Aeroestructuras compuestas en el mercado emergente de movilidad aérea urbana

La idea de un automóvil volador ha sido anunciada durante mucho tiempo en la cultura popular, por parte de los Supersónicos . dibujos animados a principios de la década de 1960 hasta Star Wars deslizador terrestre en los años 70, y muchas otras encarnaciones en la ciencia ficción más reciente. La promesa que todos presentaron es un futuro en el que el transporte diario podría entrar en la tercera dimensión y evitar el tráfico y la congestión que son los desplazamientos modernos. Además, su suposición era que un transporte tan fácil estaba a la vuelta de la esquina, un desafío técnico no insuperable. Hoy, casi 60 años después de los Supersónicos , parece que estamos, finalmente, en la cúspide de tal revolución del transporte.

En este momento, existen varios programas de desarrollo de aeronaves a lo largo de la ruta de fabricación y pruebas de vuelo que tienen como objetivo ayudar a facilitar el transporte de pasajeros y / o carga en grandes áreas urbanas de todo el mundo en los próximos cinco años. Todos estos aviones funcionan con baterías y dependen en gran medida del poder de los compuestos para ahorrar peso y dar fuerza.

UAM, AAM, eVTOL

¿Qué es esta revolución del transporte? Tiene muchos nombres. Comenzó con aviones eléctricos de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL), pero esto puede ser demasiado específico a veces, por lo que la industria cambió a la movilidad aérea urbana (UAM). La NASA prefiere la movilidad aérea avanzada (AAM), que cubre muchas bases y elimina la naturaleza urbana de la tecnología, a pesar de que AAM está muy diseñado para el entorno urbano.

Independientemente del nombre, usaremos el UAM más común aquí, los aviones de este género están diseñados para realizar una de dos funciones. Una es proporcionar un servicio de taxi aéreo pilotado o autónomo, transportando personas desde el punto A al punto B (helipuerto / aeropuerto a helipuerto / aeropuerto) en una distancia de 25 a 400 kilómetros, dentro de la ciudad o entre ciudades. La segunda función es proporcionar transporte de carga autónomo en entornos similares.

La economía y las métricas que impulsan la UAM son numerosas, y no todas pueden explorarse aquí (KPMG ofrece una buena introducción a la tecnología y lo que hay detrás de ella), pero uno de los principales impulsores es la rápida urbanización del planeta. Para 2050, según la ONU, el 68% de la población mundial, alrededor de 7.100 millones de personas, vivirá en áreas urbanas. Esto ejercerá una presión sustancial sobre la infraestructura de transporte, lo que dificultará cada vez más los viajes en automóvil. Se espera que la expansión de los viajes al espacio aéreo sobre las ciudades alivie esa presión. De ahí el floreciente mercado de UAM.

Calidad aeroespacial, cantidad de automoción

Independientemente de las fuerzas del mercado y la economía, los fabricantes de UAM han entrado en un territorio de fabricación de compuestos hasta ahora inexplorado. Las aeronaves de la UAM, para entrar en servicio, deben estar certificadas por la autoridad que gobierna los viajes aéreos, de manera similar a como se certifican las aeronaves comerciales grandes. En los EE. UU. Es la FAA y en Europa es la EASA. Obtener esa certificación requiere que la aeronave cumpla con ciertas métricas de seguridad y desempeño. El uso de materiales compuestos para cumplir con los requisitos de certificación, aunque no es trivial, está fácilmente al alcance de varias combinaciones comunes de materiales y procesos.

Sin embargo, los fabricantes de UAM también están considerando volúmenes de producción de tasa completa en los cientos de unidades, si no miles. Esto está muy lejos de la tarifa de ocho por mes para la fabricación del Boeing 787 o el Airbus A350. Alcanzar tales tasas requerirá el desarrollo de procesos, control de procesos y tecnologías de automatización que puedan producir de manera repetida, confiable y eficiente aeroestructuras de alta calidad que cumplan con las especificaciones. Por lo tanto, la fabricación de UAM se ha convertido en el símbolo de la frase común de compuestos, "Calidad aeroespacial, cantidad automotriz".

Uno de los líderes del servicio de taxi aéreo es, como era de esperar, Uber, que ha creado Uber Elevate, un servicio de viaje compartido aéreo. Uber Elevate ha contratado a varios socios de fabricación de UAM que construirán aviones para la empresa. Estos incluyen Aurora Flight Sciences, Bell, Embraer, Hyundai, Jaunt Air Mobility, Joby Aviation, Overair y Pipistrel Vertical Solutions.

