Avanço de Aerestruturas Compósitos para Mobilidade Aérea Urbana

A ideia de um carro voador há muito é celebrada na cultura popular, desde o desenho Os Jetsons no início dos anos 1960 até o landspeeder de Star Wars nos anos 70, e muitas outras encarnações na ficção científica mais recente. A promessa que todas elas apresentam é um futuro onde o transporte diário possa entrar na terceira dimensão e contornar o tráfego e a congestão que caracterizam o deslocamento moderno. Além disso, a premissa era que tal transporte fácil estava logo ali — um desafio técnico não intransponível. Hoje, quase 60 anos após Os Jetsons, parece que estamos, finalmente, à beira de tal revolução no transporte.

Atualmente, existem vários programas de desenvolvimento de aeronaves bem avançados nos caminhos de fabricação e testes de voo, que visam facilitar o transporte de passageiros e/ou carga em grandes áreas urbanas ao redor do mundo nos próximos cinco anos. Todas essas aeronaves são movidas a bateria e dependem enormemente da capacidade de economia de peso e resistência dos compósitos.

UAM, AAM, eVTOL

Essa revolução no transporte atende por muitos nomes. Começou com aeronaves elétricas de decolagem e pouso vertical (eVTOL), mas isso pode ser muito específico em certos momentos, então a indústria passou a usar mobilidade aérea urbana (UAM). A NASA prefere mobilidade aérea avançada (AAM), que abrange muitas bases e remove o foco urbano da tecnologia — apesar de a AAM ser muito projetada para o ambiente urbano.

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

A economia e as métricas que impulsionam a UAM são numerosas, e nem todas podem ser exploradas aqui (a KPMG oferece um bom guia sobre a tecnologia e o que está por trás dela), mas um dos maiores impulsionadores é a rápida urbanização do planeta. Até 2050, segundo a ONU, 68% da população mundial — cerca de 7,1 bilhões de pessoas — viverá em áreas urbanas. Isso colocará pressão substancial na infraestrutura de transporte, tornando a viagem de carro cada vez mais difícil. Expandir a viagem para o espaço aéreo sobre as cidades deve aliviar essa pressão. Daí o mercado UAM em expansão.

Qualidade aeroespacial, quantidade automotiva

Independentemente das forças de mercado e da economia, os fabricantes de UAM entraram em território de fabricação de compósitos até então inexplorado. As aeronaves UAM, para entrarem em serviço, devem ser certificadas pela autoridade que regula o transporte aéreo, de forma semelhante à certificação de grandes aeronaves comerciais. Nos EUA, é a FAA; na Europa, a EASA. Obter essa certificação exige que a aeronave atenda a certas métricas de segurança e desempenho. O uso de compósitos para atender aos requisitos de certificação, embora não trivial, está ao alcance de várias combinações comuns de materiais e processos.

No entanto, os fabricantes de UAM também consideram volumes de produção em larga escala na casa das centenas, senão milhares de unidades. Isso está muito longe da taxa de oito por mês para a fabricação do Boeing 787 ou do Airbus A350. Alcançar tais taxas exigirá o desenvolvimento de tecnologias de processo, controle de processo e automação que possam produzir de forma repetível, confiável e eficiente aerestruturas de alta qualidade e dentro das especificações. Assim, a fabricação de UAM tornou-se o exemplo clássico da frase comum da indústria de compósitos: "Qualidade aeroespacial, quantidade automotiva".

Um dos líderes do serviço de táxi aéreo é, previsivelmente, a Uber, que criou a Uber Elevate, um serviço de compartilhamento de viagens aéreas. A Uber Elevate contratou vários parceiros de fabricação de UAM que construirão aeronaves para a empresa. Estes incluem Aurora Flight Sciences, Bell, Embraer, Hyundai, Jaunt Air Mobility, Joby Aviation, Overair e Pipistrel Vertical Solutions.

Mischa Pollack, líder de design de veículos e estruturas na Uber, disse durante uma apresentação na CAMX 2020 que a empresa antecipa a certificação inicial de seu serviço em algumas cidades até 2023, seguida por expansão em 2026 e depois escala significativa em 2028. Até 2035, disse ele, a Uber Elevate espera ter serviços de compartilhamento de viagens aéreas em mais de 50 mercados com demanda para 10.000 aeronaves UAM por ano. "Este número", disse ele, "ainda está mais próximo das taxas de fabricação aeroespacial comercial, mas ainda precisamos que a fabricação de compósitos evolua."

