Композитные аэроструктуры на развивающемся рынке городской воздушной мобильности

Идея летающего автомобиля давно провозглашалась в массовой культуре от Jetsons . мультфильм начала 1960-х годов на Звездные войны Landspeeder в 70-х, и многие другие воплощения в более поздней научной фантастике. Все они обещают будущее, в котором ежедневный транспорт может войти в третье измерение, минуя трафик и заторы, которые являются современными транспортными средствами. Кроме того, они полагали, что такая легкая транспортировка не за горами - непреодолимая техническая проблема. Сегодня, почти 60 лет после того, как Jetsons , похоже, что мы, наконец, находимся на пороге такой транспортной революции.

В настоящее время существует несколько программ разработки самолетов, далеко идущих по пути производства и летных испытаний, которые направлены на облегчение пассажирских и / или грузовых перевозок в крупных городских районах по всему миру в течение следующих пяти лет. Все эти летательные аппараты питаются от батарей и в значительной степени зависят от веса и прочности композитных материалов.

UAM, AAM, eVTOL

Что это за транспортная революция? У него много названий. Все началось с электрических самолетов вертикального взлета и посадки (eVTOL), но иногда это может быть слишком специфичным, поэтому промышленность переключилась на городскую воздушную мобильность (UAM). НАСА предпочитает усовершенствованную воздушную мобильность (AAM), которая охватывает множество баз и устраняет городской характер технологии, несмотря на то, что AAM в значительной степени разработан для городской среды.

Независимо от названия - здесь мы будем использовать более распространенный UAM - самолеты этого жанра предназначены для выполнения одной из двух функций. Один из них заключается в предоставлении пилотируемых или автономных услуг воздушного такси для перевозки людей из пункта A в пункт B (вертодром / аэропорт-вертодром / аэропорт) на расстояние 25-400 километров внутри города или междугороднего. Вторая функция - обеспечение автономного грузового транспорта в аналогичных условиях.

Экономика и показатели, лежащие в основе UAM, многочисленны, и не все из них могут быть рассмотрены здесь (KPMG предлагает хорошее руководство по технологии и тому, что за ней стоит), но одним из основных факторов является быстрая урбанизация планеты. К 2050 году, по данным ООН, 68% населения мира - около 7,1 миллиарда человек - будут проживать в городах. Это окажет существенное давление на транспортную инфраструктуру, что затруднит передвижение на автомобиле. Ожидается, что расширение полетов в воздушное пространство над городами ослабит это давление. Отсюда растущий рынок UAM.

Качество в аэрокосмической отрасли, количество автомобилей

Независимо от рыночных сил и экономики, производители UAM вышли на неизведанную территорию производства композитов. Самолеты UAM для ввода в эксплуатацию должны быть сертифицированы органом, регулирующим воздушные перевозки, аналогично тому, как сертифицируются большие коммерческие воздушные суда. В США это FAA, а в Европе - EASA. Для получения этого сертификата необходимо, чтобы самолет соответствовал определенным показателям безопасности и летных характеристик. Использование композитов для удовлетворения требований сертификации, хотя и не является тривиальным, легко доступно для нескольких распространенных комбинаций материалов и процессов.

Однако производители UAM также рассматривают возможность полноценного производства в сотнях, если не тысячах единиц. Это далеко от восьми в месяц для производства Boeing 787 или Airbus A350. Достижение таких показателей потребует разработки технологических процессов, технологий управления и автоматизации, которые позволят стабильно, надежно и эффективно производить высококачественные авиационные конструкции в соответствии с техническими условиями. Таким образом, производство UAM стало образцом для общей фразы композиторов:«Аэрокосмическое качество, количество автомобилей».

Одним из лидеров службы воздушного такси, как и следовало ожидать, является Uber, который создал Uber Elevate, службу обмена воздушными поездками. Uber Elevate заключила контракт с несколькими производственными партнерами UAM, которые будут строить для компании самолеты. К ним относятся Aurora Flight Sciences, Bell, Embraer, Hyundai, Jaunt Air Mobility, Joby Aviation, Overair и Pipistrel Vertical Solutions.

