Vooruitgang in composiet aerostructuren voor stedelijke luchtmobiliteit

Het idee van een vliegende auto leeft al decennialang in de popcultuur, van de Jetsons-tekenfilm in de vroege jaren '60 tot de Star Wars-landspeeder in de jaren '70, en talloze andere incarnaties in recentere sciencefiction. De belofte is telkens dezelfde: een toekomst waarin dagelijkse transport de derde dimensie ingaat en de file en congestie van de moderne commutering omzeilt. De veronderstelling was dat dergelijk gemakkelijk transport net voor de deur stond – een niet-onoverkomelijke technische uitdaging. Vandaag, bijna 60 jaar na de Jetsons, lijkt het erop dat we eindelijk op de vlakte van zo'n transportrevolutie staan.

Op dit moment zijn er verschillende vliegtuigontwikkelingsprogramma's ver op de productie- en vliegtestpad die erop gericht zijn passagiers- en/of vrachttransport in grote stedelijke gebieden over de hele wereld binnen vijf jaar te vergemakkelijken. Al deze vliegtuigen zijn batterij-aangedreven en zijn in grote mate afhankelijk van het gewichtsbesparende, krachtgevende vermogen van composieten.

UAM, AAM, eVTOL

Deze transportrevolutie gaat onder veel namen. Het begon met elektrisch verticale opstijging en landing (eVTOL)-vliegtuigen, maar dat kan te specifiek zijn, dus de sector schakelde over op stedelijke luchtmobiliteit (UAM). NASA kiest voor geavanceerde luchtmobiliteit (AAM), wat een bredere dekking biedt en de stedelijke focus van de technologie verwijdert – ondanks het feit dat AAM juist voor de stedelijke omgeving is ontworpen.

Ongeacht de naam – we gebruiken hier de gangbaardere UAM – zijn vliegtuigen van dit genre ontworpen om een van twee functies te vervullen. Één is het bieden van bemande of autonome airtaxidiensten, het vervoeren van mensen van punt A naar punt B (helipad/luchthaven-naar-helipad/luchthaven) over een afstand van 25-400 kilometer, binnen of tussen steden. De tweede functie is het leveren van autonoom vrachttransport in vergelijkbare omgevingen.

De economie en metrische gegevens die UAM drijven, zijn talrijk en niet allemaal hier te bespreken (KPMG biedt een goede inleiding op de technologie en wat erachter zit), maar een van de grootste drijfveren is de snelle verstedelijking van de planeet. Volgens de VN zullen in 2050 68% van de wereldbevolking – ongeveer 7,1 miljard mensen – in stedelijke gebieden wonen. Dit zal aanzienlijke druk uitoefenen op de transportinfrastructuur, waardoor reizen per auto steeds moeilijker wordt. Het uitbreiden van de reis naar de luchtruimte boven steden wordt verwacht die druk te verlichten. Daardoor de opkomende UAM-mark.

Luchtvaartkwaliteit, auto-hoeveelheden

Ongeacht marktkrachten en economie, zijn UAM-fabrikanten het composietfabricagegebied binnengedrongen dat tot nu toe onontgonnen was. UAM-vliegtuigen moeten, om in dienst te treden, gecertificeerd worden door de autoriteit die het luchtverkeer regelt, vergelijkbaar met hoe grote commerciële vliegtuigen gecertificeerd worden. In de VS is dat de FAA en in Europa EASA. Het behalen van die certificering vereist dat het vliegtuig aan bepaalde veiligheids- en prestatie-eisen voldoet. Het gebruik van composieten om aan certificeringseisen te voldoen, hoewel niet triviaal, is goed bereikbaar met verschillende veelvoorkomende materiaal- en procescombinaties.

Echter, UAM-fabrikanten overwegen ook vol-productieseries van honderden, zo niet duizenden eenheden. Dat is een hele andere orde dan de acht-per-maand-snelheid voor de productie van de Boeing 787 of de Airbus A350. Het bereiken van zulke snelheden vereist de ontwikkeling van proces-, procescontrole- en automatiseringstechnologieën die herhaalbaar, betrouwbaar en efficiënt hoogwaardige, op-specificatie aerostructuren kunnen produceren. UAM-productie is daarmee de posterchild voor de bekende composietzin: "Luchtvaartkwaliteit, auto-hoeveelheden."

Eén van de leidende partijen in de airtaxdienst is, voorspelbaar, Uber, dat Uber Elevate heeft opgericht, een luchtelijke ridesharingdienst. Uber Elevate heeft contracten gesloten met diverse UAM-productiepartners die vliegtuigen voor het bedrijf zullen bouwen. Hierbij horen Aurora Flight Sciences, Bell, Embraer, Hyundai, Jaunt Air Mobility, Joby Aviation, Overair en Pipistrel Vertical Solutions.

