Развитие композитных аэроструктур для городской воздушной мобильности

Идея летающего автомобиля давно возвещается в популярной культуре — от мультсериала «Джетсоны» начала 1960-х до ландспидера «Звездных войн» 1970-х и множества других воплощений в более современной научной фантастике. Все они обещают будущее, в котором ежедневные перемещения смогут использовать третье измерение и обойти пробки и заторы современного перемещения. При этом предполагалось, что такой транспорт совсем близко — техническая задача не неразрешима. Сегодня, почти через 60 лет после «Джетсонов», наконец кажется, что мы стоим на пороге такой транспортной революции.

Прямо сейчас существует несколько программ разработки летательных аппаратов, которые далеко продвинулись по путям производства и летных испытаний и призваны облегчить перевозку пассажиров и/или грузов в крупных городских агломерациях по всему миру в ближайшие пять лет. Все эти аппараты работают на батареях и в значительной степени зависят от снижения веса и обеспечения прочности, которые дают композиты.

UAM, AAM, eVTOL

Как называется эта транспортная révolution? У неё много имён. Началось с электрических вертикально взлетающих и сажающихся аппаратов (eVTOL), но это может быть слишком специфично, поэтому индустрия перешла на термин «городская воздушная мобильность» (UAM). NASA предпочитает «продвинутую воздушную мобильность» (AAM), которая охватывает больше аспектов и уходит от городско-центрированной природы технологии — хотя AAM очень сильно ориентирована на городскую среду.

Как бы ни называлась эта область — мы будем использовать более распространённый термин UAM — аппараты этого класса предназначены для выполнения одной из двух функций. Первая — предоставление пилотируемых или автономных услуг аэrotaxi, перевозка людей из точки А в точку Б (вертолетная площадка/аэропорт — вертолетная площадка/аэропорт) на расстоянии 25–400 км внутри города или между городами. Вторая — автономная грузовая перевозка в схожих условиях.

Экономические и метрические драйверы UAM многочисленны, и не все можно рассмотреть здесь (KPMG предлагает хороший обзор технологии и того, что за ней стоит), но одним из главных является стремительная урбанизация планеты. К 2050 году, по данным ООН, 68% населения мира — около 7,1 млрд человек — будут жить в городских районах. Это создаст огромное давление на транспортную инфраструктуру, делая перемещения на автомобиле всё более трудными. Расширение перемещений в воздушное пространство над городами ожидает снизить это давление. Отсюда бурно развивающийся рынок UAM.

Аэрокосмическое качество, автомобильные объёмы

Независимо от рыночных сил и экономики, производители UAM вошли в область производства композитов, доселе неизведанную. UAM-аппараты, чтобы войти в эксплуатацию, должны быть сертифицированы органом, регулирующим авиаперевозки, так же как крупные гражданские самолёты. В США это FAA, в Европе — EASA. Получение сертификата требует соответствия определённым показателям безопасности и производительности. Использование композитов для выполнения требований сертификации, хоть и нетривиально, вполне достижимо с помощью нескольких распространённых комбинаций материалов и процессов.

Однако производители UAM также рассматривают полноценные производственные объёмы в сотни, а может быть, тысячи единиц. Это в корне отличается от темпов в 8 в месяц для Boeing 787 или Airbus A350. Достижение таких темпов потребует разработки процессов, систем управления процессами и технологий автоматизации, которые смогут повторяемо, надежно и эффективно производить высококачественные аэроструктуры, соответствующие спецификациям. Таким образом, производство UAM стало постер-чайлдом для общепринятой в композитной индустрии фразы: «Аэрокосмическое качество, автомобильные объёмы».

Одним из лидеров сервиса аэrotaxi, предсказуемо, является Uber, создавшая Uber Elevate — службу совместных авиаперелётов. Uber Elevate заключила контракты с несколькими производственными партнёрами UAM, которые будут строить аппараты для компании. Среди них: Aurora Flight Sciences, Bell, Embraer, Hyundai, Jaunt Air Mobility, Joby Aviation, Overair и Pipistrel Vertical Solutions.