Миша Поллак, руководитель отдела проектирования и конструкции транспортных средств в Uber, сказал во время презентации CAMX 2020, что компания ожидает первоначальную сертификацию своих услуг в нескольких городах к 2023 году с последующим расширением в 2026 году и затем значительным увеличением масштаба в 2028 году. К 2035 году, по его словам, Uber Elevate планирует предоставлять услуги по совместному использованию пассажиров более чем на 50 рынках со спросом на 10 000 самолетов UAM в год. «Это число, - сказал он, - все еще ближе к темпам производства коммерческой авиакосмической промышленности, но нам все еще необходимо развитие производства композитов».

Как выглядит такая эволюция? Список желаний Поллака для полноценного производства - это, по сути, дорожная карта к индустриализации, которую отрасль композитов ожидала в течение нескольких лет:до 4500 метрических тонн высокомодульного / высокопрочного углеродного волокна в год, повышенная автоматизация за счет автоматизированного размещения ленты и волокна. , расширенное использование процессов сжатия и пултрузии, стратегическое использование армированного волокном аддитивного производства, автоматизированное соединение и сварка, поточный контроль в реальном времени, мало или совсем нет отходов, более широкое использование материалов с низким содержанием энергии, значительное использование переработанных материалов и применение устойчивых стратегий в области энергетики, материалов и процессов.

К счастью, у индустрии композитов есть несколько лет на то, чтобы разработать цепочку поставок, которая сможет удовлетворить такие потребности. Между тем, способы перехода каждого производителя UAM к производству различаются. Некоторые, как указано ниже, держат все производство внутри компании. Некоторые делают прототипы собственными силами, но полностью перекладывают производство на партнеров. Другие с самого начала привлекали сторонних партнеров и будут поддерживать эту стратегию в работе.

Сегодня более 100 компаний работают над разработкой самолетов UAM для авиатакси или грузовых транспортных услуг, но лишь немногие из них получили достаточно средств для производства летающих прототипов или демонстраторов. Это:Beta Technologies (Южный Берлингтон, Вт, США), EHang (Гуанчжоу, Китай), Joby Aviation (Санта-Крус, Калифорния, США), Lilium (Мюнхен, Германия), Pipistrel (Айдовщина, Словения), Volocopter ( Брухзаль, Германия) и Виск (Маунтин-Вью, Калифорния, США).

Все описанные здесь самолеты UAM имеют несколько общих черт:во-первых, они относительно небольшие, вмещают от двух до четырех пассажиров или эквивалентную массу груза. Во-вторых, почти все они летают автономно. В-третьих, они полностью электрические и во время полета зависят от аккумуляторных батарей. В-четвертых, они используют подъемные винты, обеспечивающие вертикальный взлет и посадку. Не все перечисленные здесь производители UAM были готовы поделиться с CW как он использует композиты в своем ремесле. Ниже приводится краткое изложение предоставленной информации.

Бета-технологии

Тихо и быстро продвигается компания Beta Technologies, которая разрабатывает ALIA 250c пилотируемый eVTOL для перевозки до пяти пассажиров. Этот самолет имеет четыре подъемных ротора и один толкающий ротор. Подъемные винты расположены на стрелах вперед и назад каждого крыла над фюзеляжем; Толкающий винт расположен в задней части самолета за горизонтальным оперением. Целевой диапазон для ALIA 250c составляет 400 километров, и, хотя он предназначен для перевозки пассажиров, первым самолетом будет транспортировка человеческих органов для первого заказчика United Therapeutics.

Производство всех композитных конструкций для ALIA 250c выполняется компанией Blue Force Technologies (BFT, Моррисвилл, Северная Каролина, США), которая специализируется на проектировании, проектировании, оснастке, прототипировании и полномасштабном производстве композитных деталей и конструкций для конечного рынка аэрокосмической промышленности. Шон Херрманн, вице-президент по проектам будущего в BFT, говорит, что его команда особенно столкнулась с проблемой Beta Technologies, которая имела ряд ограничений по весу и производительности, приложенным к ALIA 250c . Он говорит, что BFT руководствовался тремя элементами бета-дизайна:строгой минимальной структурной весовой долей (от общего веса плоскости) в 25%, сильно очерченными конфигурациями с множеством интерфейсов между структурой, требующими аэродинамического смешения, и сильно унифицированной структурой. с минимальным количеством стыков.

