Caixa de Asa IIAMS: Roteiro para Certificação

Fig. 7 "Processo de certificação das modificações para o protótipo", que inclui a asa externa FTB#2. Crédito da foto: "Structural Radar Research of Airbus Defense and Space as Clean Sky Partnership" por Manuel Iglesias Vallejo, Rubén Tejerina Hernanz, Antonio Jiménez, et al., Airbus Defence and Space, 8th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS), 1-4 de julho de 2019.

 

Airbus DS, FTB#2 e futura aeronave turboélice

A Airbus Defence and Space (Airbus DS, Cádis, Espanha) entrou no programa de pesquisa e tecnologia Clean Sky da União Europeia como EADS CASA. Fundada como Construcciones Aeronáuticas SA em 1923 em Getafe, Espanha, a CASA tem longa história em produção de aeronaves e foi um dos membros originais do Consórcio Airbus. Seu segundo local foi estabelecido em Cádis em 1926, e a empresa produziu 22 modelos de aeronaves assim como componentes para Airbus e aeronaves militares Eurofighter e para aeronaves comerciais produzidas pela Airbus e Boeing.

Clean Sky 1 compreende 7 áreas de projeto — 6 Demonstradores de Tecnologia Integrada (ITDs) e o Avaliador de Tecnologia. Os ITDs, cada um co-liderado por 2 organizações industriais, cobrem diferentes segmentos de transporte aéreo.

Clean Sky 2 compreende 9 áreas de projeto — 3 Plataformas de Demonstrador de Aeronave Inovadora (IADPs), 3 ITDs, 2 Atividades Transversais, e o Avaliador de Tecnologia.

https://www.cleansky.eu/discover

 

A Airbus DS progrediu de co-líder do Demonstrador de Tecnologia Integrada (ITD) Green Regional Aircraft (GRA) no programa original Clean Sky (2008-2017) para co-líder do ITD AIRFRAME assim como líder para o flight test bed 2 (FTB#2) na plataforma de demonstrador de aeronave integrada REGIONAL (IADP) dentro do programa subsequente Clean Sky 2 (2014-2024).

A.E. Jiménez Gahete, com a Diretoria de Estruturas e Design, Engenharia e Tecnologia na Airbus DS, descreve desenvolvimento do FTB#2 no artigo da Materiales Compuestos de setembro de 2020 intitulado "Airbus Defence and Space highly integrated wing box section manufactured by dry fiber placement and liquid resin infusion". Este trabalho da Airbus DS no Clean Sky 2 será aplicado a uma futura aeronave de transporte militar ou turboélice regional comercial. Um de seus principais objetivos é desenvolver a asa externa para o FTB#2, que apresentará estruturas primárias compostas OOA, incluindo uma tampa de caixa de asa superior de compósito termoplástico integralmente reforçada e uma caixa de asa one-piece, one-shot feita usando colocação automatizada de fibra (AFP) com fitas de fibra seca e infusão de resina líquida.

O último é de fato a estrutura que a MTorres desenvolveu e produziu dentro do projeto Clean Sky 2 IIAMS, como descrito no artigo da CompositesWorld de março de 2020, "Advancing the OOA infused wing box." Notavelmente, aquela caixa de asa integra a pele inferior, longarinas dianteira e traseira, mas não inclui a pele superior. Torna-se óbvio pelos mapas de rota ilustrados abaixo que a pele superior será de compósito termoplástico.

 

Objetivos e histórico da asa externa FTB#2

"Qualquer design futuro de aeronave exigirá mais eco-eficiência em todo o ciclo de vida", diz Gahete. Isso deve incluir:

• Menos energia na produção de componentes
• Menos sucata de material primário
• Consumo reduzido de líquidos de fabricação e materiais auxiliares
• Aumento da reciclabilidade.

Tais melhorias foram fatores chave no desenvolvimento do design estrutural e processo de produção para a asa externa FTB#2, junto com metas para peso reduzido (-10%) e custo de fabricação assim como eficiência de produção aumentada.

Compósitos termoplásticos e infusão de resina ambos desempenham papel chave na asa externa FTB#2. Compósitos termoplásticos consolidados in-situ (ISC) e fibra seca/infusão de resina permitem grandes estruturas primárias serem fabricadas OOA a custo reduzido comparado a processos tradicionais baseados em autoclave. Soldagem termoplástica e estruturas altamente integradas infundidas em one-shot também reduzem impacto de montagem, fixadores mecânicos, usinagem para esses fixadores e inspeção ao longo do processo.

