Парижский авиасалон 2019: Ключевые моменты и отраслевые инсайты

Композитный военный транспортный Airbus A400M на статической демонстрации Парижского авиасалона 2019. Источник: CW

Ожидания были смешанными на входе в Парижский авиасалон 2019 (17–23 июня). От Boeing hoffte, что они заложат больше основ для нового среднеразмерного самолета (NMA), но кризис 737 MAX потребил большую часть энергии и внимания компании. Действительно, в первый день авиасалона Boeing сделало очень общее заявление о бизнес-условиях и выпустило свой 20-летний прогноз коммерческих самолетов. Ничего про NMA. Самый большой сплеск Boeing за салоном был новостью о продаже 200 самолетов 737 MAX International Airline Group (IAG).

Airbus, с другой стороны, объявил A321XLR (LR = long range), последнюю итерацию A320neo. Планируется ввод в эксплуатацию в 2023 году, A321XLR будет иметь дальность 4700 морских миль, достижимую через дополнительную топливную емкость. Airbus заявил, что дальность самолета предоставит авиалиниям менее дорогие однопроходные варианты на маршрутах, сейчас обслуживаемых в основном более дорогими двухпроходными самолетами. Такие маршруты включают Нью-Йорк–Рио, Шанхай–Сидней и Мадрид–Дубай.

Несмотря на отсутствие новостей NMA, среди композитных компаний, выставлявших на Парижском авиасалоне, остается определенное усилие по разработке и согласованию материалов и процессных технологий для встречи любых требований, которые Boeing и Airbus поставят цепочке поставок в наступающем десятилетии. Это включает традиционные термореактивные препреги с автоклавным отверждением, инфузию жидкой смолы в сухие волокна с отверждением вне автоклава, термопластичные композиты и аддитивное производство. Чувство ожидания по всей цепочке поставок осязаемо.

Этот EVTOL от Boeing был одним из нескольких на демонстрации на Парижском авиасалоне. Источник: CW.

На летной линии было обычное множество коммерческих, военных и гражданских самолетов с ежедневными летными демонстрациями. Особо заметны в воздухе были демонстрации электрических самолетов, которые были резким и тихим контрастом к оглушительному рюму, ассоциированному с истребителями и коммерческими реактивными. В статических демонстрациях было несколько EVTOL (электрических вертикального взлета и посадки) летательных аппаратов, нацеленных на рынок городской подвижности. Этот тип летательных аппаратов, в частности, оказывается значительной мишенью для композитных материалов, которые необходимы для электрического полета. Однако производственные объемы некоторых из этих платформ, вероятно, будут исчисляться тысячами в год, что толкает материаловую и процессную технологии более в сторону автомобильного производственного модели. Тем не менее, EVTOL в своей юности, особенно учитывая регуляторные, квалификационные и управленческие воздушным пространством барьеры, которые еще предстоит преодолеть.

Ниже — ключевые моменты салона.

Spirit AeroSystems. Крупнейший в мире авиастроитель Spirit AeroSystems (Вичита, штат Канзас, США) начал салон ранним понедельником утром с пресс-конференции, объявляя представление своей панели фюзеляжа ASTRA (Advanced Structures Technology and Revolutionary Architecture), спроектированной показать, как полностью композитный фюзеляж мог быть спроектирован для встречи производительности, темпа и стоимостных требований самолета следующего поколения однопроходного. Дизайн и производство этой панели освещены в отдельной статье.

Обратная сторона демонстрационной панели фюзеляжа ASTRA Spirit AeroSystems для следующего поколения однопроходных самолетов с высоким темпом. Источник: CW

MTorres. Еще одна композитная панель заметки на салоне была найдена на стенде MTorres (Торрес де Элорс, Наварра, Испания). Эта ребристая «сетка/кожа», изготовленная инфузией смолы в сухое углеродное волокно, на самом деле является идеей Стивена Цай, ветерана композитов и профессора аэронавтики и астронавтики, эмерита, Стэнфордского университета, который был на стенде MTorres, чтобы объяснить это. Цай сказал, что он зачал этот дизайн несколько лет назад и основан на структуре сетка/кожа, развернутой в производстве британского бомбардировщика Вickers Wellington Второй мировой войны, произведенного Vickers-Armstrongs и знаменитого сохранением структурной целостности при крушении. Чтобы оживить этот дизайн в композитном применении, Цай спроектировал ребра в решетчатой структуре, с каждымребром фиксированной ширины и высоты, и интервалом между ребрами также фиксированным.

