Avance de aerostructuras compuestas para la movilidad aérea urbana

La idea de un coche volador ha sido un elemento recurrente en la cultura popular, desde la serie animada Los Supersónicos a principios de los años 60 hasta el landspeeder de Star Wars en los 70, pasando por muchas otras encarnaciones en la ciencia ficción más reciente. Todas prometían un futuro donde el transporte cotidiano pudiera entrar en la tercera dimensión y evitar el tráfico y la congestión del desplazamiento moderno. Además, asumían que ese transporte fácil estaba a la vuelta de la esquina, un desafío técnico no insuperable. Hoy, casi 60 años después de Los Supersónicos, parece que finalmente estamos al borde de esa revolución del transporte.

Actualmente, varios programas de desarrollo de aeronaves están muy avanzados en las fases de fabricación y pruebas de vuelo, con el objetivo de facilitar el transporte de pasajeros y/o carga en grandes áreas urbanas de todo el mundo en los próximos cinco años. Todas estas aeronaves funcionan con baterías y dependen en gran medida del ahorro de peso y la resistencia que proporcionan los materiales compuestos.

UAM, AAM, eVTOL

Esta revolución del transporte recibe muchos nombres. Comenzó con las aeronaves eléctricas de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL), pero este término puede resultar demasiado específico, por lo que la industria cambió a movilidad aérea urbana (UAM). La NASA prefiere movilidad aérea avanzada (AAM), que abarca más aspectos y elimina el enfoque puramente urbano de la tecnología, aunque la AAM está muy diseñada para el entorno urbano.

Independientemente del nombre —usaremos el más común UAM—, las aeronaves de este tipo están diseñadas para realizar una de dos funciones. Una es proporcionar servicio de taxi aéreo tripulado o autónomo, transportando personas del punto A al punto B (heliporto/aeropuerto a heliporto/aeropuerto) a distancias de 25 a 400 kilómetros, intracity o intercity. La segunda función es proporcionar transporte autónomo de carga 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), pero uno de los mayores impulsores es la rápida urbanización del planeta. Para 2050, según la ONU, el 68 % de la población mundial —unos 7100 millones de personas— vivirá en áreas urbanas. Esto ejercerá una presión sustancial sobre la infraestructura de transporte, haciendo que los viajes en coche sean cada vez más difíciles. Se espera que expandir los viajes al espacio aéreo sobre las ciudades alivie esa presión. De ahí el creciente mercado de la UAM.

Calidad aeroespacial, cantidad automotriz

Independientemente de las fuerzas del mercado y la economía, los fabricantes de UAM han entrado en territorio de fabricación de compuestos hasta ahora inexplorado. Las aeronaves UAM, para entrar en servicio, deben ser certificadas por la autoridad que regula el transporte aéreo, de manera similar a como se certifican los grandes aviones comerciales. En EE. UU. es la FAA y en Europa la EASA. Obtener esa certificación requiere que la aeronave cumpla ciertos requisitos de seguridad y rendimiento. El uso de compuestos para cumplir los requisitos de certificación, aunque no es trivial, está al alcance de varias combinaciones comunes de materiales y procesos.

Sin embargo, los fabricantes de UAM también contemplan volúmenes de producción a plena capacidad en cientos, si no miles, de unidades. Esto dista mucho de la tasa de ocho al mes para la fabricación del Boeing 787 o el Airbus A350. Lograr tales tasas requerirá el desarrollo de tecnologías de proceso, control de proceso y automatización que puedan producir de forma repetible, fiable y eficiente aerostructuras de alta calidad y dentro de especificaciones. Así, la fabricación de UAM se ha convertido en el niño mimado de la frase común en compuestos: «calidad aeroespacial, cantidad automotriz».