«Бета стремится к достижению проектной точки дальности, на которую никто другой не решался, и поэтому мы должны иметь большое эффективное крыло, не жертвуя долей веса пустого для зависания», - говорит Херрманн. «Каждый фунт, удаленный из конструкции, может пойти на батарейки, а значит, на больший радиус действия».

Чтобы изготовить первый самолет, BFT пришлось достичь своей агрессивной цели по весу, используя процесс, который позволяет использовать мягкую оснастку, не теряя при этом значительных характеристик по сравнению с типичным препрегом со стандартным модулем упругости при низкотемпературном отверждении. «Мы обнаружили, что, используя наш запатентованный процесс, основанный на инфузии, - говорит Херрманн, - в сочетании с нашим подходом к созданию мягких инструментов, мы можем построить весь экспериментальный [пригодный к полету] планер за то же время, необходимое для создания углеродного инструмента для летательного аппарата. прототип на основе препрега ».

Херрманн говорит, что в течение последних пяти лет компания BFT разрабатывала методы вливания смолы для первичной структуры прототипов. С АЛИЕЙ , компания провела дополнительные испытания материалов и процессов, чтобы повторить и улучшить свои методы инфузии, чтобы получить механические свойства, которые позволят достичь структурной весовой доли, требуемой программой. Более того, это было сделано с помощью системы смол, для которой требовалось только отверждение при комнатной температуре и отдельное постотверждение. Кроме того, BFT попыталась сфабриковать ALIA Конструкции с минимально возможным количеством соединений, что означает длинные единые конструкции, включая 50-футовое крыло и две 35-футовые стрелы, удерживающие подъемные роторы.

Система смолы, использованная для изготовления первого ALIA - говорит Херрманн, - был разработан собственными силами и поэтому не является официально квалифицированным материалом. Он признает, что этого достаточно для прототипирования, но, как отмечает АЛИА Вступление в производство, сертификация, вероятно, потребует принятия различных материалов и технологических решений, включая потенциальный переход на препреги. «Сертификация будет основным фактором при выборе материалов для серийного самолета», - говорит Херрманн. «Серийный самолет будет выглядеть так же и иметь одинаковый вес, но в нем будут использоваться материалы и процессы, которые имеют смысл для сертификации и высокопроизводительного производства».

Другие соображения для полноценного производства - объем которых Beta не раскрывает - включают материалы и технологический процесс, а также автоматизацию. BFT уже начала работать над первым, а второе, по словам Херрманна, почти наверняка:«Автоматизация должна обеспечивать механические свойства, используемые при проектировании, должна производить продукцию в соответствии с размерами предприятия и с прогнозируемыми минимальными текущими затратами. и должны быть продемонстрированы повторяемость и надежность для получения ламинатов, соответствующих предположениям о размере и плотности дефектов, сделанным в подходе к сертификации по устойчивости к повреждениям. Мы видим будущее скоростного производства с использованием различных уровней автоматизации при укладке, проверке, обрезке / сверлении, сборке и т. Д. »

EHang

Несколько иную позицию придерживается компания EHang, которая разрабатывает EHang 216 , автономный вертолет eVTOL, предназначенный для перевозки двух пассажиров или груза авиатакси (также называется воздушной логистикой). Он оснащен восемью соосными несущими винтами, каждый из которых установлен на несущей конструкции, радиально выступающей из нижней части фюзеляжа. Лопасти ротора можно сложить вертикально, чтобы облегчить хранение аппарата. Как VoloCity от Volocopter. (см. ниже), EHang 216 стоит на салазках. Его максимальная полезная нагрузка составляет 220 килограммов, а максимальная дальность - 35 километров.

Имеется множество видеороликов о полете EHang 216, демонстрирующих возможности этого корабля как перевозчика людей и грузов. В мае 2020 года EHang получила первое в мире разрешение на коммерческую пилотную эксплуатацию от Управления гражданской авиации Китая на использование EHang 216 . для целей воздушной логистики. После этого в июле 2020 года транспортным агентством гражданской авиации Канады был выдан Сертификат на выполнение специальных полетов. Это позволит совершить пробные полеты на EHang 216 . в Квебеке, Канада.

