Caja de ala IIAMS: Hoja de ruta hacia la certificación

Fig. 7 «Proceso de certificación de las modificaciones para el prototipo», que incluye el ala exterior FTB#2. Crédito foto: «Investigación radar estructural de Airbus Defence and Space como Clean Sky Partnership» por 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 julio 2019.

Airbus DS, FTB#2 y futuros aviones turbohélice

Airbus Defence and Space (Airbus DS, Cádiz, España) entró en el programa de investigación y tecnología de la Unión Europea Clean Sky como EADS CASA. Fundada como Construcciones Aeronáuticas SA en 1923 en Getafe, España, CASA tiene una larga historia en producción de aeronaves y fue uno de los miembros originales del Consorcio Airbus. Su segundo sitio se estableció en Cádiz en 1926, y la empresa ha producido 22 modelos de aeronaves así como componentes para Airbus y aviones militares Eurofighter y para aeronaves comerciales producidas por Airbus y Boeing.

Clean Sky 1 comprende 7 áreas de proyecto —6 Demostradores de Tecnología Integrada (ITD) y el Evaluador de Tecnología. Los ITD, cada uno co-liderado por 2 organizaciones industriales, cubren diferentes segmentos de transporte aéreo.

Clean Sky 2 comprende 9 áreas de proyecto —3 Plataformas de Demostrador de Aeronave Innovadora (IADP), 3 ITD, 2 Actividades Transversales y el Evaluador de Tecnología.

https://www.cleansky.eu/discover

Airbus DS ha progresado de co-líder del demostrador de tecnología integrada (ITD) Green Regional Aircraft (GRA) en el programa original Clean Sky (2008-2017) a co-líder del ITD AIRFRAME así como líder para el banco de pruebas de vuelo 2 (FTB#2) en la plataforma de demostrador de aeronave integrada regional (IADP) dentro del programa de seguimiento Clean Sky 2 (2014-2024).

A.E. Jiménez Gahete, con la Dirección de Estructuras y Diseño, Ingeniería y Tecnología en Airbus DS, describe el desarrollo de FTB#2 en el artículo de septiembre de 2020 en Materiales Compuestos titulado «Sección de caja de ala altamente integrada de Airbus Defence and Space fabricada por colocación de fibra seca e infusión de resina líquida». Este trabajo de Airbus DS en Clean Sky 2 se aplicará a un futuro avión de transporte militar o avión regional comercial turbohélice. Uno de sus principales objetivos es desarrollar el ala externa para el FTB#2, que contará con estructuras primarias compuestas OOA, incluyendo una cubierta de caja de ala superior de compuesto termoplástico integralmente rigidizada y una caja de ala de una pieza, de un solo disparo, hecha usando colocación automatizada de fibra (AFP) con cintas de fibra seca e infusión de resina líquida.

Esta última es de hecho la estructura que MTorres desarrolló y produjo dentro del proyecto Clean Sky 2 IIAMS, como se describe en el artículo de CompositesWorld de marzo de 2020, «Avanzando la caja de ala infusionada OOA». Notablemente, esa caja de ala integra la piel inferior, largueros delantero y trasero, pero no incluye la piel superior. Se hace obvio a partir de las hojas de ruta ilustradas abajo que la piel superior será de compuesto termoplástico.

Objetivos y antecedentes del ala externa FTB#2

«Cualquier diseño de aeronave futura requerirá más eco-eficiencia en todo el ciclo de vida», dice Gahete. Esto debería incluir:

• Menos energía en producción de componentes
• Menos material primario de desecho
• Disminución del consumo de líquidos de fabricación y materiales auxiliares
• Aumento de la reciclabilidad.

Tales mejoras fueron factores clave en el desarrollo del diseño estructural y proceso de producción para el ala externa FTB#2, junto con objetivos de peso reducido (-10 %) y coste de fabricación así como mayor eficiencia de producción.

Los compuestos termoplásticos y la infusión de resina juegan un papel clave en el ala externa FTB#2. Los compuestos termoplásticos consolidados in situ (ISC) y fibra seca/infusión de resina permiten fabricar grandes estructuras primarias OOA a coste reducido comparado con procesos tradicionales basados en autoclave. La soldadura termoplástica y estructuras altamente integradas infusionadas de un solo disparo también reducen el impacto de ensamblaje, fijaciones mecánicas, mecanizado para esas fijaciones e inspección a lo largo.