Mischa Pollack, líder de diseño y estructuras de vehículos en Uber, dijo durante una presentación de CAMX 2020 que la compañía anticipa la certificación inicial de su servicio en algunas ciudades para 2023, seguida de una expansión en 2026 y luego una ampliación significativa en 2028. Para 2035, Dijo que Uber Elevate espera tener servicios de viajes compartidos aéreos en más de 50 mercados con una demanda de 10,000 aviones UAM por año. "Este número", dijo, "está aún más cerca de las tasas de fabricación aeroespacial comercial, pero todavía necesitamos que la fabricación de compuestos evolucione".

¿Cómo se ve esa evolución? La lista de deseos de producción completa de Pollack es básicamente una hoja de ruta hacia la industrialización que la industria de los compuestos ha anticipado durante varios años:hasta 4.500 toneladas métricas por año de fibra de carbono de alto módulo / alta resistencia, mayor automatización a través de la colocación automatizada de cinta y fibra. , uso ampliado de procesos de compresión y pultrusión, uso estratégico de fabricación aditiva reforzada con fibra, unión y soldadura automatizadas, inspección en línea en tiempo real, poco o ningún desperdicio, mayor uso de materiales de baja energía incorporada, uso sustancial de materiales reciclados y aplicación de estrategias sostenibles de energía, materiales y procesos.

Afortunadamente, la industria de los compuestos tiene algunos años para desarrollar la cadena de suministro que pueda satisfacer tales necesidades. Mientras tanto, varía la forma en que cada fabricante de UAM pasará a la producción. Algunos, como se indica a continuación, mantienen toda la producción internamente. Algunos están haciendo prototipos internamente, pero trasladarán la producción a velocidad completa a los socios. Otros han contratado a socios externos desde el principio y mantendrán esa estrategia en producción.

Actualmente, hay más de 100 empresas que trabajan en el desarrollo de aviones UAM para servicios de taxi aéreo o transporte de carga, pero solo unas pocas han recibido fondos suficientes para producir prototipos voladores o demostradores. Ellos son:Beta Technologies (South Burlington, Vt., EE. UU.), EHang (Guangzhou, China), Joby Aviation (Santa Cruz, California, EE. UU.), Lilium (Múnich, Alemania), Pipistrel (Ajdovščina, Eslovenia), Volocopter ( Bruchsal, Alemania) y Wisk (Mountain View, California, EE. UU.).

Todos los aviones de la UAM que se describen aquí tienen varias características comunes:primero, son relativamente pequeños, con capacidad para dos a cuatro pasajeros, o una masa equivalente de carga. En segundo lugar, casi todos se vuelan de forma autónoma. En tercer lugar, son completamente eléctricos y dependen de baterías recargables para volar. En cuarto lugar, se basan en el uso de rotores de elevación que permiten el despegue y el aterrizaje verticales. No todos los fabricantes de UAM enumerados aquí estaban dispuestos a compartir con CW cómo despliega compuestos en su oficio. Lo que sigue es un resumen de la información proporcionada.

Tecnologías Beta

Avanzando silenciosa y rápidamente está Beta Technologies, que está desarrollando el ALIA 250c eVTOL pilotado para el transporte de hasta cinco pasajeros. Este avión cuenta con cuatro rotores de elevación y un rotor de empuje. Los rotores de elevación están ubicados en las plumas delanteras y traseras de cada ala sobre el fuselaje; el rotor de empuje está ubicado en la parte trasera del avión detrás del plano de cola horizontal. Rango objetivo para el ALIA 250c tiene 400 kilómetros, y aunque está diseñado para transportar pasajeros, la primera aplicación de la aeronave será para el transporte de órganos humanos para el cliente de lanzamiento United Therapeutics.

Fabricación de todas las estructuras compuestas para el ALIA 250c está a cargo de Blue Force Technologies (BFT, Morrisville, N.C., EE. UU.), que se especializa en diseño, ingeniería, herramientas, creación de prototipos y producción a velocidad completa de piezas y estructuras compuestas para el mercado final aeroespacial. Shawn Herrmann, vicepresidente de proyectos de futuro en BFT, dice que Beta Technologies desafió particularmente a su equipo, que tenía una serie de estipulaciones de peso y rendimiento adjuntas al ALIA 250c . Él dice que BFT se guió por tres elementos del diseño Beta:una fracción de peso estructural mínimo estricto (del peso total del plano) del 25%, configuraciones altamente contorneadas con múltiples interfaces de estructura a estructura que requieren una combinación aerodinámica y una estructura altamente unificada. con juntas mínimas.