Стратегический партнер EHang по производству, в том числе композитных материалов, для модели EHang 216 - производитель аэрокосмической продукции FACC AG (Рид-им-Иннкрайс, Австрия). Ни EHang, ни FACC не хотели делиться информацией о композитных материалах или обработке с CW . для этой истории, но FACC сообщил, что будет работать с EHang над оптимизацией разрабатываемых самолетов и поможет разработать планы серийного производства. FACC также поможет с сертификацией, послепродажным обслуживанием и исследованиями и разработками.

Joby Aviation

Одна из самых известных программ AAM принадлежит Joby Aviation, которая разрабатывает еще не названный пилотируемый вертолет eVTOL для перевозки на воздушном такси до четырех пассажиров. Корабль Joby примечателен тем, что имеет шесть элементов наклона роторы. На каждом надфюзеляжном крыле установлено по два винта, еще два - на хвосте. Корабль стоит на трехколесном шасси, имеет дальность полета 240 километров и максимальную скорость 320 километров в час.

Joby имеет многолетнее коммерческое партнерство с сервисом совместного использования поездок Uber Elevate, но заявляет, что также рассматривает возможность запуска собственной службы совместного использования поездок. В любом случае, компания нацелена на 2023 год для ввода в эксплуатацию.

Joby не будет передавать композитные материалы и обрабатывать информацию о своих самолетах с CW . для этой истории, но хорошо известно, что Joby разработала значительные операции по производству композитов на своем предприятии в Санта-Крус и рядом с ним. Джон Геригуис, специалист по передовым разработкам в Joby, сказал в презентации на CAMX 2020, что цели индустриализации Joby аналогичны целям, изложенным в Uber's Pollack, но сформулированы как то, чего компания хочет избежать в своих операциях по производству композитов:мало или совсем нет отходов, нет материалов. срок годности, отсутствие ограничений по времени для материалов, отсутствие проблем с человеческими ресурсами, отсутствие зависимости от человеческих факторов, отсутствие человеческих проверок и ремонт после полной сборки. Геригуис также отметил, что, хотя Joby в настоящее время использует системы из термореактивных смол, существует возможность интеграции термопластичных композитов в будущие поколения самолетов.

Лилиум

Немецкая компания Lilium разрабатывает Lilium Jet . , пилотируемое воздушное такси eVTOL с фиксированным крылом, вмещающее до четырех пассажиров. Несмотря на «Jet» в названии, Lilium Jet приводится в движение 36 наклоняемыми воздуховодами, установленными на передней кромке каждого крыла и горизонтальном оперении. Он предназначен для междугородних перевозок, имеет дальность действия 300 километров и максимальную скорость 300 километров в час. Lilium провела летные испытания Lilium Jet , который можно посмотреть в видео, размещенном на сайте Lilium в октябре 2019 года. В июле Lilium объявила о контракте на поставку углеродного волокна с Toray (Токио, Япония). В объявлении Lilium сообщила, что Toray будет поставлять углеродное волокно напрямую Lilium для использования в производстве дополнительных демонстраторов технологий. Когда Lilium Jet приступает к созданию прототипов и производству, Toray будет поставлять углеродное волокно поставщикам, которые будут производить композитные детали для Lilium.

Ив Йемси, главный программный директор Lilium, говорит, что композиты из углеродного волокна будут использоваться во всех основных конструкциях Lilium Jet, включая фюзеляж, крылья и закрылки. Обещанная обратная связь и информация от Lilium; не доставлено.

Пипистрел

В некотором роде особняком стоит Pipistrel, разрабатывающая Nuuva V300 . автономный eVTOL, не для пассажиров, а для грузовых авиаперевозок и авиационной логистики. Он использует восемь подъемных роторов и один толкающий ротор и имеет максимальную полезную нагрузку 460 кг. Груз хранится внутри фюзеляжа, доступ к нему осуществляется сбоку или в носовой части. Компания Pipistrel производит первую модель Nuuva V300 . прототип, но компания уже принимает заказы на производство и планирует производить «несколько сотен» в год.

