Aerostruktur komposit di pasar mobilitas udara perkotaan yang sedang berkembang

Ide mobil terbang telah lama digembar-gemborkan dalam budaya populer, dari Jetsons kartun di awal 1960-an hingga Star Wars landspeeder di tahun 70-an, dan banyak inkarnasi lainnya dalam fiksi ilmiah yang lebih baru. Janji yang mereka semua kemukakan adalah masa depan dimana transportasi harian bisa memasuki dimensi ketiga dan melewati kemacetan dan kemacetan yang merupakan komuter modern. Selanjutnya, asumsi mereka adalah bahwa transportasi yang mudah seperti itu sudah dekat — tantangan teknis yang tidak dapat diatasi. Hari ini, hampir 60 tahun setelah Jetsons , tampaknya kita, akhirnya, berada di puncak revolusi transportasi semacam itu.

Saat ini, ada beberapa program pengembangan pesawat jauh di sepanjang jalur manufaktur dan uji terbang yang bertujuan untuk membantu memudahkan transportasi penumpang dan/atau kargo di daerah perkotaan besar di seluruh dunia dalam lima tahun ke depan. Semua pesawat ini bertenaga baterai dan sangat bergantung pada kekuatan komposit yang menghemat berat dan memberi kekuatan.

UAM, AAM, eVTOL

Apa revolusi transportasi ini? Ia pergi dengan banyak nama. Ini dimulai dengan pesawat lepas landas dan mendarat vertikal listrik (eVTOL), tetapi ini terkadang terlalu spesifik, sehingga industri beralih ke mobilitas udara perkotaan (UAM). NASA lebih menyukai mobilitas udara tingkat lanjut (AAM), yang mencakup banyak pangkalan dan menghilangkan sifat teknologi yang berfokus pada perkotaan — meskipun faktanya AAM sangat dirancang untuk lingkungan perkotaan.

Terlepas dari namanya — kami akan menggunakan UAM yang lebih umum di sini — pesawat bergenre ini dirancang untuk melakukan salah satu dari dua fungsi. Salah satunya adalah menyediakan layanan taksi udara yang dipiloti atau otonom, mengangkut orang dari titik A ke titik B (heliport/bandara-ke-heliport/bandara) menempuh jarak 25-400 kilometer, dalam kota atau antar kota. Fungsi kedua adalah menyediakan transportasi kargo otonom di lingkungan serupa.

Ekonomi dan metrik yang mendorong UAM sangat banyak, dan tidak semua dapat dieksplorasi di sini (KPMG menawarkan dasar yang baik tentang teknologi dan apa yang ada di baliknya), tetapi salah satu pendorong terbesar adalah urbanisasi yang cepat di planet ini. Pada tahun 2050, menurut PBB, 68% dari populasi dunia - sekitar 7,1 miliar orang - akan tinggal di daerah perkotaan. Ini akan memberikan tekanan besar pada infrastruktur transportasi, membuat perjalanan dengan mobil semakin sulit. Memperluas perjalanan ke wilayah udara di atas kota diharapkan dapat mengurangi tekanan itu. Oleh karena itu, pasar UAM berkembang.

Kualitas kedirgantaraan, kuantitas otomotif

Terlepas dari kekuatan pasar dan ekonomi, produsen UAM telah memasuki wilayah fabrikasi komposit yang sampai sekarang belum dijelajahi. Pesawat UAM, untuk memasuki layanan, harus disertifikasi oleh otoritas yang mengatur perjalanan udara, seperti halnya pesawat komersial besar yang disertifikasi. Di AS itulah FAA dan di Eropa itu EASA. Mendapatkan sertifikasi itu mengharuskan pesawat memenuhi metrik keselamatan dan kinerja tertentu. Penggunaan komposit untuk memenuhi persyaratan sertifikasi, meskipun tidak sepele, mudah dijangkau dari beberapa kombinasi bahan dan proses yang umum.