Uno de los líderes del servicio de taxi aéreo es, previsiblemente, Uber, que ha creado Uber Elevate, un servicio de viajes compartidos aéreos. Uber Elevate ha contratado a varios socios fabricantes de UAM que construirán aeronaves para la empresa. Entre ellos se encuentran Aurora Flight Sciences, Bell, Embraer, Hyundai, Jaunt Air Mobility, Joby Aviation, Overair y Pipistrel Vertical Solutions.

Mischa Pollack, responsable de diseño de vehículos y estructuras en Uber, declaró durante una presentación en CAMX 2020 que la empresa prevé la certificación inicial de su servicio en unas pocas ciudades para 2023, seguida de una expansión en 2026 y luego una escala significativa en 2028. Para 2035, dijo, Uber Elevate espera tener servicios de viajes compartidos aéreos en más de 50 mercados con una demanda de 10 000 aeronaves UAM al año. «Esta cifra», dijo, «sigue siendo más parecida a las tasas de fabricación aeroespacial comercial, pero aún necesitamos que la fabricación de compuestos evolucione».

¿Qué aspecto tiene esa evolución? La lista de deseos de Pollack para la producción a plena capacidad es básicamente una hoja de ruta hacia la industrialización que la industria de compuestos ha anticipado durante varios años: hasta 4500 toneladas métricas al año de fibra de carbono de alto módulo/alta resistencia, mayor automatización mediante colocación automática 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, residuos mínimos o nulos, 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 compuestos tiene unos años para desarrollar la cadena de suministro que pueda satisfacer tales necesidades. Mientras tanto, la forma en que cada fabricante de UAM pasará a producción varía. Algunos, como se señala a continuación, mantienen toda la producción internamente. Otros hacen prototipos internamente pero trasladarán la producción a plena capacidad a socios. Otros han contratado a terceros desde el principio y mantendrán esa estrategia en producción.

Hoy hay más de 100 empresas trabajando en el desarrollo de aeronaves UAM para servicios de taxi aéreo o transporte de carga, pero solo un puñado ha recibido financiación suficiente para producir prototipos o demostradores voladores. Son: Beta Technologies (South Burlington, Vermont, 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.).

Todas las aeronaves UAM perfiladas aquí comparten varias características: primero, son relativamente pequeñas, con capacidad para dos a cuatro pasajeros, o una masa equivalente de carga. Segundo, casi todas vuelan de forma autónoma. Tercero, son totalmente eléctricas y dependen de baterías recargables para el vuelo. Cuarto, dependen del uso de rotores de elevación que permiten el despegue y aterrizaje vertical. No todos los fabricantes de UAM listados aquí estuvieron dispuestos a compartir con CW cómo despliegan los compuestos en sus aeronaves. Lo que sigue es un resumen de la información proporcionada.

Beta Technologies

Avanzando de forma discreta y rápida está Beta Technologies, que está desarrollando el ALIA 250c eVTOL tripulado para transporte de hasta cinco pasajeros. Este avión cuenta con cuatro rotores de elevación y uno de propulsión. Los rotores de elevación están situados en brazos adelante y atrás de cada ala sobre el fuselaje; el rotor de propulsión se encuentra en la parte trasera del avión detrás del estabilizador horizontal. El alcance objetivo del ALIA 250c es de 400 kilómetros, y aunque está diseñado para transportar pasajeros, la primera aplicación de la aeronave será el transporte de órganos humanos para el cliente de lanzamiento United Therapeutics.

La fabricación de todas las estructuras compuestas para el ALIA 250c la realiza Blue Force Technologies (BFT, Morrisville, Carolina del Norte, EE. UU.), especializada en diseño, ingeniería, utillaje, prototipado y producción a plena capacidad de piezas y estructuras compuestas para el mercado aeroespacial. Shawn Herrmann, VP de Proyectos Futuros en BFT, dice que su equipo se enfrentó a un reto particular por parte de Beta Technologies, que tenía una serie de estipulaciones de peso y rendimiento adjuntas al ALIA 250c. Dice que BFT se guió por tres elementos del diseño de Beta: una fracción de peso estructural mínima estricta (del peso total del avión) del 25 %, configuraciones altamente contorneadas con múltiples interfaces estructura-a-estructura que requieren fusión aerodinámica, y una estructura altamente unificada con uniones mínimas.