Компания Pipistrel заявляет, что имеет более чем 25-летний опыт производства композитных авиационных конструкций и уделяет особое внимание замене деталей, ремонту в полевых условиях и процессам быстрого отверждения для Nuuva V300 . Компания использует только препреги на основе эпоксидной смолы, обрабатываемые в основном путем ручной укладки и отверждения при комнатной температуре, с периодическим отверждением в автоклаве для более мелких деталей. Pipistrel заявляет, что планирует широко использовать автоматизацию на основе препрега вне автоклава, когда самолет будет запущен в производство.

Волокоптер

Корабль, разрабатываемый Volocopter, называется VoloCity . , представляет собой автономный вертолет eVTOL с креслами для двух пассажиров. VoloCity , в котором используются салазки вместо колесного шасси, приводится в движение 18 подъемными винтами, максимальная полезная нагрузка составляет 200 кг, максимальная скорость полета - 110 километров в час, а дальность полета - 35 километров. VoloCity Винты расположены на структурном ободе, прикрепленном к верхней части фюзеляжа, при этом 12 роторов расположены на равном расстоянии по окружности обода и еще шесть - на меньшем диаметре внутри обода. Каждый ротор имеет диаметр 2,3 метра; общий диаметр венчика - 11,3 метра. Volocopter принимает сейчас бронирование в VoloCity , который, как ожидается, будет введен в эксплуатацию к 2023 году.

Volocopter заявляет, что применяет композиты ко всему VoloCity планер, несущие самолеты и сиденья. Опытные образцы и демонстрационные суда производятся неназванным партнером-изготовителем композитов с использованием углеродного волокна и стекловолокна путем мокрой укладки. Тип смолы не был идентифицирован, но, скорее всего, это эпоксидная смола. В заявлении Volocopter говорится, что она выбрала подходящую комбинацию волокна и смолы, потому что, «исходя из временных ограничений и целей, было важно использовать качественный материал, соответствующий нашим потребностям и нашим срокам производства». Когда VoloCity начинает производство в полном объеме, Volocopter заявляет, что планирует перейти на изготовление препрега вне автоклава, которое будет производиться «международными производителями».

Сколько VoloCity Craft Volocopter рассчитывает производить ежегодно, неизвестно, но заявления компании в ответ на информационные запросы для этой истории предполагают «тысячи», добавив, что «несомненно то, что мы стремимся достичь темпов производства, близких к показателям производителей автомобилей. чем у производителей самолетов в настоящее время ».

Виск

Wisk, совместное предприятие Boeing (Сиэтл, Вашингтон, США) и Kitty Hawk (Пало-Альто, Калифорния, США), разрабатывает Cora , автономное двухместное аэротакси eVTOL с фиксированным крылом. Кора приводится в действие 12 подъемными несущими винтами - по три в передней и задней части каждого крыла - и одним толкающим винтом, расположенным в задней части фюзеляжа перед хвостовой частью. Самолет стоит на трехколесном шасси. Кора имеет максимальную дальность 40 километров и максимальную скорость 160 километров в час.

Виск сообщает, что все основные структуры на Коре изготавливаются на собственном предприятии из композитных материалов с использованием запатентованной комбинации смолы и волокон. В своем заявлении Wisk сказал, что качественные материалы были выбраны, потому что «обычно легче начать проектирование с уже проверенного решения». Производственный процесс представляет собой ручную укладку под лазерным управлением с консолидацией вне автоклава под вакуумным мешком. Готовые конструкции оцениваются с помощью испытаний на предельную нагрузку, термографии и ультразвукового контроля. По мере наращивания производства компания рассчитывает интегрировать технологии автоматизации, чтобы обеспечить «темпы производства, которые в настоящее время предусмотрены для eVTOL». Wisk также заявляет, что планирует сохранить собственное производство, когда Кора вводит производство на полную мощность, а подрядчики обеспечивают дополнительную добычу, если этого требуют ограничения производственных мощностей.

Таблица 1:Производители UAM, самолеты

Производитель / ремесло

Движение

Элемент управления

Вместимость

Макс. диапазон

Макс. скорость

ALIA от Beta Technologies