Namun, pabrikan UAM juga sedang mempertimbangkan volume produksi tingkat penuh dalam ratusan unit, jika tidak ribuan. Ini jauh dari tarif delapan per bulan untuk pembuatan Boeing 787 atau Airbus A350. Mencapai tingkat tersebut akan membutuhkan pengembangan proses, kontrol proses dan teknologi otomatisasi yang dapat berulang kali, andal dan efisien menghasilkan aerostruktur berkualitas tinggi sesuai spesifikasi. Dengan demikian, manufaktur UAM telah menjadi anak poster untuk frasa komposit umum, “Kualitas kedirgantaraan, kuantitas otomotif.”

Salah satu pemimpin layanan taksi udara, bisa ditebak, Uber, yang telah menciptakan Uber Elevate, layanan berbagi tumpangan udara. Uber Elevate telah mengontrak beberapa mitra manufaktur UAM yang akan membangun pesawat untuk perusahaan. Ini termasuk Aurora Flight Sciences, Bell, Embraer, Hyundai, Jaunt Air Mobility, Joby Aviation, Overair, dan Pipistrel Vertical Solutions.

Mischa Pollack, pemimpin desain dan struktur kendaraan di Uber, mengatakan selama presentasi CAMX 2020 bahwa perusahaan mengantisipasi sertifikasi awal layanannya di beberapa kota pada tahun 2023, diikuti oleh ekspansi pada tahun 2026 dan kemudian peningkatan yang signifikan pada tahun 2028. Pada tahun 2035, katanya, Uber Elevate mengharapkan untuk memiliki layanan berbagi tumpangan udara di lebih dari 50 pasar dengan permintaan 10.000 pesawat UAM per tahun. “Angka ini,” katanya, “masih mendekati tingkat manufaktur kedirgantaraan komersial, tetapi kami masih membutuhkan manufaktur komposit untuk berkembang.”

Seperti apa evolusi seperti itu? Daftar keinginan produksi tingkat penuh Pollack pada dasarnya adalah peta jalan menuju industrialisasi yang telah diantisipasi oleh industri komposit selama beberapa tahun:Hingga 4.500 metrik ton per tahun serat karbon modulus tinggi/kekuatan tinggi, peningkatan otomatisasi melalui pita otomatis dan penempatan serat , perluasan penggunaan proses kompresi dan pultrusi, penggunaan strategis manufaktur aditif yang diperkuat serat, pengikatan dan pengelasan otomatis, inspeksi inline waktu nyata, sedikit atau tanpa limbah, peningkatan penggunaan bahan berenergi rendah, penggunaan substansial bahan daur ulang dan penerapan strategi energi, material, dan proses yang berkelanjutan.

Untungnya, industri komposit memiliki beberapa tahun untuk mengembangkan rantai pasokan yang dapat memenuhi kebutuhan tersebut. Sementara itu, bagaimana masing-masing produsen UAM akan bergerak ke produksi bervariasi. Beberapa, seperti disebutkan di bawah, menyimpan semua produksi di rumah. Beberapa melakukan prototyping in-house tetapi akan mengalihkan produksi tingkat penuh ke mitra. Yang lain telah melibatkan mitra pihak ketiga sejak awal dan akan mempertahankan strategi tersebut ke dalam produksi.

Ada lebih dari 100 perusahaan saat ini bekerja pada pengembangan pesawat UAM untuk taksi udara atau layanan transportasi kargo, tetapi hanya sedikit yang memiliki dana yang cukup untuk memproduksi prototipe terbang atau demonstran. Mereka adalah:Beta Technologies (South Burlington, Vt., AS), EHang (Guangzhou, Cina), Joby Aviation (Santa Cruz, California, AS), Lilium (Munich, Jerman), Pipistrel (Ajdovščina, Slovenia), Volocopter ( Bruchsal, Jerman) dan Wisk (Pemandangan Gunung, California, AS).

Semua pesawat UAM yang diprofilkan di sini memiliki beberapa fitur umum:Pertama, mereka relatif kecil, dengan kapasitas untuk dua hingga empat penumpang, atau massa kargo yang setara. Kedua, hampir semuanya diterbangkan secara otonom. Ketiga, mereka sepenuhnya listrik dan bergantung pada baterai isi ulang untuk penerbangan. Keempat, mereka mengandalkan penggunaan rotor pengangkat yang memungkinkan lepas landas dan mendarat secara vertikal. Tidak semua pabrikan UAM yang tercantum di sini bersedia berbagi dengan CW bagaimana ia menyebarkan komposit pada kerajinannya. Berikut ini adalah ringkasan informasi yang diberikan.

