.

De Airbus DS roadmaps en structurele technologie radarillustratie getoond in dit rapport zijn nog een voorbeeld van hoe de Europese luchtvaart- en composietindustrie samenwerken om klaar te zijn voor de toekomst. Clean Sky 2 blijft slagen door Europa’s vliegtuig- en aero-composietindustrieën een ambitieus visioen en een gefinancierd raamwerk te bieden voor samenwerken om duidelijke doelen te bereiken. Dit werk zal ook helpen als de industrie schakelt naar elektrificatie, waterstof en alternatieve brandstoffen om klimaatverandering te overwinnen, en zowel luchtvaart als composieten hebben sleutelrollen te spelen in die prestatie.