«Beta apunta a un punto de diseño de alcance al que nadie más se ha aventurado, y por tanto debemos llevar un ala grande y eficiente sin sacrificar la fracción de peso en vacío para el vuelo estacionario», dice Herrmann. «Cada libra eliminada de la estructura puede destinarse a baterías, y por tanto a mayor alcance».

Para fabricar el primer avión, BFT tuvo que alcanzar su agresivo objetivo de peso utilizando un proceso que se presta a utillaje blando, sin renunciar a un rendimiento significativo frente a un preimpregnado estándar de curado a baja temperatura y módulo estándar. «Hemos descubierto que utilizando nuestro proceso de infusión propietario», dice Herrmann, «combinado con nuestro enfoque de utillaje blando, podemos construir un aerostructura experimental [aptos para vuelo] completa en el mismo tiempo que se requiere para construir utillaje de carbono para un prototipo basado en preimpregnado».

Herrmann dice que BFT ha estado desarrollando técnicas de infusión de resina para estructuras primarias en prototipos durante los últimos cinco años. Con ALIA, la empresa realizó más pruebas de materiales y procesos para iterar y mejorar sus técnicas de infusión y obtener propiedades mecánicas que cumplan 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 post-curado autoportante. Además, BFT se esforzó por fabricar las estructuras del ALIA con la menor cantidad posible de uniones, lo que significa estructuras unificadas largas —incluyendo el ala de 50 pies y los dos brazos 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 tanto, no es un material oficialmente cualificado. Esto es adecuado para prototipado, admite, pero a medida que el ALIA entra en producción, la certificación probablemente obligará a tomar diferentes decisiones de materiales y procesos, incluyendo un posible cambio a preimpregnados. «La certificación será el principal impulsor en la selección de materiales para la aeronave de producción», dice Herrmann. «La aeronave de producción se verá igual y tendrá un peso similar, pero empleará materiales y procesos que tengan sentido para la certificación y la producción a alta cadencia».

Otras consideraciones para la producción a plena capacidad —cuya cantidad Beta no ha revelado— incluyen el flujo de materiales y procesos, así como la automatización. BFT ya ha comenzado a trabajar en lo primero, y lo segundo, dice Herrmann, es casi una certeza: «La automatización debe generar las propiedades mecánicas usadas en el diseño, debe producir a la tasa para la que se dimensionó la fábrica y al coste recurrente mínimo previsto, y debe demostrarse repetible y fiable para producir laminados consistentes con los supuestos de tamaño y densidad de defectos hechos en el enfoque de tolerancia al daño para la certificación. Vemos un futuro de producción a alta cadencia usando varios niveles de automatización en colocación, inspección, recorte/taladrado, ensamblaje, etc.».

EHang

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

Hay abundantes videos del EHang 216 en vuelo, demostrando la capacidad de la aeronave como transportadora de personas y carga. En mayo de 2020, EHang obtuvo lo que la empresa dice ser la primera aprobación de operación comercial piloto del mundo de la Administración de Aviación Civil de China para usar el EHang 216 con fines de logística aérea. Esto fue seguido en julio de 2020 por la concesión de un Certificado de Operaciones de Vuelo Especial emitido por Transporte Canadá Aviación Civil. Esto permitirá vuelos de prueba del EHang 216 en Quebec, Canadá.

El socio estratégico de fabricación de EHang —incluyendo compuestos— para el EHang 216 es el fabricante aeroespacial FACC AG (Ried im Innkreis, Austria). Ni EHang ni FACC estuvieron dispuestos a compartir información sobre materiales o procesos compuestos con CW para esta historia, pero FACC ha informado que trabajará con EHang para optimizar las aeronaves en desarrollo y ayudar a desarrollar planes para la producción en serie. FACC también ayudará con la certificación, servicios de mantenimiento posventa e investigación y desarrollo.

