Aeroestruturas compostas no mercado emergente de mobilidade aérea urbana

A ideia de um carro voador foi anunciada há muito tempo na cultura popular, desde os Jetsons cartoon no início dos anos 1960 para o Star Wars landpeeder nos anos 70 e muitas outras encarnações na ficção científica mais recente. A promessa que todos eles colocaram é um futuro onde o transporte diário poderia entrar na terceira dimensão e contornar o tráfego e congestionamento que é o transporte diário moderno. Além disso, a suposição deles era que esse transporte fácil estava ao virar da esquina - um desafio técnico intransponível. Hoje, quase 60 anos após o Jetsons , parece que estamos, finalmente, à beira de tal revolução nos transportes.

Existem, no momento, vários programas de desenvolvimento de aeronaves ao longo do caminho de fabricação e teste de voo que visam ajudar a facilitar o transporte de passageiros e / ou carga em grandes áreas urbanas em todo o mundo nos próximos cinco anos. Todas essas aeronaves são movidas a bateria e dependem em grande parte da economia de peso e do poder de conferir resistência dos compostos.

UAM, AAM, eVTOL

O que é essa revolução no transporte? Tem muitos nomes. Tudo começou com aeronaves elétricas de decolagem e pouso vertical (eVTOL), mas isso pode ser muito específico às vezes, então a indústria mudou para a mobilidade aérea urbana (UAM). A NASA prefere a mobilidade aérea avançada (AAM), que cobre muitas bases e elimina a natureza de foco urbano da tecnologia - apesar do fato de que o AAM é muito projetado para o ambiente urbano.

Independentemente do nome - usaremos o UAM mais comum aqui - as aeronaves desse gênero são projetadas para executar uma de duas funções. Uma é fornecer serviço de táxi aéreo pilotado ou autônomo, transportando pessoas do ponto A ao ponto B (heliporto / aeroporto-heliporto / aeroporto) em uma distância de 25-400 quilômetros, intracity ou intermunicipal. A segunda função é fornecer transporte de carga autônomo em ambientes semelhantes.

A economia e as métricas que orientam o UAM são numerosas e nem todas podem ser exploradas aqui (a KPMG oferece uma boa introdução sobre a tecnologia e o que está por trás dela), mas um dos maiores impulsionadores é a rápida urbanização do planeta. Em 2050, de acordo com a ONU, 68% da população mundial - cerca de 7,1 bilhões de pessoas - viverá em áreas urbanas. Isso colocará uma pressão substancial na infraestrutura de transporte, tornando cada vez mais difícil viajar de carro. Espera-se que a expansão das viagens para o espaço aéreo sobre as cidades diminua essa pressão. Daí o crescente mercado de UAM.

Qualidade aeroespacial, quantidade automotiva

Independentemente das forças de mercado e da economia, os fabricantes de UAM entraram no território de fabricação de compósitos até então inexplorado. As aeronaves UAM, para entrar em serviço, devem ser certificadas pela autoridade que rege as viagens aéreas, da mesma forma que as aeronaves comerciais de grande porte são certificadas. Nos EUA é a FAA e na Europa é a EASA. A obtenção dessa certificação exige que a aeronave atenda a certas métricas de segurança e desempenho. O uso de compostos para atender aos requisitos de certificação, embora não seja trivial, está facilmente ao alcance de várias combinações comuns de materiais e processos.

No entanto, os fabricantes de UAM também estão considerando volumes de produção de taxa total em centenas de unidades, se não milhares. Isso está muito longe da taxa de oito por mês para a fabricação do Boeing 787 ou do Airbus A350. Atingir tais taxas exigirá o desenvolvimento de tecnologias de processo, controle de processo e automação que possam produzir aeroestruturas de alta qualidade, de maneira confiável e eficiente, de acordo com as especificações. Assim, a fabricação de UAM tornou-se o garoto-propaganda da frase de compósitos comum, "qualidade aeroespacial, quantidade automotiva".

Um dos líderes do serviço de táxi aéreo é, previsivelmente, o Uber, que criou o Uber Elevate, um serviço de compartilhamento de passagens aéreas. O Uber Elevate fechou contrato com vários parceiros de fabricação da UAM que construirão aeronaves para a empresa. Isso inclui Aurora Flight Sciences, Bell, Embraer, Hyundai, Jaunt Air Mobility, Joby Aviation, Overair e Pipistrel Vertical Solutions.