Mischa Pollack, voertuigontwerp- en structuurlead bij Uber, zei tijdens een CAMX 2020-presentatie dat het bedrijf initiële certificering van zijn dienst in een paar steden voor 2023 verwacht, gevolgd door uitbreiding in 2026 en significante opschaling in 2028. In 2035, zo zei hij, verwacht Uber Elevate luchtelijke ridesharingdiensten in meer dan 50 markten met een vraag naar 10.000 UAM-vliegtuigen per jaar. "Dit aantal", zei hij, "ligt nog steeds dichter bij commerciële luchtvaartproductiesnelheden, maar we hebben nog steeds evolutie in composietproductie nodig."

Hoe ziet zo'n evolutie eruit? Pollacks verlanglijstje voor vol-productie is in feite een routekaart naar de industrialisatie die de composietindustrie al jaren anticipeert: Tot 4.500 ton per jaar hoogmodulus/hoogsterkte koolstofvezel, verhoogde automatisering via geautomatiseerde band- en vezelplaatsing, uitgebreid gebruik van compressie- en pultrusieprocessen, strategisch gebruik van vezelversterkte additieve manufacturing, geautomatiseerd lijsten en lassen, realtime inline inspectie, weinig tot geen afval, verhoogd gebruik van materialen met lage ingesloten energie, substantieel gebruik van gerecycled materiaal en toepassing van duurzame energie-, materiaal- en processtrategieën.

Gelukkig heeft de composietindustrie nog een paar jaar om de toeleveringsketen te ontwikkelen die aan dergelijke behoeften kan voldoen. Intussen varieert de manier waarop elke UAM-fabrikant naar productie overgaat. Sommigen, zoals hieronder vermeld, houden alle productie in eigen beheer. Sommigen doen prototyping in eigen beheer maar zullen vol-productie naar partners verplaatsen. Anderen hebben van het begin af derdepartijpartners betrokken en zullen die strategie in productie voortzetten.

Er zijn vandaag de dag meer dan 100 bedrijven die werken aan de ontwikkeling van UAM-vliegtuigen voor airtaxi- of vrachttransportdiensten, maar slechts een handvol is voldoende gefinancierd om vliegende prototypes of demonstrators te produceren. Het zijn: Beta Technologies (South Burlington, Vt., VS), EHang (Guangzhou, China), Joby Aviation (Santa Cruz, Calif., VS), Lilium (München, Duitsland), Pipistrel (Ajdovščina, Slovenië), Volocopter (Bruchsal, Duitsland) en Wisk (Mountain View, Calif., VS).

Alle hier beschreven UAM-vliegtuigen hebben diverse gemeenschappelijke kenmerken: Ten eerste zijn ze relatief klein, met capaciteit voor twee tot vier passagiers, of een equivalente massa aan vracht. Ten tweede worden ze bijna allemaal autonoom gevlogen. Ten derde zijn ze volledig elektrisch en afhankelijk van herlaadbare batterijen voor de vlucht. Ten vierde vertrouwen ze op het gebruik van liftrotoren die verticale opstijging en landing mogelijk maken. Niet elke UAM-fabrikant die hier vermeld staat was bereid om met CW te delen hoe hij composieten op zijn toestel inzet. Wat volgt is een samenvatting van de verstrekte informatie.

Beta Technologies

Stilletjes en snel gaandeweg is Beta Technologies, dat de ALIA 250c bemande eVTOL ontwikkelt voor transport van maximaal vijf passagiers. Dit vliegtuig heeft vier liftrotoren en één duwrotor. De liftrotoren zijn gelegen op uithalsingen voor en achter elk bovenvleugel; de duwrotor zit aan de achterkant van het vliegtuig achter de horizontale staartvlak. De doelbereik voor de ALIA 250c is 400 kilometer, en hoewel het ontworpen is voor passagiersvervoer, zal de eerste toepassing van het vliegtuig zijn voor menselijke orgaantransport voor lanceringklant United Therapeutics.

De fabricage van alle composietstructuren voor de ALIA 250c wordt uitgevoerd door Blue Force Technologies (BFT, Morrisville, N.C., VS), gespecialiseerd in ontwerp, engineering, gereedschapsbouw, prototyping en vol-productie van composietonderdelen en -structuren voor de luchtvaartmarkt. Shawn Herrmann, VP Future Projects bij BFT, zegt dat zijn team met name werd uitgedaagd door Beta Technologies, dat een aantal gewichts- en prestatie-eisen aan de ALIA 250c had gekoppeld. Hij zegt dat BFT werd geleid door drie elementen van het Beta-ontwerp: een strikte minimum structurele gewichtsfractie (van totaal vliegtuiggewicht) van 25%, hooggecontourerde configuraties met meerdere structuur-tot-structuur-interfaces die aerodynamische afvlakking vereisen, en een hoog geüniteerde structuur met minimale verbindingen.