Стив Цай стоит с ребристой панелью, которую он спроектировал и MTorres помог изготовить. Ключевой фактор — точная укладка волокна для построения ребер. Источник: CW

Вызовом его дизайна, сказал Цай, было развитие реберных стыков, выдерживающих большие механические нагрузки. То, что он придумал, было реберной архитектурой, использующей углеродные ленты, уложенные непрерывно в одном направлении (назовем его А), и дискретно в пересекающем направлении (назовем его B). Затем, для следующего слоя, ленты укладывались дискретно в направлении А и непрерывно в направлении B. Этот паттерн продолжался до достижения желаемой толщины ребра. Таким образом, каждый реберный стык всегда перекрывался непрерывной лентой. После построения ребер в инструменте, кожа укладывалась поверх через автоматическую укладку волокна (AFP) или автоматическое лентообразование (ATL) и вся структура ко-отвердевала.

Преимущества этого дизайна, сказал Цай, несколько, но первичное — что «трудно для повреждения выйти за пределы локализованной области», означая, что трещина, распространенная в коже, не может легко мигрировать за пределы любых ребер, граничащих с пораженными регионами. Цай также сказал, что структура сетка/кожа высоко весово и материально эффективна. Все равно он отметил: «Это легко проектировать, но трудно производить». И тут на помощь приходит MTorres.

Крупный план реберного стыка на ребристой панели MTorres на Парижском авиасалоне. Цай говорит, что его дизайн может иметь применение в аэрокосмических и автомобильных деталях. Источник: CW

Цай сказал, ограничивающим фактором в изготовлении его дизайна панели было размещение реберных лент. Для полной индустриализации они требовали скорость и точность резки укладки ленты, которые до недавнего времени не были возможны. Однако Цай подшел к MTorres с своим дизайном и спросил, может ли специалист ATL/AFP сделать работу. Иньиго Идарета, руководитель отдела специальных проектов компании, и команда композитов MTorres были поставлены на задачу и работали с Цай для адаптации технологий MTorres к применению. Были два вызова, сказал Идарета на авиасалоне: тонкая настройка скорости и точности резки укладки ленты, где возможность MTorres резать на лету AFP была ключевой для поддержания постоянной высокой скорости укладки; и разработка инструментальных решений, позволяющих накопление каждого ребра без потери ребром целостности стака. Далее, использование собственного формата сухого углеродного волокна MTorres для применений AFP было нужно для работы этого сложного инфузионного процесса. Все достигнуты, сказал Идарета. Также достигнуто, основанное на дизайне Цай, использование укладки волокна под углом для кожи панели, которая четырехслойная и около 1,2 мм толщиной.

Примитивный рисунок Джеффа Слоуна, пытающийся показать, как строятся ребра. Непрерывное волокно сначала укладывается в одном направлении (А), пока дискретное волокно укладывается в другом направлении (B). Для следующего слоя непрерывное волокно укладывается в направлении B, пока дискретное волокно укладывается в направлении А. Таким образом, реберный стык всегда покрыт непрерывным волокном. Источник: CW

Использованное углеродное волокно было сухим 50K материалом от Mitsubishi Chemical Carbon Fiber & Composites Inc. (Сакраменто, штат Калифорния, США), выбранным в первую очередь потому, что это был материал, который MTorres имел под рукой. Смола была «стандартной» промышленной закаленной эпоксидной. Идарета говорит, что панель тестировалась Аланом Неттлс в NASA и показала хорошие результаты. Соединение ребро/кожа в частности, сказал он, было отличным. Цай признал, что слабое место панели — реберный стык, который является перекрестно-слоистым [0/90] ламинатом. Ребра были все [0]. Так что стыки имели около половины однонаправленной растяжной прочности и чуть более половины однонаправленной сжатой прочности. Даже с этой слабостью, прочность сетка/кожа более чем в два раза выше текущей алюминиевой технологии того же дизайна, не считая дополнительного меньшего веса композитов. Цай также сказал, что алюминий, для достижения тех же свойств прочности, что дает его дизайн, весил бы в три раза больше.