Mischa Pollack, líder de design e estruturas de veículos do Uber, disse durante uma apresentação do CAMX 2020 que a empresa antecipa a certificação inicial de seu serviço em algumas cidades até 2023, seguida pela expansão em 2026 e aumento significativo em 2028. Em 2035, ele disse, o Uber Elevate espera ter serviços de compartilhamento aéreo em mais de 50 mercados, com demanda de 10.000 aeronaves UAM por ano. “Esse número”, disse ele, “está ainda mais próximo das taxas de fabricação aeroespacial comercial, mas ainda precisamos que a fabricação de compósitos evolua”.

Como é essa evolução? A lista de desejos de produção de alta taxa de Pollack é basicamente um roteiro para a industrialização que a indústria de compósitos antecipou por vários anos:até 4.500 toneladas métricas por ano de fibra de carbono de alto módulo / alta resistência, maior automação por meio de fita automatizada e colocação de fibra , uso expandido de processos de compressão e pultrusão, uso estratégico de manufatura aditiva reforçada com fibra, colagem e soldagem automatizadas, inspeção em linha em tempo real, pouco ou nenhum desperdício, maior uso de materiais de baixa energia incorporada, uso substancial de materiais reciclados e aplicação de estratégias sustentáveis ​​de energia, materiais e processos.

Felizmente, a indústria de compósitos tem alguns anos para desenvolver uma cadeia de suprimentos que possa atender a essas necessidades. Nesse ínterim, a maneira como cada fabricante de UAM entrará em produção varia. Alguns, conforme observado abaixo, estão mantendo toda a produção interna. Alguns estão fazendo protótipos internamente, mas irão transferir a produção total para os parceiros. Outros contrataram parceiros terceirizados desde o início e manterão essa estratégia na produção.

Existem mais de 100 empresas trabalhando hoje no desenvolvimento de aeronaves UAM para serviços de táxi aéreo ou transporte de carga, mas apenas algumas foram financiadas o suficiente para produzir protótipos voadores ou demonstradores. São eles:Beta Technologies (South Burlington, Vt., EUA), EHang (Guangzhou, China), Joby Aviation (Santa Cruz, Califórnia, EUA), Lilium (Munique, Alemanha), Pipistrel (Ajdovščina, Eslovênia), Volocopter ( Bruchsal, Alemanha) e Wisk (Mountain View, Califórnia, EUA).

Todas as aeronaves UAM perfiladas aqui têm várias características comuns:primeiro, são relativamente pequenas, com capacidade para dois a quatro passageiros, ou uma massa equivalente de carga. Em segundo lugar, quase todos eles voam de forma autônoma. Terceiro, eles são totalmente elétricos e dependem de baterias recarregáveis ​​para voar. Quarto, eles contam com o uso de rotores de elevação que permitem a decolagem e a aterrissagem verticais. Nem todo fabricante de UAM listado aqui estava disposto a compartilhar com CW como ele implanta compostos em seu ofício. A seguir, um resumo das informações fornecidas.

tecnologias beta

Avançando silenciosa e rapidamente está a Beta Technologies, que está desenvolvendo o ALIA 250c pilotou eVTOL para transporte de até cinco passageiros. Este avião possui quatro rotores de levantamento e um rotor de empuxo. Os rotores de içamento estão localizados nas lanças à frente e atrás de cada asa sobre a fuselagem; o rotor de impulsão está localizado na parte traseira do avião, atrás do painel traseiro horizontal. Faixa de destino para o ALIA 250c é de 400 quilômetros e, embora seja projetada para transportar passageiros, a primeira aplicação da aeronave será no transporte de órgãos humanos para o cliente lançador United Therapeutics.

Fabricação de todas as estruturas compostas para o ALIA 250c está sendo executado pela Blue Force Technologies (BFT, Morrisville, N.C., U.S.), que é especializada em design, engenharia, ferramentas, prototipagem e produção de peças compostas e estruturas para o mercado final aeroespacial. Shawn Herrmann, VP de Projetos Futuros da BFT, diz que sua equipe foi particularmente desafiada pela Beta Technologies, que tinha uma série de estipulações de peso e desempenho anexadas ao ALIA 250c . Ele diz que o BFT foi guiado por três elementos do projeto Beta:Uma fração de peso estrutural mínimo estrito (do peso total do plano) de 25%, configurações altamente contornadas com múltiplas interfaces de estrutura para estrutura que requerem combinação aerodinâmica e uma estrutura altamente unitizada com juntas mínimas.