"Beta streeft naar een bereik-ontwerppunt waar niemand anders in is gegaan, en daarom moeten we een groot, efficiënt vleugel dragen zonder inboedel gewichtsfractie voor hover op te offeren," zegt Herrmann. "Elke pond die uit de structuur gehaald wordt, kan naar batterijen gaan, en dus langer bereik."

Om het eerste vliegtuig te fabriceren, moest BFT zijn agressieve gewichtsdoel bereiken met een proces dat zich leent voor zacht gereedschap, zonder significante prestatie-inboete ten opzichte van een typische laagtemperatuur-uitverende standaard modulus prepreg. "We hebben ontdekt dat door ons eigen infusie-gebaseerd proces te gebruiken," zegt Herrmann, "gecombineerd met onze zacht-gereedschapsbenadering, we een volledig experimenteel [vliegwaardig] vliegtuig in dezelfde tijd kunnen bouwen als het bouwen van koolstofgereedschap voor een prepreg-gebaseerde prototype."

Herrmann zegt dat BFT de afgelopen vijf jaar harzeninfusietechnieken voor primaire structuur op prototypes heeft ontwikkeld. Met ALIA voerde het bedrijf verdere materiaal- en procesproeven uit om de infusietechnieken te itereren en te verbeteren, zodat de mechanische eigenschappen behaald werden die de structurele gewichtsfractie van het programma haalden. Bovendien deden ze dit met een harstelsel dat alleen kamerstemperatuur-uitvering en vrijstaande na-uitvering vereiste. Verder streefde BFT ernaar de ALIA-structuren met zo min mogelijk verbindingen te fabriceren, wat lange geüniteerde structuren betekent – inclusief de 50-voet vleugel en de twee 35-voet uithalsingen die de liftrotoren dragen.

Het harstelsel dat gebruikt werd voor de eerste ALIA, zo zegt Herrmann, was in-house ontwikkeld en is dus geen officieel gekwalificeerd materiaal. Dit is voldoende voor prototyping, erkent hij, maar naarmate de ALIA in productie gaat, zal certificering waarschijnlijk andere materiaal- en procesbeslissingen dwingen, inclusief een mogelijke verschuiving naar prepregs. "Certificering zal de grootste drijfveer zijn in materiaalselectie voor het productievliegtuig," zegt Herrmann. "Het productievliegtuig zal er hetzelfde uitzien en vergelijkbaar in gewicht zijn, maar zal materialen en processen gebruiken die zinvol zijn voor certificering en hoge-productiesnelheden."

Overwegingen voor vol-productie – het volume waarvan Beta niet heeft onthuld – omvatten materiaal- en processtroom, evenals automatisering. BFT heeft al aan de eerste gewerkt, en de laatste, zegt Herrmann, is bijna een zekerheid: "Automatisering moet de mechanische eigenschappen opleveren die in het ontwerp gebruikt worden, moet produceren met de snelheid waarvoor de fabriek gedimensioneerd is en tegen de voorspelde minimale herhalende kosten, en moet aangetoond worden als herhaalbaar en betrouwbaar om laminaten te leveren die consistent zijn met de defectgrootte- en dichtheidsaannames in de schade-tolerantiebenadering voor certificatie. We zien een toekomst van snelheidsproductie met diverse automatiseringsniveaus in leggen, inspectie, trimmen/boren, montage, etc."

EHang

Een iets andere aanpak hanteert EHang, dat de EHang 216 ontwikkelt, een autonoom helikopter-eVTOL ontworpen voor airtaxivervoer van twee passagiers of vracht (ook luchtlogistiek genoemd). Het heeft acht coaxiale rotoren, elk gemonteerd op een structurele arm die radiaal uitsteekt vanaf de onderkant van de romp. De rotorarmen kunnen verticaal opgevouwen worden om opslag van het toestel te vergemakkelijken. Net als Volocopters VoloCity (zie hieronder) staat de EHang 216 op landingskids. Het heeft een maximale Nutzlast van 220 kilogram en een maximumbereik van 35 kilometer.