Что дальше для этой технологии? Цай сказал, она «готова к применению», и перечислил несколько возможных типов деталей: фюзеляжные структуры, корпуса космических ракет, автомобильные панели, корпуса батарей. Идарета сказал, MTorres работает над итерацией дизайна, включая разработку изогнутой панели и полной бочковой панели. Оба, сказал он, в пределах досягаемости.

Также несколько аспектов дизайна Цай могут быть модифицированы для встречи разного нагрузки. Эти включают ширину ребра, высоту ребра, угол пересечения и пространство между ребрами. Также, хотя MTorres использовал инфузию для изготовления панели на демонстрации на авиасалоне, она могла быть изготовлена с использованием традиционных термореактивных препрегов.

GKN Aerospace. Специалист по коммерческим крыльям GKN Aerospace (Реддич, Великобритания) объявил на авиасалоне, что изготовил первые детали для своей части работы по программе Airbus Wing of Tomorrow, пятилетней (2018–2022), много-компаний, британской Catapult-инициативе по разработке материалов и процессных технологий для высокотемпового (100 в месяц) производства смольно-инфузированных углеродно-волокнистых композитных крыльев для развертывания на самолете следующего поколения однопроходного.

Пол Перера, вице-президент технологии GKN Aerospace, был на авиасалоне и предоставил дальнейшие детали о программе. Он сказал, GKN сейчас имеет 60 человек, работающих на лонжероне и ребрах для крыла, с основной работой, выполняемой из Глобального технологического центра GKN, который переезжает в новые объекты в Филтоне, Великобритания, позже в этом году.

Лонжерон будет сухим волокном, уложенным GKN, и затем инфузированным. Ребра будут изготовлены из термопластичных композитов и алюминия. Национальный композитный центр (Бристоль, Великобритания) работает над несколькими технологиями для Wing of Tomorrow, включая iCAP (программу приобретения цифровых возможностей) для разработки автоматизированных решений на основе данных, а также автоматизированные системы резки и укладки волокна, разработанные Loop Technology (Паундберри, Дорчестер, Великобритания), которые будут применены в производстве крыла. Northrop Grumman (ранее Orbital ATK, Клирфилд, штат Юта, США) разрабатывает стрингеры для программы. Нижние обшивки крыла будут изготовлены Spirit AeroSystems на ее объекте в Прествике, Шотландия; Верхние обшивки крыла будут изготовлены Airbus. Цель — поставка трех комплектов к заводу Airbus крыла в Броутоне, Великобритания, для сборки в следующие 18 месяцев, с первым в июне 2020, вторым в конце 2020 и третьим в начале 2021. В конечном счете, если программа прогрессирует по плану, она докажет инфузию смолы как жизнеспособный процесс для высокотемпового производства композитного крыла для следующего поколения однопроходного. Перера говорит, что 1-метровые секции лонжерона, произведенные и оцененные на объекте GKN на острове Уайт, Великобритания, показывают, что материалы и процесс хороши для применения.

Перера отметил, что большая часть программы Wing of Tomorrow будет вращаться вокруг развития автоматизации. Фактически, сказал он, автоматизация будет ключевым фактором инфузии смолы для производства аэрокосмики следующего поколения.

Solvay Composite Materials. Если вы ищете доказательства того, как фокус на индустриализацию аэрокосмического производства и производственную эффективность просачивается к поставщикам материалов, не ищите дальше Solvay Composite Materials (Альфаретта, штат Джорджия, США), которая находится в середине многолетнего усилия по переоценке того, где и как она производит аэрокосмические смолы, ленты и препреги. Акцент для Solvay на разработке операционной стратегии, сфокусированной на объектах, производящих меньше номеров продуктов на высокоспециализированном оборудовании, которое может встретить темп и качественные требования самолетов следующего поколения. Марк Дойл, исполнительный вице-президент Solvay по аэрокосмике, говорит, что новый объект компании в Рексеме, Уэльс, Великобритания, символизирует это усилие. Этот завод, открытый в сентябре 2018 года, производит всего два номера продуктов (клеи), но в высокоструктурированной, высокооптимизированной, автоматизации-доминирующей среде, спроектированной для встречи just-in-time требований клиентов. Компания ожидает следовать этой модели со всеми новыми объектами и попытается конвертировать устаревшие заводы также.