Los desarrollos de tecnología de infusión en Clean Sky 2 empezaron con proyectos previos de Clean Sky como GRA, ECO-DESIGN, APOLO y CERTERIN. Mientras tanto, ISC TPC ha madurado en proyectos de Clean Sky ICARO, TARGET, ECO-DESIGN y Green Regional Aircraft-Light Weight (GRA-LW), permitiendo que esta tecnología se incluya en el demostrador de vuelo FTB#2 de Clean Sky 2.

Fig. 10. Pirámide de pruebas. Crédito foto: «Airbus Defence and Space highly integrated wing box section manufactured by dry fiber placement and liquid resin infusion», por A.E. Jiménez Gahete, Materiales Compuestos Vol. 4, No. 4, pp. 19-26, sep 2020.

Certificación del ala externa FTB#2

Como explicó Gahete, «Paso a paso nosotros [Airbus DS] recorremos toda la pirámide de pruebas de estructuras de fuselaje desde cupones hasta pruebas estructurales a escala completa del ala exterior». La cinta UD Hexcel HiTape, 210 gramos por metro cuadrado (g/m²) y 12,7 mm de ancho con velo termoplástico V800E en ambos lados (peso del velo 4 g/m² por lado), infusionada con resina epoxi Hexcel HexFlow RTM6 de curado a 180 °C, ha sido totalmente caracterizada, incluyendo propiedades unidireccionales y multi-angulares. Los resultados mostraron que este material funciona bien en módulo pero menos bien en resistencia comparado con el prepreg epoxi Hexcel HexPly M21E hecho con fibra de carbono intermedia HexTow IMA, que se usa para fabricar pieles de ala, largueros y caja de ala central para el Airbus A350. Laminados cuasi-isotrópicos mostraron buenos resultados comparados con la misma referencia.

Gahete explica que además de cupones para caracterización de materiales, y antes de pruebas de subcomponentes de detalles y paneles para obtener los permitidos de diseño, se usaron demostradores de fabricación para ayudar a validar «qué características de diseño podían obtenerse con los procesos de fabricación seleccionados». DEMO1 integra una sección de piel de espesor variable, larguero en J con rigidizadores de costilla y dos rigidizadores integrados en la piel y ala del larguero en J. Y DEMO2 —midiendo 3 metros de largo x 0,86 metro de ancho x 3,44 metros de alto— simula las dimensiones generales de la caja de ala exterior FTB#2 e incluye cinco rigidizadores. Gahete señala que algunos ajustes de proceso se hicieron a través de unas pocas iteraciones antes de obtener resultados exitosos en pruebas de piezas estructurales.

Una matriz de pruebas de detalles de diseño también se completó, incluyendo pruebas de impacto de rayo, fuga de rigidizador y aplastamiento de rigidizador (para evaluación de pandeo y fallo). Pruebas de paneles de subcomponentes también se completaron con resultados positivos. Con toda la pirámide de pruebas completada exitosamente, desde cupones a subcomponentes, dice Gahete, solo quedan las pruebas finales estáticas y funcionales a escala completa del ala exterior para obtener la calificación FTB#2 para vuelo. Estas pruebas están planeadas para completarse a finales de 2021.

FTB#2 como parte de desarrollo tecnológico de mayor alcance

La caja de ala externa es solo una parte de FTB#2 que Airbus DS está suministrando. Otros demostradores estructurales —como se explica en el artículo de 2019, «Investigación radar estructural de Airbus Defense and Space como Clean Sky partnership», escrito por Airbus DS y publicado por la European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS) en 2019— incluyen cabinas MT1 o MT2 (ver imagen abajo) con alta integración estructural para reducción de peso y coste, bordes de ataque de ala con características morphing y ala externa completa con alerón y flap morphing. (Nota, este último se está avanzando vía el proyecto Air Green 2 por CIRA - Centro Italiano de Investigación Aeroespacial).

La ilustración abajo muestra varias investigaciones de Airbus DS dentro de Clean Sky (CS1) y Clean Sky 2 (CS2), como parte de una amplia cartera tecnológica.

