IIAMS Wing Box: Peta Jalan Sertifikasi

Fig. 7 “Certification process of the modifications for the prototype”, which includes the FTB#2 outer wing. Photo Credit: “Structural Radar Research of Airbus Defense and Space as Clean Sky Partnership” by Manuel Iglesias Vallejo, RubéTejerina Hernanz, Antonio Jiménez, et al., Airbus Defence and Space, 8th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS), July 1-4, 2019.

Sidebar online ini untuk artikel Maret 2021, “Advancing the OOA infused wing box,” memberikan lebih banyak detail mengenai bagaimana proyek Clean Sky 2 seperti IIAMS cocok dalam peta jalan untuk memajukan teknologi liquid resin infusion (LRI) dan thermoplastic composite (TPC) sambil menyelesaikan pekerjaan yang diperlukan untuk mensertifikasinya dalam struktur komposit out-of-autoclave (OOA) untuk generasi pesawat depan.

Airbus DS, FTB#2 dan pesawat turboprop masa depan

Airbus Defence and Space (Airbus DS, Cadiz, Spanyol) memasuki program penelitian dan teknologi Eropa Clean Sky sebagai EADS CASA. Didirikan sebagai Construcciones Aeronáuticas SA pada 1923 di Getafe, Spanyol, CASA memiliki sejarah panjang dalam produksi pesawat dan merupakan salah satu anggota asli Konsorsium Airbus. Situs kedua didirikan di Cadiz pada 1926, dan perusahaan telah menghasilkan 22 model pesawat serta komponen untuk pesawat militer Airbus dan Eurofighter dan untuk komersial pesawat yang diproduksi oleh Airbus dan Boeing.

Clean Sky 1 terdiri dari 7 area proyek — 6 Integrated Technology Demonstrators (ITDs) dan Technology Evaluator. ITDs, masing-masing dipimpin bersama oleh 2 organisasi industri, mencakup segmen berbeda transportasi udara.

Clean Sky 2 terdiri dari 9 area proyek — 3 Innovative Aircraft Demonstrator Platforms (IADPs), 3 ITDs, 2 Transverse Activities, dan Technology Evaluator.

https://www.cleansky.eu/discover

Airbus DS telah berkembang dari co-leader Green Regional Aircraft (GRA) integrated technology demonstrator (ITD) dalam program Clean Sky asli (2008-2017) menjadi co-leader AIRFRAME ITD serta pemimpin flight test bed 2 (FTB#2) dalam REGIONAL integrated aircraft demonstrator platform (IADP) di dalam program lanjutan Clean Sky 2 (2014-2024).

A.E. Jiménez Gahete, dengan Direktorat Struktur dan Desain, Engineering & Technology di Airbus DS, menggambarkan pengembangan FTB#2 dalam artikel Sep 2020 Materiales Compuestos berjudul, “Airbus Defence and Space highly integrated wing box section manufactured by dry fiber placement and liquid resin infusion”. Pekerjaan Airbus DS dalam Clean Sky 2 akan diterapkan pada pesawat turboprop regional militer atau komersial masa depan. Salah satu tujuan utamanya adalah mengembangkan sayap eksternal untuk FTB#2, yang akan memiliki struktur primer komposit OOA, termasuk cover upper wing box yang termoplastik terstabilkan integral dan wing box satu bagian, satu-shot yang dibuat menggunakan automated fiber placement (AFP) dengan pita serat kering dan liquid resin infusion.

Yang terakhir memang struktur yang dikembangkan dan diproduksi oleh MTorres dalam proyek Clean Sky 2 IIAMS, seperti yang dijelaskan dalam artikel Maret 2020 CompositesWorld, “Advancing the OOA infused wing box.” Secara mencolok, wing box tersebut mengintegrasikan kulit bawah, spar depan dan belakang, tetapi tidak menyertakan kulit atas. Jelas dari peta jalan yang diilustrasi di bawah bahwa kulit atas akan menjadi komposit termoplastik.

Tujuan dan latar belakang sayap eksternal FTB#2

“Desain pesawat masa depan akan memerlukan lebih banyak eco-efficiency dalam seluruh siklus hidup,” kata Gahete. Ini harus mencakup:

• Kurang energi untuk produksi komponen
• Kurang limbah bahan primer
• Konsumsi cairan manufaktur dan bahan pendukung yang berkurang
• Daur ulang yang meningkat.

Peningkatan ini adalah faktor kunci dalam pengembangan desain struktur dan proses produksi sayap eksternal FTB#2, bersama dengan target untuk pengurangan bobot (-10%) dan biaya manufaktur serta peningkatan efisiensi produksi.