На фронте инноваций материалов, Solvay подсветила два заметных усилия — одно сфокусированное на термопластиках, другое на углеродных волокнах. Майк Блэр, исполнительный вице-президент исследований и инноваций, сказал, что один из крупнейших вызовов/возможностей термопластиков — их высокое температурное дельта; то есть высокие процессные температуры термопластиков могут вызывать проблемы с коэффициентом термического расширения (CTE) в деталях при остывании, особенно больших деталей. Цель? Модифицировать поликетонную химию для снижения процессных температур, не влияя на температуру стекловидного перехода (Tg). Компания также смотрит на способы повышения процессности и обращения в автоматизированном оборудовании ее термопластиков. «Наши стандартные PEEK и PEKK материалы на самом деле хорошо работают», — сказал Блэр. «Нам просто нужно модифицировать их, чтобы сделать их более адаптируемыми».

Инновация вокруг углеродных волокон похоже интригующа. В 2017 году Solvay приобрела производителя крупного прутка полиакрилонитрила (PAN) European Carbon Fiber GmbH (Кельхайм, Германия), что дало Solvay новый и здоровый запас PAN для 50K прутка углеродного волокна. Учитывая это, был поставлен вызов: Может ли крупный пруток углеродного волокна быть отформатирован для предоставления производительных характеристик промежуточного модуля (IM) малопруткового углеродного волокна? Блэр сказал, идея мысленная, но не тривиальная. Он отметил, что просто обращение с 50K прутком волокна может, само по себе, повреждать волокно. Так что не раскрывая слишком много о том, что Solvay имеет в виду, Блэр сказал, компания работает над технологией обращения, спроектированной избежать повреждения волокна. «Агрессивный график для этого», — сказал он, — «был бы 18 месяцев».

Toray Advanced Composites. Бывший TenCate Advanced Composites теперь полностью поглощен Toray и, с марта, называется Toray Advanced Composites (Морган Хилл, штат Калифорния, США). Стив Мид, управляющий директор, говорит, что EVOTL особенно активен для компании сейчас (термореактивные и термопластичные). Он отметил, что «мы поставляем материал в الناشствующие программы EVOTL», добавляя, что «композиты — настоящий энаблер из-за паразитного веса батарей на этих самолетах. Некомпозитные материалы не вариант». Комбинация аэрокосмического качества изготовления на автомобильных темпах интригует, сказал он.

Eviation. Среди более профильных презентаций на Парижском авиасалоне был Alice, полностью электрический, полностью композитный самолет, представленный Eviation (Кдима-Цоран, Израиль). Alice — девятиместный региональный транспортный самолет, имеющий дальность 650 миль / 1000 километров на крейсерской скорости 240 узлов. Самолет имеет один основной тянущий пропеллер на хвосте и два дополнительных тянущих пропеллера на кончиках крыла для снижения лобового сопротивления и создания избыточности. Омар Бар-Йохай, CEO Eviation, представил самолет и сказал, что летные испытания будут в Мозес Лейк, штат Вашингтон, США, за которыми последует сертификация ФАА США в конце 2020 или начале 2021. Самолет будет иметь цену $4 млн и Бар-Йохай сказал, что компания полностью финансируется через сертификацию и раннее производство.