“Beta busca un punto de diseño de alcance en el que nadie más se ha aventurado y, por lo tanto, debemos llevar un ala grande y eficiente sin sacrificar la fracción de peso vacío por el vuelo estacionario”, dice Herrmann. "Cada libra que se quita de la estructura puede ir a las baterías y, por lo tanto, a un mayor alcance".

Para fabricar la primera aeronave, BFT tuvo que alcanzar su objetivo de peso agresivo utilizando un proceso que se presta a herramientas blandas, sin renunciar a un rendimiento significativo en comparación con un preimpregnado de módulo estándar de curado a baja temperatura típico. “Hemos descubierto que mediante el uso de nuestro proceso patentado basado en infusión”, dice Herrmann, “combinado con nuestro enfoque de herramientas blandas, podemos construir un fuselaje experimental completo [apto para volar] en la misma cantidad de tiempo requerida para construir herramientas de carbono para un prototipo basado en preimpregnados ".

Herrmann dice que BFT ha estado desarrollando técnicas de infusión de resina para la estructura primaria en prototipos durante los últimos cinco años. Con ALIA , la compañía realizó más pruebas de materiales y procesos para iterar y mejorar sus técnicas de infusión para producir propiedades mecánicas que lograran la fracción de peso estructural requerida por el programa. Además, lo hizo con un sistema de resina que solo requería curado a temperatura ambiente y poscurado independiente. Además, BFT se esforzó por fabricar el ALIA Estructuras con la menor cantidad posible de juntas, lo que significa estructuras unificadas largas, incluido el ala de 50 pies y las dos plumas de 35 pies que sostienen los rotores de elevación.

El sistema de resina utilizado para fabricar el primer ALIA , dice Herrmann, fue desarrollado internamente y por lo tanto no es un material oficialmente calificado. Esto es adecuado para la creación de prototipos, admite, pero como ALIA entra en producción, es probable que la certificación obligue a diferentes materiales y decisiones de proceso, incluido un cambio potencial a preimpregnados. “La certificación será el factor principal en la selección de materiales para el avión de producción”, dice Herrmann. "El avión de producción tendrá el mismo aspecto y un peso similar, pero empleará materiales y procesos que tengan sentido para la certificación y la producción de alta velocidad".

Otras consideraciones para la producción a velocidad completa, cuyo volumen no ha revelado Beta, incluyen materiales y flujo de proceso, así como la automatización. BFT ya ha comenzado a trabajar en el primero, y el segundo, dice Herrmann, es casi una certeza:“La automatización debe producir propiedades mecánicas utilizadas en el diseño, debe producir a la velocidad para la que se dimensionó la fábrica y al costo recurrente mínimo previsto. y debe demostrarse que es repetible y confiable para producir laminados consistentes con el tamaño del defecto y los supuestos de densidad realizados en el enfoque de tolerancia al daño para la certificación. Vemos un futuro de producción de velocidad utilizando varios niveles de automatización en el laminado, la inspección, el recorte / taladrado, el ensamblaje, etc. ”

EHang

Tomando un rumbo ligeramente diferente está EHang, que está desarrollando el EHang 216 , un helicóptero autónomo eVTOL diseñado para el transporte en taxi aéreo de dos pasajeros o carga (también llamado logística aérea). Cuenta con ocho rotores coaxiales, cada uno de los cuales está montado en un brazo estructural que se extiende radialmente desde la parte inferior del fuselaje. Los brazos del rotor se pueden plegar verticalmente para facilitar el almacenamiento de la embarcación. Como la VoloCity de Volocopter (ver más abajo), el EHang 216 se para sobre patines. Tiene una carga útil máxima de 220 kilogramos y un alcance máximo de 35 kilómetros.

Los videos del EHang 216 en vuelo son abundantes, lo que demuestra la capacidad de la nave como transporte de personas y carga. En mayo de 2020, se le otorgó a EHang lo que, según la compañía, es la primera aprobación de operación piloto comercial del mundo de la Administración de Aviación Civil de China para usar EHang 216 para fines de logística aérea. A esto le siguió en julio de 2020 la concesión de un Certificado de operaciones de vuelo especial emitido por Transport Canada Civil Aviation. Esto permitirá vuelos de prueba de EHang 216 en Québec, Canadá.