“Beta está indo para um ponto de design de alcance em que ninguém mais se aventurou e, portanto, devemos carregar uma asa grande e eficiente sem sacrificar a fração de peso vazio para pairar”, diz Herrmann. “Cada libra removida da estrutura pode ir para baterias e, portanto, maior alcance.”

Para fabricar a primeira aeronave, a BFT teve que atingir sua meta de peso agressiva usando um processo que se presta a ferramentas macias, sem abrir mão de um desempenho significativo em comparação com um típico pré-impregnado de módulo padrão de cura em baixa temperatura. “Descobrimos que, usando nosso processo patenteado baseado em infusão”, diz Herrmann, “combinado com nossa abordagem de soft-tooling, podemos construir uma fuselagem experimental inteira [em condições de vôo] no mesmo tempo necessário para construir ferramentas de carbono para um protótipo baseado em prepreg. ”

Herrmann diz que a BFT tem desenvolvido técnicas de infusão de resina para estrutura primária em protótipos nos últimos cinco anos. Com ALIA , a empresa conduziu mais materiais e testes de processo para iterar e aprimorar suas técnicas de infusão para produzir propriedades mecânicas que atingiriam a fração de peso estrutural exigida pelo programa. Além disso, ele fez isso com um sistema de resina que exigia apenas cura à temperatura ambiente e pós-cura independente. Além disso, a BFT se esforçou para fabricar o ALIA Estruturas com o mínimo de juntas possível, o que significa longas estruturas unificadas - incluindo a asa de 50 pés e as duas lanças de 35 pés que seguram os rotores de elevação.

O sistema de resina usado para fabricar o primeiro ALIA , diz Herrmann, foi desenvolvido internamente e, portanto, não é um material oficialmente qualificado. Isso é adequado para prototipagem, ele admite, mas como a ALIA entrar em produção, a certificação provavelmente obrigará a diferentes materiais e decisões de processo, incluindo uma possível mudança para pré-impregnados. “A certificação será o principal fator na seleção de materiais para as aeronaves de produção”, diz Herrmann. “A aeronave de produção terá a mesma aparência e peso semelhante, mas empregará materiais e processos que fazem sentido para certificação e produção de alto nível.”

Outras considerações para a produção plena - cujo volume não foi divulgado pela Beta - incluem materiais e fluxo de processo, bem como automação. A BFT já começou a trabalhar no primeiro, e o último, diz Herrmann, é quase uma certeza:“A automação deve render as propriedades mecânicas usadas no projeto, deve produzir no ritmo para o qual a fábrica foi dimensionada e no custo recorrente mínimo previsto, e deve ser mostrado para ser repetível e confiável para produzir laminados consistentes com o tamanho do defeito e suposições de densidade feitas na abordagem de tolerância a danos para a certificação. Vemos um futuro de produção de taxa usando vários níveis de automação em layup, inspeção, guarnição / broca, montagem, etc. ”

EHang

Adotando uma abordagem um pouco diferente está a EHang, que está desenvolvendo o EHang 216 , um helicóptero autônomo eVTOL projetado para o transporte de táxi aéreo de dois passageiros ou carga (também chamado de logística aérea). Possui oito rotores coaxiais, cada um dos quais montado em um braço estrutural que se estende radialmente a partir da parte inferior da fuselagem. Os braços do rotor podem ser dobrados verticalmente para facilitar o armazenamento da embarcação. Como o VoloCity de Volocopter (veja abaixo), o EHang 216 fica em patins. Tem uma carga útil máxima de 220 quilos e alcance máximo de 35 quilômetros.

Vídeos do EHang 216 em vôo são abundantes, demonstrando a habilidade da nave como transportadora de pessoas e carga. Em maio de 2020, a EHang recebeu o que a empresa diz ser a primeira aprovação de operação piloto comercial do mundo da Administração de Aviação Civil da China para usar o EHang 216 para fins de logística aérea. Em julho de 2020, foi concedido um Certificado de Operações Especiais de Voo emitido pela Transport Canada Civil Aviation. Isso permitirá voos de teste do EHang 216 em Québec, Canadá.