Teknologi Beta

Diam-diam dan cepat bergerak maju adalah Beta Technologies, yang mengembangkan ALIA 250c mengemudikan eVTOL untuk mengangkut hingga lima penumpang. Pesawat ini memiliki empat rotor pengangkat dan satu rotor pendorong. Rotor pengangkat terletak di boom depan dan belakang setiap sayap over-fuselage; rotor pendorong terletak di bagian belakang pesawat di belakang bidang ekor horizontal. Rentang target untuk ALIA 250c berjarak 400 kilometer, dan meskipun dirancang untuk mengangkut penumpang, aplikasi pertama pesawat ini adalah untuk transportasi organ manusia bagi pelanggan peluncuran United Therapeutics.

Pembuatan semua struktur komposit untuk ALIA 250c sedang dilakukan oleh Blue Force Technologies (BFT, Morrisville, N.C., A.S.), yang berspesialisasi dalam desain, teknik, perkakas, pembuatan prototipe, dan produksi suku cadang dan struktur komposit tingkat penuh untuk pasar akhir dirgantara. Shawn Herrmann, VP Future Projects di BFT, mengatakan timnya secara khusus ditantang oleh Beta Technologies, yang memiliki sejumlah ketentuan bobot dan kinerja yang melekat pada ALIA 250c . Dia mengatakan BFT dipandu oleh tiga elemen desain Beta:Fraksi berat struktural minimum yang ketat (dari total berat bidang) sebesar 25%, konfigurasi yang sangat berkontur dengan beberapa antarmuka struktur-ke-struktur yang memerlukan pencampuran aerodinamis, dan struktur yang sangat menyatu. dengan sambungan minimal.

“Beta menuju titik desain jangkauan yang belum pernah dilalui orang lain, dan oleh karena itu kami harus membawa sayap yang besar dan efisien tanpa mengorbankan fraksi berat kosong untuk melayang,” kata Herrmann. “Setiap pon yang dikeluarkan dari struktur dapat digunakan untuk baterai, dan dengan demikian jangkauan yang lebih jauh.”

Untuk membuat pesawat pertama, BFT harus mencapai target bobot agresifnya menggunakan proses yang cocok untuk perkakas lunak, tanpa memberikan kinerja yang signifikan versus prepreg modulus standar curing suhu rendah yang khas. “Kami telah menemukan bahwa dengan menggunakan proses berbasis infus milik kami,” kata Herrmann, “dikombinasikan dengan pendekatan soft-tooling kami, kami dapat membangun seluruh badan pesawat eksperimental [layak terbang] dalam jumlah waktu yang sama yang dibutuhkan untuk membangun perkakas karbon untuk a prototipe berbasis prepreg.”

Herrmann mengatakan BFT telah mengembangkan teknik infus resin untuk struktur primer pada prototipe selama lima tahun terakhir. Dengan ALIA , perusahaan melakukan pengujian bahan dan proses lebih lanjut untuk mengulangi dan meningkatkan teknik infusnya untuk menghasilkan sifat mekanik yang akan mencapai fraksi berat struktural yang dibutuhkan oleh program. Selain itu, ia melakukan ini dengan sistem resin yang hanya membutuhkan penyembuhan suhu kamar dan pasca-perawatan berdiri bebas. Selanjutnya, BFT berusaha untuk membuat ALIA struktur dengan sambungan sesedikit mungkin, yang berarti struktur kesatuan yang panjang — termasuk sayap sepanjang 50 kaki dan dua boom setinggi 35 kaki yang menahan rotor pengangkat.