Desenvolvimentos de tecnologia de infusão no Clean Sky 2 começaram com projetos anteriores do Clean Sky como GRA, ECO-DESIGN, APOLO e CERTERIN. Enquanto isso, ISC TPC foi amadurecido em projetos do Clean Sky ICARO, TARGET, ECO-DESIGN, e Green Regional Aircraft-Light Weight (GRA-LW), permitindo que esta tecnologia fosse incluída no demonstrador de voo FTB#2 do Clean Sky 2.

Fig. 10. Pirâmide de testes. Crédito da foto: "Airbus Defence and Space highly integrated wing box section manufactured by dry fiber placement and liquid resin infusion", por A.E. Jiménez Gahete, Materiales Compuestos Vol. 4, No. 4, pp. 19-26, Set 2020.

 

Certificação da asa externa FTB#2

Como explicado por Gahete, "Passo a passo nós [Airbus DS] estamos passando por toda a pirâmide de testes de estruturas de airframe de cupons a testes estruturais de escala total da asa externa." Hexcel HiTape, UD 210 gramas por metro quadrado (g/m²) e 12,7 mm de largura com véu termoplástico V800E em ambos os lados (peso do véu 4 g/m² por lado), infundido com resina epóxi Hexcel HexFlow RTM6 cura 180°C, foi totalmente caracterizado, incluindo propriedades unidirecionais e multi-angulares. Resultados de testes mostraram que este material performa bem em módulo mas menos bem em resistência comparado ao Hexcel HexPly M21E epóxi pré-impregnado feito com fibra de carbono intermediária HexTow IMA, que é usado para fabricar peles de asa, longarinas e caixa de asa central para o Airbus A350. Laminados quasi-isotrópicos mostraram bons resultados comparados à mesma referência.

Gahete explica que além de cupons para caracterização de materiais, e antes de testes de subcomponentes de detalhes e painéis para obter permitíveis de design, demonstradores de fabricação foram usados para ajudar a validar "quais características de design poderiam ser obtidas com os processos de fabricação selecionados." DEMO1 integra uma seção de pele de espessura variável, longarina em J com reforços de nervura e duas longarinas integradas na pele e flange da longarina em J. E DEMO2 — medindo 3 metros de comprimento x 0,86 metro de largura x 3,44 metros de altura — simula as dimensões gerais da caixa de asa externa FTB#2 e inclui cinco longarinas. Gahete nota que alguns ajustes de processo foram feitos através de algumas iterações antes de obter resultados bem-sucedidos em testes de peças estruturais.

Fig. 9. Matriz de teste de desenvolvimento para asa externa FTB#2. Crédito da foto: Gahete, Materiales Compuestos Vol. 4, No. 4, pp. 19-26, Set 2020.

Uma matriz de teste de detalhes de design também foi completada, incluindo testes de raio, run-out de longarina e cripling de longarina (para avaliação de flambagem e falha). Testes de subcomponentes de painéis também foram completados com resultados positivos. Com toda a pirâmide de testes completada com sucesso, de cupons a subcomponentes, diz Gahete, apenas os testes finais estáticos e funcionais de escala total da asa externa permanecem para obter a qualificação FTB#2 para voo. Estes testes estão planejados para serem completados até o final de 2021.

 

FTB#2 como parte de desenvolvimento de tecnologia de escopo maior

A caixa de asa externa é apenas uma parte do FTB#2 que a Airbus DS está fornecendo. Outros demonstradores estruturais — como explicado no artigo de 2019, "Structural radar research of Airbus Defense and Space as Clean Sky partnership", escrito pela Airbus DS e publicado pela European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS) em 2019 — incluem cockpits MT1 ou MT2 (veja imagem abaixo) com alta integração estrutural para redução de peso e custo, bordas de ataque de asa com características de morphing e asa externa completa com winglet e flap de morphing. (Nota, o último está sendo avançado via projeto Air Green 2 pelo CIRA - Centro de Pesquisa Aeroespacial Italiano.)

 

A ilustração abaixo mostra várias pesquisas da Airbus DS dentro do Clean Sky (CS1) e Clean Sky 2 (CS2), como parte de um portfólio amplo de tecnologia.