Parceiro estratégico de fabricação da EHang - incluindo compostos - para o EHang 216 é o fabricante aeroespacial FACC AG (Ried im Innkreis, Áustria). Nem EHang ou FACC estavam dispostos a compartilhar materiais compostos ou informações de processamento com CW para esta história, mas o FACC relatou que trabalhará com a EHang para otimizar as aeronaves em desenvolvimento e ajudar a desenvolver planos para a produção em série. O FACC também ajudará com certificação, serviços de manutenção pós-venda e pesquisa e desenvolvimento.

Joby Aviation

Um dos programas AAM de maior perfil pertence à Joby Aviation, que está desenvolvendo um helicóptero pilotado eVTOL, ainda sem nome, para o transporte de táxi aéreo de até quatro passageiros. A embarcação Joby é notável por apresentar seis tilt rotores. Dois rotores são montados em cada asa sobre a fuselagem e há dois montados na cauda. A aeronave está apoiada em um trem de pouso de três rodas, tem alcance de 240 quilômetros e velocidade máxima de 320 quilômetros por hora.

Joby tem uma parceria comercial de vários anos com o serviço de compartilhamento aéreo Uber Elevate, mas diz que também está considerando lançar um serviço próprio de compartilhamento de viagens. Em qualquer caso, a empresa tem como meta 2023 para a entrada em serviço.

Joby não compartilharia materiais compostos e informações de processo sobre sua aeronave com CW para esta história, mas é bem sabido que Joby desenvolveu operações significativas de fabricação de compósitos dentro e perto de sua fábrica em Santa Cruz. John Geri expiração, sem limites de tempo de validade de materiais, sem problemas de recursos humanos, sem dependência de variáveis ​​humanas, sem inspeção humana e sem reparos após a construção completa. Geriguis também observou que, embora Joby atualmente use sistemas de resina termofixa, há oportunidade para integração de compostos termoplásticos em futuras gerações de aeronaves.

Lilium

Lilium, com sede na Alemanha, está desenvolvendo o Lilium Jet , um táxi aéreo eVTOL pilotado de asa fixa com capacidade para até quatro passageiros. Apesar de “Jet” no nome, o Lilium Jet é alimentado por 36 ventiladores de dutos inclináveis ​​montados na borda de ataque de cada asa e na barbatana de cauda horizontal. Ele é projetado para serviço intermunicipal e tem um alcance de 300 quilômetros e uma velocidade máxima de 300 quilômetros por hora. Lilium testou o vôo Lilium Jet , que pode ser visto em um vídeo postado no site Lilium em outubro de 2019. Lilium anunciou em julho um contrato de fornecimento de fibra de carbono com Toray (Tóquio, Japão). No anúncio, Lilium disse que Toray fornecerá fibra de carbono diretamente para Lilium inicialmente para uso na produção de demonstradores de tecnologia adicionais. Quando o Lilium Jet entra na prototipagem e produção, a Toray entregará fibra de carbono a fornecedores que fabricarão peças compostas para Lilium.

Yves Yemsi, diretor de programa da Lilium, diz que os compostos de fibra de carbono serão usados ​​em todas as estruturas primárias do Lilium Jet, incluindo a fuselagem, asas e flaps. Feedback e informações prometidas por Lilium; não foi entregue.

Pipistrel

Um tanto atípico é o Pipistrel, que está desenvolvendo o Nuuva V300 eVTOL autônomo, não para passageiros, mas para cargas aéreas e aplicações de logística aérea. Ele usa oito rotores de elevação e um rotor de impulsão e tem uma carga útil máxima de 460 quilos. A carga é armazenada dentro da fuselagem, acessada pela lateral ou pela seção do nariz. A Pipistrel está no meio da produção do primeiro Nuuva V300 protótipo, mas a empresa já está recebendo pedidos de produção e planeja fabricar “várias centenas” por ano.

A Pipistrel diz que tem mais de 25 anos de experiência na fabricação de aeroestruturas compostas e está se concentrando na troca de peças, reparos em campo e processos de cura rápida para o Nuuva V300 . A empresa está usando apenas pré-impregnados à base de epóxi, processados ​​principalmente via layup manual e cura à temperatura ambiente, com cura ocasional em autoclave para peças menores. A Pipistrel diz que espera usar automação baseada em prepreg e fora de autoclave extensivamente quando a aeronave entrar em produção.