Миша Поллак, руководитель проектирования аппаратов и структур в Uber, заявил во время презентации на CAMX 2020, что компания предвидит первоначальную сертификацию своего сервиса в нескольких городах к 2023 году, затем расширение в 2026 и значительное масштабирование в 2028. К 2035 году, сказал он, Uber Elevate ожидает иметь услуги совместных авиаперелётов более чем в 50 рынках со спросом на 10 000 UAM-аппаратов в год. «Это число, — сказал он, — всё ещё ближе к темпам производства коммерческой авиации, но нам всё равно нужно, чтобы производство композитов эволюционировало».

Как выглядит такая эволюция? Список пожеланий Поллака по полноценному производству — по сути, дорожная карта индустриализации, которую композитная индустрия ожидает уже несколько лет: до 4500 тонн в год высокомодульного/высокопрочного углеродного волокна, расширенная автоматизация через автоматическую укладку ленты и волокна, расширенное применение процессов компрессионного формования и пультрузии, стратегическое использование аддитивного производства с волокнисто-армированными материалами, автоматическое склеивание и сварка, инспекция в реальном времени в производственной линии, минимум или никаких отходов, расширенное использование материалов с низким затраченным энергозатратным содержанием, существенное использование переработанных материалов и применение устойчивых энергетических, материальных и процессных стратегий.

К счастью, у композитной индустрии есть несколько лет на развитие цепочки поставок, способной удовлетворить такие потребности. Тем временем подход каждого производителя UAM к выходу в производство варьируется. Некоторые, как отмечено ниже, сохраняют всё производство внутри компании. Другие делают прототипирование внутри, но планируют перевести серийное производство к партнёрам. Третьи с самого начала привлекают сторонних партнёров и сохраняют эту стратегию в производстве.

Сегодня более 100 компаний работают над разработкой UAM-аппаратов для аэrotaxi или грузовых перевозок, но лишь горстка получила достаточное финансирование для создания летающих прототипов или демонстраторов. Это: Beta Technologies (Саут-Берлингтон, штат Вермонт, США), EHang (Гуанчжоу, Китай), Joby Aviation (Санта-Крус, штат Калифорния, США), Lilium (Мюнхен, Германия), Pipistrel (Айдовщина, Словения), Volocopter (Брухзаль, Германия) и Wisk (Маунтин-Вью, штат Калифорния, США).

Все профилируемые здесь UAM-аппараты имеют несколько общих черт: во-первых, они относительно малы, вмещают от двух до четырёх пассажиров или эквивалентную массу груза. Во-вторых, почти все летают автономно. В-третьих, они полностью электрические и зависят от перезаряжаемых батарей. В-четвёртых, они используют подъёмные роторы, обеспечивающие вертикальный взлёт и посадку. Не каждый из перечисленных производителей UAM согласился поделиться с CW информацией о применении композитов в своих аппаратах. Ниже приведена сводка предоставленной информации.

Beta Technologies

Тихо и быстро движется вперёд Beta Technologies, разрабатывающая пилотируемый eVTOL ALIA 250c для перевозки до пяти пассажиров. Этот аппарат имеет четыре подъёмных ротора и один толкающий. Подъёмные роторы расположены на консолях перед и за каждым надфюзеляжным крылом; толкающий ротор находится в хвостовой части за горизонтальным стабилизатором. Целевая дальность полёта ALIA 250c — 400 км, и хотя он предназначен для перевозки пассажиров, первое применение будет — транспортировка человеческих органов для заказчика-запуска United Therapeutics.

Производство всех композитных структур для ALIA 250c выполняет Blue Force Technologies (BFT, Моррисвиль, штат Северная Каролина, США), специализирующаяся на проектировании, инженерии, оснастке, прототипировании и серийном производстве композитных деталей и структур для аэрокосмического рынка. Шон Херрман, вице-президент по будущим проектам в BFT, говорит, что его команда столкнулась с серьёзными вызовами со стороны Beta Technologies, у которой было ряд требований по весу и производительности для ALIA 250c. Он говорит, что BFT руководствовалась тремя элементами дизайна Beta: строгой минимальной структурной массовой долей (от общего веса самолёта) 25%, высококонтурными конфигурациями с множеством интерфейсов структура-структура, требующими аэродинамического сглаживания, и высокоунифицированной структурой с минимальным количеством стыков.