Sistem resin yang digunakan untuk membuat ALIA pertama , kata Herrmann, dikembangkan sendiri dan dengan demikian bukan merupakan bahan yang memenuhi syarat secara resmi. Ini cukup untuk membuat prototipe, dia mengakui, tetapi sebagai ALIA memasuki produksi, sertifikasi kemungkinan akan memaksa keputusan material dan proses yang berbeda, termasuk potensi pergeseran ke prepreg. “Sertifikasi akan menjadi pendorong utama dalam pemilihan material untuk pesawat produksi,” kata Herrmann. “Pesawat produksi akan terlihat sama dan memiliki bobot yang serupa, tetapi akan menggunakan bahan dan proses yang masuk akal untuk sertifikasi dan produksi tingkat tinggi.”

Pertimbangan lain untuk produksi tingkat penuh — volume yang belum diungkapkan Beta — termasuk aliran material dan proses, serta otomatisasi. BFT telah mulai mengerjakan yang pertama, dan yang terakhir, kata Herrmann, hampir pasti:“Otomasi harus menghasilkan sifat mekanik yang digunakan dalam desain, harus menghasilkan pada tingkat ukuran pabrik dan dengan perkiraan biaya berulang yang minimal, dan harus terbukti dapat diulang dan dapat diandalkan untuk menghasilkan laminasi yang konsisten dengan ukuran cacat dan asumsi kepadatan yang dibuat dalam pendekatan toleransi kerusakan untuk sertifikasi. Kami melihat masa depan produksi tingkat menggunakan berbagai tingkat otomatisasi dalam layup, inspeksi, trim/bor, perakitan, dll.”

Ehang

Mengambil taktik yang sedikit berbeda adalah EHang, yang mengembangkan EHang 216 , sebuah helikopter otonom eVTOL yang dirancang untuk transportasi taksi udara dua penumpang atau kargo (juga disebut logistik udara). Ini fitur delapan rotor koaksial, yang masing-masing dipasang pada lengan struktural yang memanjang secara radial dari bagian bawah badan pesawat. Lengan rotor dapat dilipat secara vertikal untuk memudahkan penyimpanan pesawat. Seperti VoloCity milik Volocopter (lihat di bawah), EHang 216 berdiri di atas selip. Ini memiliki muatan maksimum 220 kilogram dan jangkauan maksimum 35 kilometer.

Video EHang 216 dalam penerbangan sangat banyak, menunjukkan kemampuan pesawat sebagai pengangkut manusia dan kargo. Pada Mei 2020, EHang diberikan apa yang dikatakan perusahaan sebagai persetujuan operasi pilot komersial pertama di dunia dari Administrasi Penerbangan Sipil China untuk menggunakan EHang 216 untuk keperluan logistik udara. Hal ini diikuti pada Juli 2020 dengan pemberian Sertifikat Operasi Penerbangan Khusus yang dikeluarkan oleh Transport Canada Civil Aviation. Ini akan memungkinkan penerbangan uji coba EHang 216 di Québec, Kanada.

Mitra manufaktur strategis EHang — termasuk komposit — untuk EHang 216 adalah fabrikator aerospace FACC AG (Ried im Innkreis, Austria). Baik EHang maupun FACC tidak mau berbagi material komposit atau memproses informasi dengan CW untuk cerita ini, tetapi FACC telah melaporkan bahwa mereka akan bekerja dengan EHang untuk mengoptimalkan pesawat yang sedang dikembangkan dan membantu mengembangkan rencana untuk produksi serial. FACC juga akan membantu sertifikasi, layanan pemeliharaan purnajual, serta penelitian dan pengembangan.

Joby Aviation

Salah satu program AAM dengan profil tertinggi adalah milik Joby Aviation, yang sedang mengembangkan eVTOL helikopter yang dikemudikan yang belum disebutkan namanya untuk transportasi taksi udara hingga empat penumpang. Kerajinan Joby terkenal karena memiliki enam miring rotor. Dua buah rotor dipasang pada setiap sayap badan pesawat, dan dua buah rotor dipasang pada bagian ekor. Pesawat ini berdiri di atas roda pendarat roda tiga, memiliki jangkauan 240 kilometer dan kecepatan maksimum 320 kilometer per jam.