 

Também explicado no artigo EUCASS, estes projetos de pesquisa não apenas avançaram tecnologias de compósitos mas também novos desenvolvimentos em metais, bem como manufatura aditiva, ferramentas e reparo:

• Estrutura primária altamente integrada
  • Laminado sólido multifuncional duplamente curvo co-curado one-shot
  • Alta integração de frames bulk via infusão de resina líquida (LRI)
    • Laminado sólido (lower former FR-9)
    • Sanduíche reforçado (forward pressure bulkhead FR-1)
    • Pele inferior e longarinas da caixa de asa FTB#2
  • Alta integração via termoplástico consolidação in-situ (ISC)
    • Pequena curvatura (FR-4 de MT1/MT2; pele superior da caixa de asa externa FTB#2)
    • Conformação contínua termoplástica (longarinas)
    • Curvatura alta/dupla (borda de ataque e cowling)
  • Frame de fuselagem/nervura de asa feito em estampagem a quente de liga leve
• Estrutura secundária: frames de janela TPC e ALM (manufatura aditiva de camadas) de baixo custo
• Tecnologias de ferramentas: compósitos e ALM de baixo custo
• Reparos e manutenção
  • Reparo padrão em pele curva reforçada altamente integrada (pré-impregnado)
  • Co-consolidação e soldagem ISC termoplástica
  • Itens estruturais RTM-LRI
    • Aplicação de remendo pré-impregnado
    • Remendos de material seco mais injeção de resina
  • Injeção de resina para fixar camadas multifuncionais externas

Montagem sem gabarito também tem sido ênfase recorrente, assim como amadurecimento de novos sistemas digitais 4.0 e tecnologias de teste como as listadas no artigo EUCASS:

• Interferometria (DIC)
  • Teste multi-impacto de energia média
  • Teste vibracional
• Termografia
  • Aplicação NDT
  • Comportamento estrutural em ambiente quente
• Sensores SHM e técnicas de medição
  • FBG (Fiber Bragg Grating) de fibra óptica
  • OBR (Optical Backscatter Reflectometry)
  • MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems combinando componentes elétricos e mecânicos em um único chip de computador)
• p-U acústico (método de medição de absorção in-situ baseado em pressão-velocidade)

 

Estrutura colaborativa da UE para certificação

Uma nota final dos artigos EUCASS e Gahete é o crédito dado à colaboração próxima e trabalho realizado por vários parceiros chave da Airbus DS incluindo NLR (Netherlands Aerospace Centre), Airborne (Haia, Holanda), Applus+ Laboratories (Barcelona, Espanha), MTorres (Torres de Elorz, Espanha) e FIDAMC (Getafe, Espanha), esta última descrita como "significativamente envolvida em todas as tecnologias sendo desenvolvidas com materiais compostos e seus processos de fabricação."

Há algum tempo, notei as atividades e publicações de engenheiros da Airbus em Getafe e escrevi sobre o trabalho ISC TPC feito pela FIDAMC e outros. CW também destacou a liderança da Airbus DS em muitos dos artigos escritos sobre projetos Clean Sky. Mas até agora, não entendia quão longo prazo e planejada a estratégia da Airbus DS tem sido, fazendo o melhor uso de sua participação e contribuição aos programas Clean Sky. Faz perfeito sentido estabelecer base para certificação durante desenvolvimento de novos demonstradores de cockpit e asa. CW escreveu sobre esta mesma abordagem sendo perseguida pelo líder do tópico Airbus Alemanha dentro do Demonstrador de Fuselagem Multifuncional (MFFD) do Clean Sky 2. Naquele caso, caracterização completa de poliariletercetona de baixo ponto de fusão (LM PAEK) em juntas soldadas será alcançada dentro do sub-projeto MECATESTERS.

Os mapas de rota da Airbus DS e ilustração de radar de tecnologia estrutural mostrados neste relatório são mais um exemplo de como as indústrias de aviação e aeroespaciais europeias estão trabalhando juntas para estar prontas para o futuro. O Clean Sky 2 continua a ter sucesso ao fornecer às indústrias de aeronaves e aeroespaciais da Europa uma visão ambiciosa e um framework financiado para trabalharem juntas para alcançar metas claras. Este trabalho também ajudará à medida que a indústria pivota para eletrificação, hidrogênio e combustíveis alternativos para superar a mudança climática, e tanto a aviação quanto os compósitos têm papéis chave a desempenhar nessa conquista.