Socio de fabricación estratégico de EHang, incluidos materiales compuestos, para EHang 216 es el fabricante aeroespacial FACC AG (Ried im Innkreis, Austria). Ni EHang ni FACC estaban dispuestos a compartir materiales compuestos o información de procesamiento con CW para esta historia, pero FACC ha informado que trabajará con EHang para optimizar los aviones en desarrollo y ayudar a desarrollar planes para la producción en serie. FACC también ayudará con la certificación, los servicios de mantenimiento del mercado de accesorios y la investigación y el desarrollo.

Joby Aviation

Uno de los programas AAM de más alto perfil pertenece a Joby Aviation, que está desarrollando un helicóptero pilotado eVTOL, aún sin nombre, para el transporte de taxis aéreos de hasta cuatro pasajeros. La nave Joby es notable porque presenta seis inclinación rotores. Dos rotores están montados en cada ala sobre el fuselaje y hay dos montados en la cola. La nave se encuentra en un tren de aterrizaje de tres ruedas, tiene un alcance de 240 kilómetros y una velocidad máxima de 320 kilómetros por hora.

Joby tiene una asociación comercial de varios años con el servicio de viajes compartidos aéreos Uber Elevate, pero dice que también está considerando lanzar un servicio propio de viajes compartidos. En cualquier caso, la empresa apunta a 2023 para entrar en servicio.

Joby no compartiría materiales compuestos ni procesará información sobre su aeronave con CW para esta historia, pero es bien sabido que Joby ha desarrollado importantes operaciones de fabricación de compuestos en y cerca de sus instalaciones de Santa Cruz. John Geriguis, desarrollo avanzado en Joby, dijo en una presentación en CAMX 2020 que los objetivos de industrialización de Joby son similares a los delineados por Pollack de Uber, pero enmarcados como lo que la compañía quiere evitar en sus operaciones de fabricación de compuestos:poco o ningún desperdicio, sin materiales. vencimiento, sin límites de tiempo de espera de materiales, sin problemas de recursos humanos, sin dependencia de variables humanas, sin inspección humana y sin reparaciones después de la construcción completa. Geriguis también señaló que, aunque Joby actualmente usa sistemas de resina termoendurecible, existe la oportunidad de integrar compuestos termoplásticos en las generaciones futuras de aviones.

Lilium

Lilium, con sede en Alemania, está desarrollando el Lilium Jet , un taxi aéreo eVTOL de ala fija pilotado con capacidad para hasta cuatro pasajeros. A pesar de "Jet" en el nombre, el Lilium Jet funciona con 36 ventiladores inclinados con conductos montados en el borde de ataque de cada ala y en la aleta de cola horizontal. Está diseñado para servicio interurbano y tiene un alcance de 300 kilómetros y una velocidad máxima de 300 kilómetros por hora. Lilium ha probado en vuelo el Lilium Jet , que se puede ver en un video publicado en el sitio de Lilium en octubre de 2019. Lilium anunció en julio un contrato de suministro de fibra de carbono con Toray (Tokio, Japón). En el anuncio, Lilium dijo que Toray suministrará fibra de carbono directamente a Lilium inicialmente para su uso en la producción de demostradores de tecnología adicionales. Cuando el Lilium Jet entra en la fabricación de prototipos y la producción, Toray entregará fibra de carbono a los proveedores que fabricarán piezas compuestas para Lilium.

Yves Yemsi, director de programas de Lilium, dice que los compuestos de fibra de carbono se utilizarán en todas las estructuras primarias del Lilium Jet, incluido el fuselaje, las alas y los flaps. Comentarios e información prometidos por Lilium; no se ha entregado.

Pipistrel

Algo atípico es Pipistrel, que está desarrollando el Nuuva V300 eVTOL autónomo, no para pasajeros sino para aplicaciones de carga aérea y logística aérea. Utiliza ocho rotores de elevación y un rotor de empuje y tiene una carga útil máxima de 460 kilogramos. La carga se almacena dentro del fuselaje, se accede desde el lateral o la sección de morro. Pipistrel está produciendo el primer Nuuva V300 prototipo, pero la empresa ya está aceptando pedidos de producción y planea fabricar "varios cientos" por año.