Joby memiliki kemitraan komersial multi-tahun dengan layanan berbagi tumpangan udara Uber Elevate, tetapi mengatakan pihaknya juga mempertimbangkan untuk meluncurkan layanan berbagi tumpangan sendiri. Bagaimanapun, perusahaan menargetkan 2023 untuk masuk ke layanan.

Joby tidak akan membagikan material komposit dan memproses informasi tentang pesawatnya dengan CW untuk cerita ini, tetapi diketahui bahwa Joby telah mengembangkan operasi manufaktur komposit yang signifikan di dan dekat fasilitas Santa Cruz. John Geriguis, pengembangan lanjutan di Joby, mengatakan dalam presentasi di CAMX 2020 bahwa tujuan industrialisasi Joby serupa dengan yang digariskan oleh Pollack Uber, tetapi dibingkai sebagai apa yang ingin dihindari perusahaan dalam operasi manufaktur kompositnya:Sedikit atau tanpa limbah, tanpa bahan kedaluwarsa, tidak ada batas waktu material, tidak ada masalah sumber daya manusia, tidak ada ketergantungan pada variabel manusia, tidak ada inspeksi manusia, dan tidak ada perbaikan setelah pembangunan penuh. Geriguis juga mencatat bahwa meskipun Joby saat ini menggunakan sistem resin termoset, ada peluang untuk mengintegrasikan komposit termoplastik di pesawat generasi mendatang.

Lilium

Lilium yang berbasis di Jerman sedang mengembangkan Lilium Jet , taksi udara eVTOL sayap tetap yang dikemudikan dengan tempat duduk hingga empat penumpang. Meskipun namanya “Jet”, Lilium Jet didukung oleh 36 kipas saluran miring yang dipasang di tepi depan setiap sayap dan sirip ekor horizontal. Ini dirancang untuk layanan antar kota dan memiliki jangkauan 300 kilometer dan kecepatan maksimum 300 kilometer per jam. Lilium telah menguji terbang Lilium Jet , yang dapat dilihat dalam video yang diposting di situs Lilium pada Oktober 2019. Lilium mengumumkan pada Juli kontrak pasokan serat karbon dengan Toray (Tokyo, Jepang). Dalam pengumuman tersebut, Lilium mengatakan Toray akan memasok serat karbon langsung ke Lilium pada awalnya untuk digunakan dalam produksi demonstran teknologi tambahan. Saat Lilium Jet memasuki prototyping dan produksi, Toray akan mengirimkan serat karbon ke pemasok yang akan memproduksi suku cadang komposit untuk Lilium.

Yves Yemsi, chief program officer di Lilium, mengatakan komposit serat karbon akan digunakan di semua struktur utama di Lilium Jet, termasuk badan pesawat, sayap, dan sayap. Umpan balik dan info yang dijanjikan dari Lilium; belum dikirim.

Pipistrel

Agak outlier adalah Pipistrel, yang mengembangkan Nuuva V300 eVTOL otonom, bukan untuk penumpang tetapi untuk kargo udara dan aplikasi logistik udara. Ia menggunakan delapan rotor pengangkat dan satu rotor pendorong dan memiliki muatan maksimum 460 kilogram. Kargo disimpan di dalam badan pesawat, diakses dari samping atau bagian hidung. Pipistrel sedang memproduksi Nuuva V300 pertama prototipe, tetapi perusahaan sudah menerima pesanan produksi dan berencana untuk memproduksi "beberapa ratus" per tahun.

Pipistrel mengatakan memiliki lebih dari 25 tahun pengalaman manufaktur aerostruktur komposit dan berfokus pada pertukaran suku cadang, kemampuan perbaikan lapangan dan proses curing cepat untuk Nuuva V300 . Perusahaan hanya menggunakan prepreg berbasis epoksi, diproses terutama melalui hand layup dan perawatan suhu kamar, dengan perawatan autoklaf sesekali untuk bagian yang lebih kecil. Pipistrel mengatakan akan menggunakan otomatisasi berbasis prepreg di luar autoklaf secara ekstensif saat pesawat memasuki produksi.