También se explica en el artículo EUCASS, estos proyectos de investigación no solo han avanzado tecnologías de compuestos sino también nuevos desarrollos en metales, así como fabricación aditiva, utillaje y reparación:

• Estructura primaria altamente integrada
  • Laminado sólido multifuncional de doble curvatura co-curado de un solo disparo
  • Alta integración de cuadernas masivas vía infusión de resina líquida (LRI)
    • Laminado sólido (formador inferior FR-9)
    • Sándwich rigidizado (mamparo de presión delantero FR-1)
    • Piel inferior y largueros de caja de ala FTB#2
  • Alta integración vía termoplástico consolidado in situ (ISC)
    • Pequeña curvatura (FR-4 de MT1/MT2; piel superior de caja de ala externa FTB#2)
    • Conformado continuo termoplástico (rigidizadores)
    • Alta/doble curvatura (borde de ataque y capota)
  • Cuaderna de fuselaje/costilla de ala hecha en estampado en caliente de chapa de aleación ligera
• Estructura secundaria: marcos de ventana TPC y ALM (fabricación aditiva por capas) de bajo coste
• Tecnologías de utillaje: compuestos de bajo coste y ALM
• Reparaciones y mantenimiento
  • Reparación estándar en piel rigidizada curva altamente integrada (prepreg)
  • Co-consolidación y soldadura termoplástica ISC
  • Artículos estructurales RTM-LRI
    • Aplicación de parche prepreg
    • Parches de material seco más inyección de resina
  • Inyección de resina para fijar capas multifuncionales externas

El ensamblaje sin útiles también ha sido un énfasis recurrente, al igual que madurar nuevos sistemas digitales 4.0 y tecnologías de prueba como las listadas en el artículo EUCASS:

• Interferometría (DIC)
  • Pruebas multi-impacto energía media
  • Pruebas vibracionales
• Termografía
  • Aplicación END
  • Comportamiento estructural en entorno caliente
• Sensores SHM y técnicas de medición
  • Fibra óptica FBG (Fiber Bragg Grating)
  • OBR (Optical Backscatter Reflectometry)
  • MEMS (Sistemas Micro-Electro-Mecánicos combinando componentes eléctricos y mecánicos en un solo chip)
• Acústico p-U (método de medición de absorción in-situ basado en presión-velocidad)

Marco colaborativo UE para certificación

Una nota final de los artículos EUCASS y Gahete es el crédito dado a la estrecha colaboración con y trabajo logrado por varios socios clave de Airbus DS incluyendo NLR (Centro Aeroespacial de Países Bajos), Airborne (La Haya, Países Bajos), Applus+ Laboratories (Barcelona, España), MTorres (Torres de Elorz, España) y FIDAMC (Getafe, España), esta última descrita como «significativamente involucrada en todas las tecnologías desarrolladas con materiales compuestos y sus procesos de fabricación».

Desde hace tiempo he notado las actividades y publicaciones de ingenieros de Airbus en Getafe y escrito sobre el trabajo ISC TPC hecho por FIDAMC y otros. CW también ha destacado el liderazgo de Airbus DS en muchos de los artículos escritos sobre proyectos Clean Sky. Pero hasta ahora, no entendí cuán a largo plazo y planificada ha sido la estrategia de Airbus DS, haciendo el máximo uso de su participación y contribución a los programas Clean Sky. Tiene perfecto sentido sentar las bases para la certificación durante el desarrollo de nuevos demostradores de cabina y ala. CW escribió sobre este mismo enfoque perseguido por el líder del tema Airbus Alemania dentro del Demostrador de Fuselaje Multifuncional (MFFD) de Clean Sky 2. En ese caso, la caracterización completa de poliariletercetona de bajo punto de fusión (LM PAEK) en uniones soldadas se logrará dentro del sub-proyecto MECATESTERS.

Las hojas de ruta de Airbus DS y la ilustración de radar tecnológico estructural mostradas en este informe son otro ejemplo de cómo las industrias de aviación y aero-compuestos europeas trabajan juntas para estar listas para el futuro. Clean Sky 2 continúa teniendo éxito al proporcionar a las industrias de aeronaves y aero-compuestos de Europa una visión ambiciosa y un marco financiado para trabajar juntos y lograr objetivos claros. Este trabajo también ayudará a medida que la industria pivote hacia electrificación, hidrógeno y combustibles alternativos para superar el cambio climático, y tanto la aviación como los compuestos tienen papeles clave que jugar en ese logro.