Como seria essa evolução? A lista de desejos de Pollack para produção em larga escala é basicamente um roteiro para a industrialização que a indústria de compósitos antecipa há vários anos: até 4.500 toneladas métricas por ano de fibra de carbono de alto módulo/alta resistência, aumento da automação via colocação automatizada de fita e fibra, uso expandido de processos de compressão e pultrusão, uso estratégico de manufatura aditiva reforçada com fibra, colagem e solda automatizadas, inspeção inline em tempo real, pouco ou nenhum desperdício, aumento do uso de materiais de baixa energia incorporada, uso substancial de materiais reciclados e aplicação de estratégias sustentáveis de energia, material e processo.

Felizmente, a indústria de compósitos tem alguns anos para desenvolver a cadeia de suprimentos que pode atender a tais necessidades. Enquanto isso, como cada fabricante de UAM passará para a produção varia. Alguns, como observado abaixo, mantêm toda a produção internamente. Alguns fazem prototipagem internamente, mas mudarão a produção em larga escala para parceiros. Outros contrataram parceiros terceirizados desde o início e manterão essa estratégia na produção.

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

Todas as aeronaves UAM perfiladas aqui têm várias características comuns: primeiro, são relativamente pequenas, com capacidade para dois a quatro passageiros, ou massa equivalente de carga. Segundo, quase todas são voadas autonomamente. Terceiro, são totalmente elétricas e dependem de baterias recarregáveis para voo. Quarto, dependem do uso de rotores de sustentação que permitem decolagem e pouso vertical. Nem todo fabricante de UAM listado aqui estava disposto a compartilhar com a CW como implementa compósitos em suas aeronaves. O que segue é um resumo das informações fornecidas.

Beta Technologies

Avançando de forma silenciosa e rápida está a Beta Technologies, que está desenvolvendo o ALIA 250c eVTOL pilotado para transporte de até cinco passageiros. Este avião possui quatro rotores de sustentação e um rotor de propulsão. Os rotores de sustentação estão localizados em braços à frente e atrás de cada asa sobre a fuselagem; o rotor de propulsão fica na traseira do avião atrás do estabilizador horizontal. O alcance alvo do ALIA 250c é de 400 quilômetros, e embora seja projetado para transportar passageiros, a primeira aplicação da aeronave será para transporte de órgãos humanos para o cliente de lançamento United Therapeutics.

A fabricação de todas as estruturas compósitas para o ALIA 250c está sendo realizada pela Blue Force Technologies (BFT, Morrisville, NC, EUA), especializada em design, engenharia, ferramentas, prototipagem e produção em larga escala de peças e estruturas compósitas para o mercado aeroespacial. Shawn Herrmann, VP de Projetos Futuros na 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 a BFT foi guiada por três elementos do design da Beta: uma fração de peso estrutural mínimo estrita (do peso total do avião) de 25%, configurações altamente contornadas com múltiplas interfaces estrutura-estrutura que exigem fusão aerodinâmica, e uma estrutura altamente unitizada com juntas mínimas.

"A Beta está buscando um ponto de design de alcance que ninguém mais explorou, e portanto devemos carregar uma asa grande e eficiente sem sacrificar a fração de peso vazio para hover", diz Herrmann. "Cada libra removida da estrutura pode ir para baterias, e assim maior alcance."

Para fabricar a primeira aeronave, a BFT teve que atingir sua meta agressiva de peso usando um processo que se adapta a ferramentas macias, sem abrir mão de desempenho significativo versus um pré-impregnado padrão de cura a baixa temperatura e módulo padrão. "Descobrimos que, usando nosso processo proprietário baseado em infusão", diz Herrmann, "combinado com nossa abordagem de ferramentas macias, podemos construir uma estrutura aérea experimental [pronta para voo] inteira no mesmo tempo necessário para construir ferramentas de carbono para um protótipo baseado em pré-impregnado."

Herrmann diz que a BFT vem desenvolvendo técnicas de infusão de resina para estrutura primária em protótipos nos últimos cinco anos. Com o ALIA, a empresa realizou mais testes de materiais e processos para iterar e aprimorar suas técnicas de infusão para obter propriedades mecânicas que atingissem a fração de peso estrutural exigida pelo programa. Além disso, fez isso com um sistema de resina que exigia apenas cura à temperatura ambiente e pós-cura autoportante. Além disso, a BFT procurou fabricar as estruturas do ALIA com o menor número possível de juntas, o que significa estruturas unitizadas longas — incluindo a asa de 50 pés e os dois braços de 35 pés que sustentam os rotores de sustentação.

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 à medida que o ALIA entra em produção, a certificação provavelmente forçará diferentes decisões de materiais e processos, incluindo uma possível mudança para pré-impregnados. "A certificação será o principal driver na seleção de materiais para a aeronave de produção", diz Herrmann. "A aeronave de produção terá a mesma aparência e peso semelhante, mas empregará materiais e processos que façam sentido para certificação e produção em alta taxa."