«Beta нацелена на дальность, в которую никто не рискнул раньше, поэтому мы должны нести большое, эффективное крыло, не жертвуя массовой долей пустого аппарата для висения», — говорит Херрман. «Каждый убранный из структуры фунт может уйти в батареи, и, следовательно, в большую дальность».

Для изготовления первого аппарата BFT должна была достичь агрессивной целевой массы, используя процесс, подходящий для мягкой оснастки, не теряя значительной производительности по сравнению с типичным низкотемпературным препрегом стандартного модуля. «Мы обнаружили, что, используя наш проприетарный процесс инфузии, — говорит Херрман, — в сочетании с нашим подходом мягкой оснастки, мы можем построить целый экспериментальный [лётный] планер за то же время, что требуется для изготовления углеродной оснастки для препрег-прототипа».

Херрман говорит, что BFT последние пять лет развивала техники инфузии смолы для первичных структур прототипов. С ALIA компания провела дополнительные материальные и процессные испытания для итеративного улучшения своих техник инфузии, чтобы получить механические свойства, обеспечивающие необходимую структурную массовую долю. Более того, это сделано со смольной системой, требующей только комнатной температуры отверждения и свободного пост-отверждения. Кроме того, BFT стремилась изготовить структуры ALIA с минимальным числом стыков, что означает длинные унифицированные структуры — включая 50-футовое крыло и две 35-футовые консоли, держащие подъёмные роторы.

Смольная система, использованная для первого ALIA, по словам Херрмана, разработана внутри компании и поэтому не является официально квалифицированным материалом. Это достаточно для прототипирования, признаёт он, но по мере входа ALIA в производство сертификация, вероятно, заставит принять другие решения по материалам и процессам, включая потенциальный переход на препреги. «Сертификация станет главным драйвером выбора материалов для серийного самолёта», — говорит Херрман. «Серийный аппарат будет выглядеть так же и иметь похожий вес, но будет использовать материалы и процессы, имеющие смысл для сертификации и высокотемпового производства».

Другие соображения для полноценного производства — объём которого Beta не раскрывала — включают поток материалов и процессов, а также автоматизацию. BFT уже начала работать над первым, а второе, по словам Херрмана, почти неизбежно: «Автоматизация должна обеспечивать механические свойства, используемые в проектировании, должна производить с тем темпом, под который рассчитан завод, и по прогнозируемой минимальной повторяющейся стоимости, и должна быть доказана как повторяемая и надёжная для получения ламинатов, согласованных с допущениями о размере и плотности дефектов в подходе к устойчивости к повреждениям для сертификации. Мы видим будущее серийного производства с использованием различных уровней автоматизации в укладке, инспекции, обрезке/сверлении, сборке и т.д.».

EHang

EHang идёт немного иным путём, разрабатывая EHang 216 — автономный вертолётный eVTOL для аэrotaxi с двумя пассажирами или груза (также называемый аэrologistics). Он имеет восемь коаксиальных роторов, каждый из которых смонтирован на силовом луче, расходящемся радиально от нижней части фюзеляжа. Лучи роторов могут складываться вертикально для компактного хранения. Как и VoloCity от Volocopter (см. ниже), EHang 216 стоит на лыжах. Максимальная полезная нагрузка — 220 кг, максимальная дальность — 35 км.

Видео полётов EHang 216 многочисленны, демонстрируя способность аппарата перевозить людей и грузы. В мае 2020 года EHang получила, как утверждает компания,世界首个商业试运行批准 от Управления гражданской авиации Китая для использования EHang 216 в аэrologistics. В июле 2020 года последовало выдача Специального сертификата полётных операций Транспортным Канадой, что позволит испытательные полёты EHang 216 в Квебеке, Канада.

Стратегический производственный партнёр EHang — включая композиты — для EHang 216 — это аэрокосмический фабрикатор FACC AG (Рид им Иннкрайс, Австрия). Ни EHang, ни FACC не захотели делиться информацией о композитных материалах и процессах с CW для этой статьи, но FACC сообщила, что будет работать с EHang над оптимизацией разрабатываемых аппаратов и поможет разработать планы серийного производства. FACC также поможет с сертификацией, послепродажным сервисом и НИОКР.