Joby Aviation

Uno de los programas AAM de más alto perfil pertenece a Joby Aviation, que está desarrollando un eVTOL helicóptero tripulado aún sin nombre para transporte aéreo de hasta cuatro pasajeros. La aeronave de Joby es notable por contar con seis rotores basculantes. Dos rotores están montados en cada ala sobre el fuselaje, y hay dos montados en la cola. La aeronave se apoya 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 plurianual con el servicio de viajes compartidos aéreos Uber Elevate, pero dice que también está considerando lanzar su propio servicio de viajes compartidos. En cualquier caso, la empresa apunta a 2023 para la entrada en servicio.

Joby no quiso compartir información sobre materiales y procesos compuestos de su aeronave con CW para esta historia, pero es bien sabido que Joby ha desarrollado operaciones significativas de fabricación de compuestos en y cerca de su instalación en 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 descritos por Pollack de Uber, pero enmarcados como lo que la empresa quiere evitar en sus operaciones de fabricación de compuestos: residuos mínimos o nulos, sin caducidad de materiales, sin límites de tiempo fuera de almacenamiento, sin problemas de recursos humanos, sin dependencia de variables humanas, sin inspección humana y sin reparaciones tras la construcción completa. Geriguis también señaló que aunque Joby actualmente usa sistemas de resina termoestable, hay oportunidad para la integración de compuestos termoplásticos en futuras generaciones de la aeronave.

Lilium

La empresa alemana Lilium está desarrollando el Lilium Jet, un eVTOL de ala fija tripulado para taxi aéreo con capacidad para hasta cuatro pasajeros. A pesar de «Jet» en el nombre, el Lilium Jet funciona con 36 ventiladores ductados basculantes montados en el borde de ataque de cada ala y la aleta horizontal de cola. Está diseñado para servicio interurbano y tiene un alcance de 300 kilómetros y una velocidad máxima de 300 kilómetros por hora. Lilium ha realizado vuelos de prueba del Lilium Jet, visibles 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 uso en la producción de demostradores tecnológicos adicionales. Cuando el Lilium Jet entre en prototipado y producción, Toray entregará fibra de carbono a proveedores que fabricarán piezas compuestas para Lilium.

Yves Yemsi, director de programas en Lilium, dice que los compuestos de fibra de carbono se usarán en todas las estructuras primarias del Lilium Jet, incluyendo fuselaje, alas y flaps. Comentarios e información prometidos por Lilium; no han sido entregados.

Pipistrel

Algo atípica 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 uno de propulsión y tiene una carga útil máxima de 460 kilogramos. La carga se almacena dentro del fuselaje, accesible desde el lateral o la sección frontal. Pipistrel está en medio de la producción del primer prototipo Nuuva V300, pero la empresa ya está aceptando pedidos de producción y planea fabricar «varios cientos» al año.

Pipistrel dice que tiene más de 25 años de experiencia fabricando aerostructuras compuestas y se centra en la intercambiabilidad de piezas, la reparabilidad en campo y procesos de curado rápido para el Nuuva V300. La empresa utiliza solo preimpregnados basados en epóxia, procesados principalmente mediante colocación manual y curado a temperatura ambiente, con curado en autoclave ocasional para piezas más pequeñas. Pipistrel dice que espera usar automatización basada en preimpregnados fuera de autoclave extensivamente cuando la aeronave entre en producción.