Омар Бар-Йохай, CEO Eviation, стоит перед Alice, полностью электрическим, полностью композитным, девятиместным самолетом, который ожидается войти на рынок к 2021. Источник: CW

Крафт на демонстрации на салоне был нелетающим прототипом, собранным на неделе до. Где и как этот самолет будет в конечном счете производиться — остается увидеть. Прототип, с его стороны, был собран из композитных структур, изготовленных несколькими поставщиками. Один — Multiplast (Ванн, Франция), часть Carboman Group SA (Ванн), пяти-компаний роллап, который также включает Decision (Экбленс, Швейцария), SNE SMM (Ланестер, Франция), Plastinov (Самазан, Франция) и Plastéol (Самазан). Multiplast, имеющая историю в производстве морских структур, изготовила фюзеляж для Alice вне автоклава (OOA) с использованием сэндвич-структуры с ядром Nomex honeycomb. Фюзеляж был построен в двух половинах на основе конфигурации центра линии правого/левого борта, с двумя фюзеляжными секциями, склеенными/закрепленными вместе (см. таймлапс видео ниже). Multiplast не знает, выиграет ли она контракт на серийное производство крафта, но компания говорит, что оценивает, что потребуется с материальной и процессной перспективы для индустриализации изготовления. Крылья и брюшные обтекатели для Alice поставлены Composite Cluster Singapore (CCS).

Stratasys. Специалист по машинам аддитивного производства (AM) Stratasys (Эден Прейри, штат Миннесота, США) был на Парижском авиасалоне, подчеркивая свою способность использовать AM для производства деталей и инструментов. Для производства композитов акцент был на инструментах. У компании на стенде было две формы, сделанные машинами Stratasys. Материал — ULTEM 1010 SABIC, непрорезиненный полиэтеримид (PEI), подходящий для автоклавной обработки. Первая форма была для изготовления переднего ребра крыла из углеродного волокна и имела в-форменные электроды для повышения способности нагрева препрега и сокращения времени отверждения с 1,5 часов до всего 10 минут. Другая деталь была укладным инструментом, сделанным Boom Aerospace (Сентенниал, штат Колорадо, США) для производства мелких деталей для сверхзвукового коммерческого самолета Overture, который компания разрабатывает. Скотт Севик, вице-президент производственных решений Stratasys, сказал, что у Boom два станка Stratasys в использовании уже, с третьим, доставляемым позже в этом году. Севик сказал, что Stratasys ожидает представить два новых рубленого углеродное волокно-усиленных материала для AM использования позже в этом году; Stratasys, сказал он, также работает над непрерывным волокнистым усилением для AM.

Этот укладной инструмент был сделан Boom Aerospace с использованием аддитивной производственной системы Stratasys. Материал — непрорезиненный ULTEM (PEI). Источник: CW

Boom Aerospace. Еще один громкий анонс на Парижском авиасалоне пришел от Boom Aerospace (Энглвуд, штат Колорадо, США), который, как отмечено, разрабатывает Overture, полностью новый сверхзвуковой пассажирский самолет. CEO и основатель Boom Блейк Шолл сказал на пресс-конференции, что Boom приближается к завершению композитного XB-1, подмасштабного прототипа Overture, который ожидается выкатить к концу 2019 и тестово летать в 2020. Эти тестовые полеты, сказал Шолл, спроектированы помочь Boom оценить дизайн и инженерные принципы самолета и применить уроки к финальному дизайну и производству Overture, который ожидается войти в эксплуатацию в середине 2020-х. Это более длинный график, чем изначально предвидел Boom. «Это амбициозный проект», — сказал Шолл. «В ранние дни легко быть слишком оптимистичным».

Сверхзвуковой самолет Overture Boom Aerospace предложит полет на Мах 2,2. Источник: CW

Overture ожидается иметь максимальную скорость Мах 2,2, крейсерскую высоту 60 000 футов (19 354 метра) и перевозит пассажиров (55–75) из Сиднея в Лос-Анджелес за просто 7 часов, или Вашингтон округ Колумбия в Лондон за просто 3,5 часа. Шолл заявил, что стоимость билета на Overture ожидается конкурентной, на основе места-на-милю, с текущими авиалинейными ценами. Шолл также сказал, что Overture ожидает использовать технологию под названием Prometheus Fuels, которая конвертирует атмосферный углерод в бензин или, в случае Boom, в реактивное топливо, используя электричество из возобновляемых ресурсов. Таким образом, сказал он, самолет обеспечит нулевой чистый углерод сверхзвуковой полет.