Video's van de EHang 216 in vlucht zijn overvloedig aanwezig, demonstrerend de vaardigheid van het toestel als personen- en vrachtvrager. In mei 2020 kreeg EHang wat het bedrijf noemt de werelds eerste commerciële pilootoperatiegoedkeuring van de Burgerlijke Luchtvaartadministratie van China om de EHang 216 voor luchtlogistiekdoeleinden te gebruiken. Dit werd in juli 2020 gevolgd door de verlening van een Speciaal Vluchtoperatiecertificaat uitgegeven door Transport Canada Burgerlijke Luchtvaart. Dit zal proefvluchten van de EHang 216 in Québec, Canada, toestaan.

EHangs strategische productiepartner – inclusief composieten – voor de EHang 216 is luchtvaartfabrikant FACC AG (Ried im Innkreis, Oostenrijk). Noch EHang noch FACC was bereid om composietmateriaal- of verwerkingsinformatie met CW te delen 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 bij certificering, aftermarket onderhoudsdiensten en onderzoek en ontwikkeling.

Joby Aviation

Een van de meest in het oog springende AAM-programma's behoort tot Joby Aviation, dat een nog naamloze bemande helikopter-eVTOL ontwikkelt voor airtaxivervoer van maximaal vier passagiers. Het Joby-toestel is opvallend omdat het zes kantelrotoren heeft. Twee rotoren zijn gemonteerd op elke bovenvleugel, en er zitten twee op de staart. Het toestel staat op drie Wiel landing gear, heeft een bereik van 240 kilometer en een maximumsnelheid van 320 kilometer per uur.

Joby heeft een meerjarig commercieel partnerschap met luchtelijke ridesharingdienst Uber Elevate, maar zegt ook een eigen ridesharingdienst te overwegen. In elk geval streeft het bedrijf naar 2023 voor indienststelling.

Joby wilde geen composietmateriaal- en procesinformatie over zijn vliegtuig met CW delen voor dit verhaal, maar het is bekend dat Joby aanzienlijke composietproductieoperaties in en nabij zijn Santa Cruz-faciliteit heeft ontwikkeld. John Geriguis, advanced development bij Joby, zei tijdens een presentatie op CAMX 2020 dat Joby's industrialiseringsdoelstellingen vergelijkbaar zijn met die van Uber's Pollack, maar geformuleerd als wat het bedrijf in zijn composietproductieoperaties wil vermijden: Weinig tot geen afval, geen materiaalvervaldatum, geen materiaal uitlooptijden, geen mensenresourceproblemen, geen afhankelijkheid van menselijke variabelen, geen menselijke inspectie en geen reparaties na volledige bouw. Geriguis merkte ook op dat Joby momenteel thermohardende harstelsels gebruikt, maar dat er kansen liggen voor integratie van thermoplastische composieten in toekomstige generaties van het vliegtuig.

Lilium

Duitsland-gebaseerd Lilium ontwikkelt de Lilium Jet, een bemande, vastvleugel eVTOL airtaxi met zitplaatsen voor maximaal vier passagiers. Ondanks "Jet" in de naam, wordt de Lilium Jet aangedreven door 36 kantelende geducted fans gemonteerd op de aanloop van elke vleugel en het horizontale staartvin. Het is ontworpen voor interstedelijke dienst en heeft een bereik van 300 kilometer en een maximumsnelheid van 300 kilometer per uur. Lilium heeft de Lilium Jet vlieggetest, wat bekeken kan worden in een video op de Lilium-site uit oktober 2019. Lilium kondigde in juli een koolstofvezellevercontract aan met Toray (Tokyo, Japan). In de aankondiging zei Lilium dat Toray initieel koolstofvezel rechtstreeks aan Lilium zal leveren voor gebruik in de productie van additionele technologiedemonstrators. Wanneer de Lilium Jet in prototyping en productie gaat, zal Toray koolstofvezel leveren aan leveranciers die composietonderdelen voor Lilium zullen produceren.

Yves Yemsi, chief program officer bij Lilium, zegt dat koolstofvezelcomposieten in alle primaire structuren op de Lilium Jet zullen worden gebruikt, inclusief de romp, vleugels en flaps. Feedback en info beloofd door Lilium; nog niet geleverd.

Pipistrel

Iets van een uitzondering is Pipistrel, dat de Nuuva V300 autonoom eVTOL ontwikkelt, niet voor passagiers maar voor luchtvracht- en luchtlogistiektoepassingen. Het gebruikt acht liftrotoren en één duwrotor en heeft een maximale Nutzlast van 460 kilogram. Vracht wordt opgeslagen in de romp, toegankelijk vanaf de zijde of de neussectie. Pipistrel is bezig met de productie van de eerste Nuuva V300 prototype, maar het bedrijf neemt al productieorders en plant "verschillende honderden" per jaar te produceren.