Volocóptero

A nave sendo desenvolvida pela Volocopter, chamada de VoloCity , é um helicóptero autônomo eVTOL com capacidade para dois passageiros. VoloCity , que usa skids em vez de trem de pouso com rodas, é movido por 18 rotores de elevação, tem uma carga útil máxima de 200 quilos, 110 quilômetros por hora de velocidade máxima e um alcance de 35 quilômetros. VoloCity Os rotores são dispostos em um aro estrutural ancorado ao topo da fuselagem, com 12 rotores localizados equidistantemente na circunferência do aro e mais seis em um diâmetro menor dentro do aro. Cada rotor tem um diâmetro de 2,3 metros; o diâmetro total da borda é 11,3 metros. Volocopter está aceitando reservas agora para VoloCity , que espera entrar em serviço em 2023.

Volocopter diz que está aplicando compostos em todo o VoloCity fuselagem, aviões de rotor e assentos. O protótipo e o demonstrador de embarcações estão sendo fabricados por um parceiro fabricante de compósitos não identificado usando fibra de carbono e fibra de vidro por via úmida. O tipo de resina não foi identificado, mas provavelmente é epóxi. Em um comunicado, a Volocopter diz que selecionou uma combinação de fibra / resina qualificada porque, “com base em limitações de tempo e objetivos, era importante usar um material qualificado que atendesse às nossas necessidades e nosso cronograma de produção”. Quando VoloCity entra em produção de taxa plena, Volocopter diz que espera mudar para um pré-impregnado fora de autoclave, com fabricação fornecida por “fabricantes internacionais”.

Quantos VoloCity A embarcação que a Volocopter espera produzir anualmente é desconhecida, mas as declarações da empresa em resposta aos pedidos de informação para esta história sugerem “milhares”, acrescentando que “O que é certo é que estamos procurando atingir taxas de produção mais próximas das dos fabricantes de automóveis do que os dos fabricantes de aeronaves atualmente. ”

Wisk

Wisk, uma joint venture da Boeing (Seattle, Wash., EUA) e Kitty Hawk (Palo Alto, Califórnia, EUA), está desenvolvendo o Cora , um táxi aéreo autônomo eVTOL de asa fixa com capacidade para dois passageiros. Cora é movido por 12 rotores de elevação - três localizados à frente e à ré de cada asa - e um rotor de impulsão localizado na extremidade posterior da fuselagem na frente da seção da cauda. O avião está apoiado em um trem de pouso de três rodas. Cora tem alcance máximo de 40 quilômetros e velocidade máxima de 160 quilômetros por hora.

Wisk diz todas as estruturas primárias em Cora são fabricados internamente com compostos usando uma combinação patenteada de resina e fibras. Em um comunicado, Wisk disse que os materiais qualificados foram escolhidos porque “geralmente é mais fácil começar o projeto a partir de uma solução já comprovada”. O processo de fabricação é guiado por laser com consolidação manual sob o saco de vácuo. As estruturas acabadas são avaliadas com testes de carga limite, termografia e inspeção ultrassônica. À medida que a produção aumenta, a empresa espera integrar tecnologias de automação para atender às "taxas de produção que estão previstas atualmente para eVTOLs". Wisk também afirma que espera manter a fabricação interna quando Cora entra em produção de taxa plena, com contratados fornecendo produção suplementar conforme ditado pelas restrições de capacidade.

Tabela 1:Fabricantes de UAM, aeronaves

Fabricante / artesanato

Propulsão

Controle

Capacidade

Máx. alcance

Máx. Rapidez

ALIA da Beta Technologies

4 rotores de elevação, 1 rotor de pressão

1 piloto

5 passageiros

400 km

274 km / h

EHang EHang 216

16 rotores (8 pares)

Autônomo

2 passageiros ou 220 kg

35 km

130 kph

Joby (sem nome)

36 tiltfans conduzidos

1 piloto

4 passageiros

300 km

300 kph

Pipistrel Nuuva V300

8 rotores de elevação, 1 rotor de pressão

Autônomo

460 kg (carga)

300 km

220 kph

Volocopter VoloCity

18 rotores

Autônomo

2 passageiros ou 200 kg

35 km

110 kph

Wisk Cora

12 rotores de elevação, 1 rotor de pressão

Autônomo

2 passageiros ou 180 kg

40 km

160 kph