Pipistrel dice que tiene más de 25 años de experiencia en la fabricación de aeroestructuras compuestas y se centra en la intercambiabilidad de piezas, la reparabilidad en el campo y los procesos de curado rápido para el Nuuva V300 . La compañía está utilizando únicamente preimpregnados a base de epoxi, procesados principalmente mediante colocación manual y curado a temperatura ambiente, con curado ocasional en autoclave para piezas más pequeñas. Pipistrel dice que espera utilizar la automatización basada en preimpregnado fuera de autoclave cuando la aeronave entre en producción.

Volocopter

La nave que está desarrollando Volocopter, llamada VoloCity , es un helicóptero autónomo eVTOL con capacidad para dos pasajeros. VoloCity , que utiliza patines en lugar de tren de aterrizaje con ruedas, está propulsado por 18 rotores de elevación, tiene una carga útil máxima de 200 kilogramos, 110 kilómetros por hora de velocidad aérea máxima y una autonomía de 35 kilómetros. VoloCity Los rotores están dispuestos en una llanta estructural anclada a la parte superior del fuselaje, con 12 rotores ubicados equidistantemente en la circunferencia de la llanta y seis más en un diámetro más pequeño dentro de la llanta. Cada rotor tiene un diámetro de 2,3 metros; el diámetro total de la llanta es de 11,3 metros. Volocopter está tomando reservas ahora para VoloCity , que espera que entre en servicio en 2023.

Volocopter dice que está aplicando compuestos a toda la VoloCity fuselaje, aviones de rotor y asientos. Un socio fabricante de compuestos no identificado está fabricando prototipos y embarcaciones de demostración utilizando fibra de carbono y fibra de vidrio a través de una capa húmeda. No se identificó el tipo de resina, pero probablemente sea epoxi. En un comunicado, Volocopter dice que ha seleccionado una combinación de fibra / resina calificada porque, "en función de las limitaciones de tiempo y los objetivos, era importante utilizar un material calificado que se adaptara a nuestras necesidades y nuestro cronograma de producción". Cuando VoloCity entra en producción a plena velocidad, Volocopter dice que espera cambiar a un preimpregnado fuera de autoclave, con fabricación proporcionada por "fabricantes internacionales".

¿Cuántos VoloCity Se desconoce la producción anual que Volocopter espera producir anualmente, pero las declaraciones de la compañía en respuesta a las solicitudes de información para esta historia sugieren "miles", agregando que, "Lo que es seguro es que estamos buscando lograr tasas de producción más cercanas a las de los fabricantes de automóviles que los de los fabricantes de aviones en la actualidad ".

Wisk

Wisk, una empresa conjunta de Boeing (Seattle, Washington, EE. UU.) Y Kitty Hawk (Palo Alto, California, EE. UU.), Está desarrollando el Cora , un taxi aéreo eVTOL autónomo de ala fija con capacidad para dos pasajeros. Cora está propulsado por 12 rotores de elevación, tres ubicados hacia adelante y hacia atrás de cada ala, y un rotor de empuje ubicado en el extremo de popa del fuselaje, frente a la sección de cola. El avión se para en el tren de aterrizaje de tres ruedas. Cora tiene un alcance máximo de 40 kilómetros y una velocidad máxima de 160 kilómetros por hora.

Wisk dice todas las estructuras primarias en Cora se fabrican internamente con compuestos utilizando una combinación patentada de resina y fibras. En un comunicado, Wisk dijo que se eligieron materiales calificados porque "generalmente es más fácil comenzar a diseñar a partir de una solución ya probada". El proceso de fabricación es una colocación manual guiada por láser con consolidación fuera del autoclave bajo una bolsa de vacío. Las estructuras terminadas se evalúan con pruebas de carga límite, termografía e inspección ultrasónica. A medida que aumenta la producción, la empresa espera integrar tecnologías de automatización para cumplir con las "tasas de producción que se prevén actualmente para los eVTOL". Wisk también dice que espera mantener la fabricación interna cuando Cora entra en producción a plena velocidad, y los contratistas proporcionan producción complementaria según lo dicten las limitaciones de capacidad.

Tabla 1:Fabricantes de UAM, aeronaves

Fabricante / artesanía

Propulsión

Control

Capacidad

Máx. rango

Máx. velocidad

ALIA de Beta Technologies