Joby Aviation

Одной из самых заметных программ AAM является Joby Aviation, разрабатывающая пока безымянный пилотируемый вертолётный eVTOL для аэrotaxi до четырёх пассажиров. Аппарат Joby примечателен своими шестью наклонными роторами. Два ротора смонтированы на каждом надфюзеляжном крыле, и два — на хвосте. Аппарат стоит на трёхколёсном шасси, имеет дальность 240 км и максимальную скорость 320 км/ч.

Joby имеет долгосрочный коммерческий партнёрство с сервисом совместных авиаперелётов Uber Elevate, но также рассматривает запуск собственного сервиса. В любом случае компания нацелена на 2023 год для входа в эксплуатацию.

Joby не захотела делиться информацией о композитных материалах и процессах своего аппарата с CW для этой статьи, но хорошо известно, что Joby разработала значительные производственные операции по композитам в и вокруг своего объекта в Санта-Крузе. Джон Геригус, руководитель передовых разработок в Joby, сказал в презентации на CAMX 2020, что цели индустриализации Joby похожи на те, чтоoutlined Uber Поллаком, но сформулированы как то, чего компания хочет избежать в своих композитных производственных операциях: минимум или никаких отходов, отсутствие сроков годности материалов, отсутствие лимитов на время пребывания материалов вне холодильника, никаких проблем с человеческими ресурсами, никакой зависимости от человеческого фактора, никакого ручного контроля и никаких ремонтов после полной сборки. Геригус также отметил, что хотя Joby сейчас использует термореактивные смольные системы, существует возможность интеграции термопластичных композитов в будущих поколениях аппарата.

Lilium

Немецкая Lilium разрабатывает Lilium Jet — пилотируемый eVTOL с неподвижным крылом для аэrotaxi с салоном до четырёх пассажиров. Несмотря на «Jet» в названии, Lilium Jet приводится в движение 36 наклонными вентиляторами в кольцевом канале, смонтированными на переднем крае каждого крыла и на горизонтальном хвостовом оперении. Он предназначен для межгородского сервиса и имеет дальность 300 км и максимальную скорость 300 км/ч. Lilium провела лётные испытания Lilium Jet, которые можно посмотреть в видео на сайте Lilium от октября 2019 года. В июле Lilium объявила о контракте на поставку углеродного волокна с Toray (Токио, Япония). В объявлении говорится, что Toray будет поставлять углеродное волокно напрямую Lilium для производства дополнительных технологических демонстраторов. Когда Lilium Jet перейдёт к прототипированию и производству, Toray будет доставлять углеродное волокно поставщикам, которые будут изготавливать композитные детали для Lilium.

Ив Йемси, главный программный директор Lilium, говорит, что углеродно-волокнистые композиты будут использованы во всех первичных структурах Lilium Jet, включая фюзеляж, крылья и флапы. Обратная связь и информация, обещанные Lilium, не были получены.

Pipistrel

Некоторое исключение составляет Pipistrel, разрабатывающая автономный eVTOL Nuuva V300 не для пассажиров, а для воздушных грузоперевозок и аэrologistics. Он использует восемь подъёмных роторов и один толкающий, имеет максимальную полезную нагрузку 460 кг. Груз размещается внутри фюзеляжа, доступ сбоку или через носовую секцию. Pipistrel находится в процессе производства первого прототипа Nuuva V300, но компания уже принимает производственные заказы и планирует производить «несколько сотен» в год.

Pipistrel заявляет, что имеет более 25 лет опыта производства композитных аэроструктур и фокусируется на взаимозаменяемости деталей, ремонтопригодности в полевых условиях и быстрых процессах отверждения для Nuuva V300. Компания использует только эпоксидные препреги, обрабатываемые в основном ручной укладкой и отверждением при комнатной температуре, с редким автоклавным отверждением для мелких деталей. Pipistrel ожидает широко использовать автоматизацию на основе внеавтоклавных препрегов, когда аппарат войдёт в серийное производство.