Volocopter

La aeronave que está desarrollando Volocopter, llamada VoloCity, es un eVTOL helicóptero autónomo con capacidad para dos pasajeros. VoloCity, que usa patines en lugar de tren de aterrizaje con ruedas, funciona con 18 rotores de elevación, tiene una carga útil máxima de 200 kilogramos, velocidad aérea máxima de 110 kilómetros por hora y un alcance de 35 kilómetros. Los rotores de VoloCity están dispuestos en un aro estructural anclado en la parte superior del fuselaje, con 12 rotores situados equidistantemente en la circunferencia del aro y seis más en un diámetro menor dentro del aro. Cada rotor tiene un diámetro de 2,3 metros; el diámetro total del aro es de 11,3 metros. Volocopter está aceptando reservas ahora para VoloCity, que espera que entre en servicio para 2023.

Volocopter dice que está aplicando compuestos a toda la estructura aérea, planos de rotores y asientos de VoloCity. Los prototipos y demostradores se están fabricando por un socio fabricante de compuestos no identificado usando fibra de carbono y fibra de vidrio mediante colocación en húmedo. El tipo de resina no fue identificado, pero probablemente es epóxica. En un comunicado, Volocopter dice que ha seleccionado una combinación cualificada de fibra/resina porque, «basado en las limitaciones de tiempo y objetivos, era importante usar un material cualificado que se ajustara a nuestras necesidades y nuestra línea de tiempo para producción». Cuando VoloCity entre en producción a plena capacidad, Volocopter dice que espera cambiar a un preimpregnado fuera de autoclave, con fabricación proporcionada por «fabricantes internacionales».

Cuántas aeronaves VoloCity espera producir Volocopter anualmente se desconoce, pero declaraciones de la empresa en respuesta a solicitudes de información para esta historia sugieren «miles», añadiendo que, «lo que es seguro es que buscamos alcanzar tasas de producción más cercanas a las de fabricantes de automóviles que a las de fabricantes de aeronaves actualmente».

Wisk

Wisk, una joint venture de Boeing (Seattle, Washington, EE. UU.) y Kitty Hawk (Palo Alto, California, EE. UU.), está desarrollando el Cora, un eVTOL de ala fija autónomo para taxi aéreo con capacidad para dos pasajeros. Cora funciona con 12 rotores de elevación —tres situados adelante y atrás de cada ala— y un rotor de propulsión ubicado en el extremo trasero del fuselaje frente a la sección de cola. El avión se apoya en un 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 que todas las estructuras primarias de Cora se fabrican internamente con compuestos usando una combinación propietaria de resina y fibras. En un comunicado, Wisk dijo que se eligieron materiales cualificados porque «es generalmente más fácil comenzar el diseño desde una solución ya probada». El proceso de fabricación es colocación manual guiada por láser con consolidación fuera de autoclave bajo 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 «tasas de producción que actualmente se prevén para eVTOLs». Wisk también dice que espera mantener la fabricación interna cuando Cora entre en producción a plena capacidad, con contratistas proporcionando producción suplementaria según lo dicten las limitaciones de capacidad.

Tabla 1: Fabricantes UAM, Aeronaves

Fabricante/Aeronave	Propulsión	Control	Capacidad	Alcance máx.	Vel. máx.
Beta Technologies ALIA	4 rotores elevación, 1 propulsión	1 piloto	5 pasajeros	400 km	274 km/h
EHang EHang 216	16 rotores (8 pares)	Autónomo	2 pasajeros o 220 kg	35 km	130 km/h
Joby (sin nombre)	6 rotores basculantes	1 piloto	4 pasajeros	240 km	320 km/h
Lilium Lilium Jet	36 ventiladores ductados basculantes	1 piloto	4 pasajeros	300 km	300 km/h
Pipistrel Nuuva V300	8 rotores elevación, 1 propulsión	Autónomo	460 kg (carga)	300 km	220 km/h
Volocopter VoloCity	18 rotores	Autónomo	2 pasajeros o 200 kg	35 km	110 km/h
Wisk Cora	12 rotores elevación, 1 propulsión	Autónomo	2 pasajeros o 180 kg	40 km	160 km/h