Outras considerações para produção em larga escala — cujo volume a Beta não divulgou — incluem fluxo de materiais e processos, bem como automação. A BFT já começou a trabalhar no primeiro, e o segundo, diz Herrmann, é quase uma certeza: "A automação deve gerar propriedades mecânicas usadas no design, deve produzir na taxa para a qual a fábrica foi dimensionada e no custo recorrente mínimo previsto, e deve ser mostrada como repetível e confiável para produzir laminados consistentes com suposições de tamanho e densidade de defeitos feitas na abordagem de tolerância a danos para certificação. Vemos um futuro de produção em taxa usando vários níveis de automação em colocação, inspeção, corte/furação, montagem, etc."

EHang

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

Vídeos do EHang 216 em voo são abundantes, demonstrando a capacidade da aeronave 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. Isso foi seguido em julho de 2020 pela concessão de um Certificado de Operações de Voo Especial emitido pela Transport Canada Civil Aviation. Isso permitirá voos de teste do EHang 216 em Quebec, Canadá.

O parceiro estratégico de fabricação da EHang — incluindo compósitos — para o EHang 216 é o fabricante aeroespacial FACC AG (Ried im Innkreis, Áustria). Nem a EHang nem a FACC quiseram compartilhar informações sobre materiais ou processos de compósitos com a CW para esta reportagem, mas a FACC relatou que trabalhará com a EHang para otimizar aeronaves em desenvolvimento e ajudar a desenvolver planos para produção em série. A FACC também ajudará com certificação, serviços de manutenção pós-venda e pesquisa e desenvolvimento.

Joby Aviation

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

A Joby tem uma parceria comercial plurianual com o serviço de compartilhamento de viagens aéreas Uber Elevate, mas diz que também está considerando lançar seu próprio serviço de compartilhamento de viagens. Em qualquer caso, a empresa visa 2023 para entrada em serviço.

A Joby não compartilharia informações sobre materiais e processos de compósitos de sua aeronave com a CW para esta reportagem, mas é bem sabido que a Joby desenvolveu operações significativas de fabricação de compósitos em e perto de sua instalação em Santa Cruz. John Geriguis, desenvolvimento avançado na Joby, disse em uma apresentação na CAMX 2020 que os objetivos de industrialização da Joby são semelhantes aos delineados por Pollack da Uber, mas enquadrados como o que a empresa quer evitar em suas operações de fabricação de compósitos: pouco ou nenhum desperdício, sem validade de materiais, sem limites de tempo de exposição de materiais, sem problemas de recursos humanos, sem dependência de variáveis humanas, sem inspeção humana e sem reparos após construção completa. Geriguis também observou que, embora a Joby atualmente use sistemas de resina termofixa, há oportunidade para integração de compósitos termoplásticos em futuras gerações da aeronave.

Lilium

A alemã Lilium está desenvolvendo o Lilium Jet, um eVTOL asa fixa pilotado para táxi aéreo com assentos para até quatro passageiros. Apesar de "Jet" no nome, o Lilium Jet é alimentado por 36 ventiladores ductados basculantes montados na borda de ataque de cada asa e na barbatana horizontal da cauda. É projetado para serviço interurbano e tem alcance de 300 quilômetros e velocidade máxima de 300 quilômetros por hora. A Lilium testou o Lilium Jet em voo, que pode ser visto em um vídeo postado no site da Lilium em outubro de 2019. A Lilium anunciou em julho um contrato de fornecimento de fibra de carbono com a Toray (Tóquio, Japão). No anúncio, a Lilium disse que a Toray fornecerá fibra de carbono diretamente à Lilium inicialmente para uso na produção de demonstradores de tecnologia adicionais. Quando o Lilium Jet entrar em prototipagem e produção, a Toray entregará fibra de carbono a fornecedores que fabricarão peças compósitas para a Lilium.

Yves Yemsi, diretor de programa na Lilium, diz que compósitos de fibra de carbono serão usados em todas as estruturas primárias do Lilium Jet, incluindo fuselagem, asas e flaps. Feedback e informações prometidas pela Lilium; não foram entregues.

Pipistrel

Algo como uma exceção é a Pipistrel, que está desenvolvendo o Nuuva V300 eVTOL autônomo, não para passageiros, mas para aplicações de carga aérea e logística aérea. Ele usa oito rotores de sustentação e um rotor de propulsão e tem carga útil máxima de 460 quilogramas. A carga é armazenada dentro da fuselagem, acessada pelo lado ou pela seção do nariz. A Pipistrel está no meio da produção do primeiro protótipo Nuuva V300, mas a empresa já está aceitando pedidos de produção e planeja fabricar "várias centenas" por ano.