Komposit termoplastik dan resin infusion keduanya memerankan peran kunci dalam sayap eksternal FTB#2. Komposit termoplastik yang dikonsolidasikan in-situ (ISC TPC) dan dry fiber/resin infusion memungkinkan struktur primer besar diproduksi OOA dengan biaya yang lebih rendah dibandingkan proses autoklav tradisional. Pengelasan termoplastik dan struktur yang sangat terintegrasi yang diinfusi dalam satu shot juga mengurangi dampak penginstalan, penangkal mekanis, pemesinan untuk penangkal tersebut dan inspeksi selama.

Pengembangan teknologi infusi dalam Clean Sky 2 dimulai dengan proyek Clean Sky sebelumnya seperti GRA, ECO-DESIGN, APOLO dan CERTERIN. Sementara itu, ISC TPC telah matang dalam proyek Clean Sky ICARO, TARGET, ECO-DESIGN, dan Green Regional Aircraft-Light Weight (GRA-LW), memungkinkan teknologi ini disertakan dalam demonstrator penerbangan Clean Sky 2 FTB#2.

Fig. 10. Test pyramid. Photo Credit: “Airbus Defence and Space highly integrated wing box section manufactured by dry fiber placement and liquid resin infusion,” by A.E. Jiménez Gahete, Materiales Compuestos Vol. 4, No. 4, pp. 19-26, Sep 2020.

Sertifikasi sayap eksternal FTB#2

Seperti yang dijelaskan oleh Gahete, “Langkah demi langkah kami [Airbus DS] melalui seluruh piramida tes struktur badan pesawat dari sampel hingga tes struktur skala penuh sayap luar.” Hexcel HiTape, UD 210 gram per meter persegi (gsm) dan 12,7-mm lebar dengan veil termoplastik V800E di kedua sisi (berat veil 4 gsm per sisi), diinfus dengan resin epoxy Hexcel HexFlow RTM6 180°C cure, telah sepenuhnya dikarakterisasi, termasuk properti unidirectional dan multi-angular. Hasil tes menunjukkan bahwa material ini berkinerja baik dalam modulus tetapi kurang baik dalam kekuatan dibandingkan epoxy prepreg Hexcel HexPly M21E yang dibuat dengan serat karbon HexTow IMA intermediate, yang digunakan untuk memproduksi kulit sayap, spar dan center wing box untuk Airbus A350. Laminat quasi-isotropik menunjukkan hasil yang baik dibandingkan referensi yang sama.

Gahete menjelaskan bahwa selain sampel untuk karakterisasi material, dan sebelum tes subkomponen detail dan panel untuk mendapatkan allowables desain, demonstrator manufaktur digunakan untuk membantu memvalidasi “fitur desain mana yang dapat diperoleh dengan proses manufaktur yang dipilih.” DEMO1 mengintegrasikan bagian kulit dengan tebal bervariasi, J-spar dengan rib penguat dan dua stringer yang terintegrasi ke dalam kulit dan flange J-spar. Dan DEMO2 — berukuran 3 meter panjang x 0,86 meter lebar x 3,44 meter tinggi — mensimulasikan dimensi keseluruhan wing box luar FTB#2 dan mencakup lima stringer. Gahete mencatat bahwa beberapa penyesuaian proses dilakukan melalui beberapa iterasi sebelum mendapatkan hasil yang berhasil dalam tes bagian struktural.

Fig. 9. Development test matrix for FTB#2 outer wing. Photo Credit: Gahete, Materiales Compuestos Vol. 4, No. 4, pp. 19-26, Sep 2020.

Test matrix detail desain juga telah diselesaikan, termasuk tes samburan petir, run-out stringer dan tes crippling stringer (untuk evaluasi runtuh dan kegagalan). Tes panel subkomponen juga telah diselesaikan dengan hasil positif. Dengan semua piramida tes diselesaikan dengan sukses, dari sampel hingga subkomponen, kata Gahete, hanya tes statis dan fungsional skala penuh sayap luar akhir yang tersisa untuk mendapatkan kualifikasi penerbangan FTB#2. Tes ini direncanakan selesai pada akhir 2021.

FTB#2 sebagai bagian dari pengembangan teknologi cakupan lebih luas

Wing box eksternal hanyalah satu bagian dari FTB#2 yang disediakan Airbus DS. Demonstrator struktural lain — seperti yang dijelaskan dalam kertas 2019, “Structural radar research of Airbus Defense and Space as Clean Sky partnership,” yang ditulis oleh Airbus DS dan diterbitkan oleh European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS) pada 2019 — termasuk cockpit MT1 atau MT2 (lihat gambar di bawah) dengan integrasi struktural tinggi untuk pengurangan bobot dan biaya, leading edge sayap dengan fitur morphing dan full external wing dengan winglet dan flap morphing. (Catatan, yang terakhir sedang dikembangkan melalui proyek Air Green 2 oleh CIRA - Italian Aerospace Research Centre.)