Pipistrel zegt meer dan 25 jaar ervaren te hebben in het fabriceren van composiet aerostructuren en richt zich op onderdeeluitleenbaarheid, veldreparatie en snelle-uitveringsprocessen voor de Nuuva V300. Het bedrijf gebruikt alleen epoxy-gebaseerde prepregs, verwerkt voornamelijk via handleggen en kamerstemperatuur-uitvering, met incidentele autoclave-uitvering voor kleinere onderdelen. Pipistrel verwacht out-of-autoclave, prepreg-gebaseerde automatisering uitvoerig te gebruiken wanneer het vliegtuig in productie gaat.

Volocopter

Het toestel dat Volocopter ontwikkelt, de VoloCity, is een autonoom helikopter-eVTOL met zitplaatsen voor twee passagiers. VoloCity, dat landingskids gebruikt in plaats van wiel landing gear, wordt aangedreven door 18 liftrotoren, heeft een maximale Nutzlast van 200 kilogram, 110 kilometer per uur maximumluchtsnelheid en een bereik van 35 kilometer. VoloCity's rotoren zijn gerangschikt op een structurele rim verankerd aan de bovenkant van de romp, met 12 rotoren gelijkmatig verdeeld op de omtrek van de rim en er nog zes op een kleinere diameter binnenin de rim. Elke rotor heeft een diameter van 2,3 meter; de totale diameter van de rim is 11,3 meter. Volocopter neemt nu reserveringen voor VoloCity, dat hopelijk in 2023 in dienst zal treden.

Volocopter zegt composieten toe te passen op de gehele VoloCity luchtframe, rotorvlakken en zitplaatsen. Prototypes en demonstrators worden gefabriceerd door een onbenoemde composietfabrikant partner met koolstofvezel en glasvezel via nat leggen. Harstype werd niet geïdentificeerd, maar is waarschijnlijk epoxy. In een verklaring zegt Volocopter dat het een gekwalificeerde vezel/harscombinatie heeft geselecteerd omdat, "gebaseerd op tijdsbeperkingen en doelen, het belangrijk was om een gekwalificeerd materiaal te gebruiken dat aan onze behoeften en onze tijdlijn voor productie voldoet." Wanneer VoloCity in vol-productie gaat, verwacht Volocopter over te schakelen naar een out-of-autoclave prepreg, met fabricage door "internationale fabrikanten."

Hoeveel VoloCity toestellen Volocopter per jaar verwacht te produceren is onbekend, maar verklaringen van het bedrijf in reactie op informatieverzoeken voor dit verhaal suggereren "duizenden," met de toevoeging dat, "Wat zeker is, is dat we productiesnelheden nastreven die dichter bij die van autofabrikanten liggen dan bij die van vliegtuigfabrikanten momenteel."

Wisk

Wisk, een joint venture van Boeing (Seattle, Wash., VS) en Kitty Hawk (Palo Alto, Calif., VS), ontwikkelt de Cora, een autonoom, vastvleugel eVTOL airtaxi met zitplaatsen voor twee passagiers. Cora wordt aangedreven door 12 liftrotoren – drie voor en achter elke vleugel – en één duwrotor gelegen aan het achterste einde van de romp voor de staartsectie. Het vliegtuig staat op drie wiel landing gear. Cora heeft een maximumbereik van 40 kilometer en een maximumsnelheid van 160 kilometer per uur.

Wisk zegt dat alle primaire structuren op Cora in eigen beheer met composieten gefabriceerd worden met een eigen combinatie van hars en vezels. In een verklaring zei Wisk dat gekwalificeerde materialen gekozen werden omdat "het doorgaans makkelijker is om ontwerp te beginnen vanaf een al bewezen oplossing." Het productieproces is laser-gegeleid handleggen met out-of-autoclave consolidatie onder vacuümzak. Voltooide structuren worden beoordeeld met limietbelastingstesten, thermografie en ultrasooninspectie. Naarmate productie op schaal gaat, verwacht het bedrijf automatiseringstechnologieën te integreren om "productiesnelheden te halen die momenteel voor eVTOL's worden voorzien." Wisk zegt ook te verwachten de in-house productie te behouden wanneer Cora in volle productiesnelheid gaat, met contractanten die aanvullende productie leveren naarmate capaciteitsbeperkingen dit vereisen.

Tabel 1: UAM Fabrikanten, Vliegtuigen

Fabrikant/toestel

Aandrijving

Besturing

Capaciteit

Max. bereik

Max. snelheid

Beta Technologies' ALIA