Volocopter

Pesawat yang dikembangkan oleh Volocopter, disebut VoloCity , adalah eVTOL helikopter otonom dengan tempat duduk untuk dua penumpang. VoloCity , yang menggunakan selip dan bukan roda pendarat beroda, ditenagai oleh 18 rotor pengangkat, memiliki muatan maksimum 200 kilogram, kecepatan udara maksimum 110 kilometer per jam, dan jangkauan 35 kilometer. VoloCity Rotor disusun pada pelek struktural yang ditambatkan ke bagian atas badan pesawat, dengan 12 rotor terletak pada jarak yang sama pada keliling pelek dan enam lagi pada diameter yang lebih kecil di dalam pelek. Setiap rotor memiliki diameter 2,3 meter; diameter total pelek adalah 11,3 meter. Volocopter menerima reservasi sekarang untuk VoloCity , yang diharapkan akan mulai beroperasi pada tahun 2023.

Volocopter mengatakan sedang menerapkan komposit ke seluruh VoloCity badan pesawat, pesawat rotor dan kursi. Prototipe dan kerajinan demonstran sedang diproduksi oleh mitra fabrikator komposit yang tidak disebutkan namanya menggunakan serat karbon dan serat kaca melalui layup basah. Jenis resin tidak diidentifikasi, tetapi kemungkinan adalah epoksi. Dalam sebuah pernyataan, Volocopter mengatakan telah memilih kombinasi serat/resin yang memenuhi syarat karena, “berdasarkan batasan waktu dan tujuan, penting untuk menggunakan bahan berkualitas yang sesuai dengan kebutuhan kami dan jadwal produksi kami.” Kapan VoloCity memasuki produksi tingkat penuh, Volocopter mengatakan mereka berharap untuk beralih ke prepreg di luar autoklaf, dengan fabrikasi yang disediakan oleh "produsen internasional".

Berapa banyak VoloCity kerajinan Volocopter mengharapkan untuk memproduksi setiap tahun tidak diketahui, tetapi pernyataan dari perusahaan dalam menanggapi permintaan informasi untuk cerita ini menunjukkan "ribuan", menambahkan bahwa, "Yang pasti adalah bahwa kami ingin mencapai tingkat produksi yang lebih dekat dengan produsen mobil. dibandingkan dengan produsen pesawat saat ini.”

Wisk

Wisk, perusahaan patungan Boeing (Seattle, Wash., AS) dan Kitty Hawk (Palo Alto, California, AS), sedang mengembangkan Cora , taksi udara eVTOL sayap tetap otonom dengan tempat duduk untuk dua penumpang. Cora ditenagai oleh 12 rotor pengangkat — tiga terletak di depan dan belakang setiap sayap — dan satu rotor pendorong yang terletak di ujung belakang badan pesawat di depan bagian ekor. Pesawat berdiri di atas roda pendarat beroda tiga. Cora memiliki jangkauan maksimum 40 kilometer dan kecepatan maksimum 160 kilometer per jam.

Wisk mengatakan semua struktur utama di Cora dibuat di rumah dengan komposit menggunakan kombinasi eksklusif resin dan serat. Dalam sebuah pernyataan, Wisk mengatakan bahan berkualitas dipilih karena "umumnya lebih mudah untuk memulai desain dari solusi yang sudah terbukti." Proses pembuatannya adalah tata letak tangan yang dipandu laser dengan konsolidasi di luar autoklaf di bawah kantong vakum. Struktur selesai dinilai dengan pengujian beban batas, termografi dan inspeksi ultrasonik. Saat produksi meningkat, perusahaan mengharapkan untuk mengintegrasikan teknologi otomatisasi untuk memenuhi "tingkat produksi yang saat ini dibayangkan untuk eVTOL." Wisk juga mengatakan mereka mengharapkan untuk mempertahankan produksi internal saat Cora memasuki produksi tingkat penuh, dengan kontraktor menyediakan produksi tambahan sesuai batasan kapasitas.

Tabel 1:Pabrikan UAM, Pesawat Terbang

Produsen/kerajinan

Propulsi

Kontrol

Kapasitas

Maks. jangkauan

Maks. kecepatan

ALIA Teknologi Beta