Ilustrasi di bawah ini menunjukkan berbagai penelitian Airbus DS dalam Clean Sky (CS1) dan Clean Sky 2 (CS2), sebagai bagian dari portofolio teknologi yang luas.

Seperti yang juga dijelaskan dalam kertas EUCASS, proyek penelitian ini tidak hanya telah memajukan teknologi komposit tetapi juga pengembangan baru dalam logam, serta additive manufacturing, tooling dan perbaikan:

• Struktur primer yang sangat terintegrasi
  • Laminat solid double-curved multifunctional yang dikeringkan bersama one-shot
  • Integrasi tinggi bulk frames melalui liquid resin infusion (LRI)
    • Solid laminate (lower former FR-9)
    • Stiffened sandwich (forward pressure bulkhead FR-1)
    • Lower skin and spars of FTB#2 wing box
  • Integrasi tinggi melalui thermoplastic in-situ consolidation (ISC)
    • Small curvature (FR-4 of MT1/MT2; upper skin of FTB#2 external wing box)
    • Thermoplastic continuous forming (stringers)
    • High/double curvature (leading edge and cowling)
  • Fuselage frame/wing rib made in hot stamping light alloy sheet
• Struktur sekunder: low-cost TPC dan ALM (additive layer manufacturing) window frames
• Teknologi alat: low-cost composite dan ALM
• Perbaikan dan pemeliharaan
  • Standard repair on highly integrated curved stiffened skin (pre-preg)
  • Thermoplastic ISC co-consolidation and welding
  • RTM-LRI structural items
    • Prepreg patch application
    • Dry material patches plus resin injection
  • Resin injection to fix external multifunctional layers

Jig-less assembly juga telah menjadi penekanan yang berulang, sama seperti memajukan sistem digital 4.0 dan teknologi pengujian baru seperti yang tercantum dalam kertas EUCASS:

• Interferometry (DIC)
  • Multi-impact mid energy testing
  • Vibrational testing
• Thermography
  • NDT application
  • Structural behavior in hot environment
• SHM sensors and measurement techniques
  • Fiber optics FBG (Fiber Bragg Grating)
  • OBR (Optical Backscatter Reflectometry)
  • MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems combining electrical and mechanical components on a single computer chip)
• p-U acoustic (pressure-velocity based in-situ absorption measurement method)

Framework kolaboratif EU untuk sertifikasi

Catatan akhir dari kertas EUCASS dan Gahete adalah kredit yang diberikan pada kolaborasi erat dan pekerjaan yang dilakukan oleh sejumlah mitra kunci Airbus DS termasuk NLR (Netherlands Aerospace Centre), Airborne (The Hague, Belanda), Applus+ Laboratories (Barcelona, Spanyol), MTorres (Torres de Elorz, Spanyol) dan FIDAMC (Getafe, Spanyol), yang terakhir digambarkan sebagai “significantly involved in all the technologies being developed with composite materials and their manufacturing processes.”

Selama beberapa waktu, saya telah mencatat aktivitas dan publikasi dari insinyur Airbus di Getafe dan menulis tentang pekerjaan ISC TPC yang dilakukan oleh FIDAMC dan lainnya. CW juga telah menyoroti kepemimpinan Airbus DS dalam banyak artikel yang ditulis tentang proyek Clean Sky. Namun sampai sekarang, saya tidak memahami seberapa panjang dan terencana strategi Airbus DS, memanfaatkan keterlibatan dan kontribusinya ke program Clean Sky secara maksimal. Sangat logis untuk menyiapkan landasan sertifikasi selama pengembangan demonstrator cockpit dan sayap baru. CW menulis tentang pendekatan yang sama yang diusulkan oleh topik leader Airbus Germany dalam Clean Sky 2 Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD). Dalam hal itu, karakterisasi lengkap low-melt polyaryletherketone (LM PAEK) dalam gabungan las akan dicapai dalam sub-proyek MECATESTERS.

Peta jalan Airbus DS dan ilustrasi radar teknologi struktural yang ditampilkan dalam laporan ini adalah contoh lain bagaimana industri penerbangan dan komposit Eropa bekerja sama untuk siap menghadapi masa depan. Clean Sky 2 terus sukses dengan memberikan industri pesawat dan aero-komposit Eropa visi ambisius dan kerangka kerja yang didanai untuk bekerja sama mencapai target yang jelas. Pekerjaan ini juga akan membantu saat industri berpivote menuju elektrifikasi, hidrogen dan bahan bakar alternatif untuk mengatasi perubahan iklim, dan baik penerbangan maupun komposit memiliki peran kunci dalam pencapaian itu.