A Pipistrel diz que tem mais de 25 anos de experiência na fabricação de aerestruturas compósitas e está focada em intercambiabilidade de peças, reparabilidade 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 colocação manual e cura à temperatura ambiente, com cura ocasional em autoclave para peças menores. A Pipistrel diz que espera usar automação baseada em pré-impregnado fora de autoclave extensivamente quando a aeronave entrar em produção.

Volocopter

A aeronave sendo desenvolvida pela Volocopter, chamada VoloCity, é um eVTOL helicóptero autônomo com assentos para dois passageiros. O VoloCity, que usa patins em vez de trem de pouso com rodas, é alimentado por 18 rotores de sustentação, tem carga útil máxima de 200 quilogramas, velocidade aérea máxima de 110 quilômetros por hora e alcance de 35 quilômetros. Os rotores do VoloCity estão dispostos em um aro estrutural ancorado no 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 diâmetro de 2,3 metros; o diâmetro total do aro é de 11,3 metros. A Volocopter está aceitando reservas agora para o VoloCity, que espera entrar em serviço até 2023.

A Volocopter diz que está aplicando compósitos em toda a estrutura aérea, planos de rotor e assentos do VoloCity. Protótipos e aeronaves demonstradoras estão sendo fabricados por um parceiro fabricante de compósitos não identificado usando fibra de carbono e fibra de vidro via colocação úmida. O tipo de resina não foi identificado, mas provavelmente é epóxi. Em um comunicado, a Volocopter diz que selecionou uma combinação qualificada de fibra/resina porque, "dadas as restrições de tempo e metas, era importante usar um material qualificado que atendesse às nossas necessidades e nosso cronograma para produção." Quando o VoloCity entrar em produção em larga escala, a Volocopter diz que espera mudar para um pré-impregnado fora de autoclave, com fabricação fornecida por "fabricantes internacionais".

Quantas aeronaves VoloCity a Volocopter espera produzir anualmente é desconhecido, mas declarações da empresa em resposta a solicitações de informação para esta reportagem sugerem "milhares", acrescentando que, "O que é certo é que estamos buscando atingir taxas de produção mais próximas às de fabricantes de automóveis do que às de fabricantes de aeronaves atualmente."

Wisk

A Wisk, uma joint venture da Boeing (Seattle, WA, EUA) e Kitty Hawk (Palo Alto, CA, EUA), está desenvolvendo a Cora, um eVTOL asa fixa autônomo para táxi aéreo com assentos para dois passageiros. A Cora é alimentada por 12 rotores de sustentação — três localizados à frente e atrás de cada asa — e um rotor de propulsão localizado na extremidade traseira da fuselagem na frente da seção da cauda. O avião apoia-se em trem de pouso de três rodas. A Cora tem alcance máximo de 40 quilômetros e velocidade máxima de 160 quilômetros por hora.

A Wisk diz que todas as estruturas primárias da Cora são fabricadas internamente com compósitos usando uma combinação proprietária de resina e fibras. Em um comunicado, a Wisk disse que materiais qualificados foram escolhidos porque "geralmente é mais fácil começar o design a partir de uma solução já comprovada." O processo de fabricação é colocação manual guiada a laser com consolidação fora de autoclave sob bolsa de vácuo. Estruturas finalizadas 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 "taxas de produção atualmente previstas para eVTOLs". A Wisk também diz que espera manter a fabricação interna quando a Cora entrar em produção em larga escala, com contratados fornecendo produção suplementar conforme as restrições de capacidade ditarem.

Fabricante/Aeronave	Propulsão	Controle	Capacidade	Alcance máx.	Vel. máx.
Beta Technologies ALIA	4 rotores de sustentação, 1 rotor de propulsão	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 km/h
Joby (sem nome)	6 rotores basculantes	1 piloto	4 passageiros	240 km	320 km/h
Lilium Lilium Jet	36 ventiladores ductados basculantes	1 piloto	4 passageiros	300 km	300 km/h
Pipistrel Nuuva V300	8 rotores de sustentação, 1 rotor de propulsão	Autônomo	460 kg (carga)	300 km	220 km/h
Volocopter VoloCity	18 rotores	Autônomo	2 passageiros ou 200 kg	35 km	110 km/h
Wisk Cora	12 rotores de sustentação, 1 rotor de propulsão	Autônomo	2 passageiros ou 180 kg	40 km	160 km/h