Volocopter

Аппарат, разрабатываемый Volocopter, называется VoloCity — это автономный вертолётный eVTOL с двумя пассажирскими местами. VoloCity, использующий лыжи вместо колёсного шаси, приводится в движение 18 подъёмными роторами, имеет максимальную полезную нагрузку 200 кг, максимальную скорость 110 км/ч и дальность 35 км. Роторы VoloCity расположены на структурном ободе, закреплённом на верхушке фюзеляжа: 12 роторов равноудалены на окружности обода и ещё шесть — на меньшем диаметре внутри обода. Диаметр каждого ротора — 2,3 м; общий диаметр обода — 11,3 м. Volocopter уже принимает брони на VoloCity, который планируется к вводу в эксплуатацию к 2023 году.

Volocopter заявляет, что применяет композиты ко всему планеру VoloCity, роторным плоскостям и сиденьям. Прототипы и демонстраторы производятся безымянным партнёром-композитным фабрикатором с использованием углеродного и стекловолокна методом влажной укладки. Тип смолы не назван, но, скорее всего, это эпоксидная. В заявлении Volocopter говорит, что выбрала квалифицированную комбинацию волокно/смолу, потому что «исходя из временных ограничений и целей, было важно использовать квалифицированный материал, соответствующий нашим потребностям и производственному таймлайну». Когда VoloCity войдёт в полноценное серийное производство, Volocopter ожидает перейти на внеавтоклавные препреги, а изготовление будет осуществляться «международными производителями».

Сколько аппаратов VoloCity Volocopter планирует производить ежегодно, неизвестно, но заявления компании в ответ на запросы информации для этой статьи предполагают «тысячи», добавляя: «Что точно — мы стремимся достичь производственных темпов, ближе к автомобилестроителям, чем к текущим авиапроизводителям».

Wisk

Wisk, совместное предприятие Boeing (Сиэтл, штат Вашингтон, США) и Kitty Hawk (Пало-Альто, штат Калифорния, США), разрабатывает Cora — автономный eVTOL с неподвижным крылом для аэrotaxi с двумя пассажирскими местами. Cora приводится в движение 12 подъёмными роторами — три перед и за каждым крылом — и одним толкающим ротором в задней части фюзеляжа перед хвостовой секцией. Аппарат стоит на трёхколёсном шаси. У Cora максимальная дальность 40 км и максимальная скорость 160 км/ч.

Wisk заявляет, что все первичные структуры Cora изготавливаются внутри компании из композитов с использованием проприетарной комбинации смолы и волокон. В заявлении Wisk говорится, что квалифицированные материалы выбраны, потому что «обычно проще начинать проектирование от уже проверенного решения». Процесс производства — лазерно-направленная ручная укладка с внеавтоклавной консолидацией под вакуумным мешком. Готовые структуры оцениваются испытаниями на предельную нагрузку, термографией и ультразвуковой инспекцией. По мере нарастания производства компания планирует интегрировать технологии автоматизации для выполнения «производственных темпов, которые сейчас предвидимы для eVTOL». Wisk также говорит, что планирует сохранять внутрикомпаний производство при входе Cora в полноценное серийное производство, с привлечением подрядчиков для дополнительных мощностей по мере необходимости.

Таблица 1: Производители UAM, Аппараты

Производитель/аппарат	Двигательная установка	Управление	Вместимость	Макс. дальность	Макс. скорость
Beta Technologies ALIA	4 подъёмных ротора, 1 толкающий	1 пилот	5 пассажиров	400 км	274 км/ч
EHang EHang 216	16 роторов (8 пар)	Автономный	2 пассажира или 220 кг	35 км	130 км/ч
Joby (без названия)	6 наклонных роторов	1 пилот	4 пассажира	240 км	320 км/ч
Lilium Lilium Jet	36 наклонных вентиляторов в канале	1 пилот	4 пассажира	300 км	300 км/ч
Pipistrel Nuuva V300	8 подъёмных роторов, 1 толкающий	Автономный	460 кг (груз)	300 км	220 км/ч
Volocopter VoloCity	18 роторов	Автономный	2 пассажира или 200 кг	35 км	110 км/ч
Wisk Cora	12 подъёмных роторов, 1 толкающий	Автономный	2 пассажира или 180 кг	40 км	160 км/ч