Memajukan Struktur Aerodinamika Komposit untuk Mobilitas Udara Perkotaan

Ide mobil terbang telah lama diumumkan dalam budaya populer, dari kartun Jetsons pada awal 1960-an hingga landspeeder Star Wars pada tahun 1970-an, dan banyak inkarasi lain dalam sains fiksi yang lebih baru. Janji yang mereka sampaikan semua adalah masa depan di mana transportasi harian dapat memasuki dimensi ketiga dan melewati macet dan kemacetan yang merupakan perjalanan modern. Selain itu, asumsi mereka adalah bahwa transportasi yang mudah itu di depan pintu — tantangan teknis yang tidak sulit diatasi. Hari ini, hampir 60 tahun setelah Jetsons, sepertinya kita akhirnya di ambang revolusi transportasi seperti itu.

Saat ini, ada beberapa program pengembangan pesawat yang jauh di jalur manufaktur dan uji penerbangan yang bertujuan untuk membantu memudahkan transportasi penumpang dan/atau kurir di area perkotaan besar di seluruh dunia dalam lima tahun ke depan. Semua pesawat ini baterai daya dan sangat bergantung pada kekuatan penghemat bobot dan pemberi kekuatan dari komposit.

Memajukan Struktur Aerodinamika Komposit untuk Mobilitas Udara Perkotaan

UAM, AAM, eVTOL

Apa itu revolusi transportasi? Ini disebut dengan banyak nama. Ini dimulai dengan pesawat takeoff dan landing vertikal listrik (eVTOL), tetapi ini terlalu spesifik terkadang, jadi industri beralih ke mobilitas udara perkotaan (UAM). NASA memilih advanced air mobility (AAM), yang mencakup banyak dasar dan menghilangkan sifat yang difokuskan perkotaan dari teknologi ini — meskipun AAM sangat dirancang untuk lingkungan perkotaan.

Terlepas dari nama — kami akan menggunakan UAM yang lebih umum di sini — pesawat jenis ini dirancang untuk melakukan salah satu dari dua fungsi. Satu adalah untuk menyediakan layanan air taxi pilot atau otonom, mengangkut orang dari titik A ke titik B (heliport/pesawat terbang-ke-heliport/pesawat terbang) dalam jarak 25-400 kilometer, intracity atau intercity. Fungsi kedua adalah untuk menyediakan transportasi kurir otonom dalam lingkungan serupa.

Ekonomi dan metrik yang mendorong UAM sangat banyak, dan tidak semua dapat dijelaskan di sini (KPMG menawarkan primer yang baik tentang teknologi dan apa yang di baliknya), tetapi salah satu driver terbesar adalah urbanisasi cepat planet. Pada 2050, menurut PBB, 68% populasi dunia — sekitar 7,1 miliar orang — akan tinggal di area perkotaan. Ini akan memberikan tekanan besar pada infrastruktur transportasi, membuat perjalanan dengan mobil semakin sulit. Memperluas perjalanan ke ruang udara di atas kota diharapkan dapat mengurangi tekanan itu. Hence the burgeoning UAM market.

Kualitas Penerbangan, Kuantitas Otomotif

Terlepas dari kekuatan pasar dan ekonomi, produsen UAM telah memasuki wilayah fabrikasi komposit yang sebelumnya belum dieksplorasi. Pesawat UAM, untuk masuk layanan, harus disertifikat oleh otoritas yang mengatur penerbangan udara, serupa dengan cara pesawat komersial besar disertifikat. Di AS itu FAA dan di Eropa itu EASA. Menerima sertifikasi itu memerlukan pesawat memenuhi metrik keselamatan dan performa tertentu. Penggunaan komposit untuk memenuhi persyaratan sertifikasi, meskipun tidak sederhana, mudah berada dalam jangkauan beberapa kombinasi bahan dan proses umum.

Namun, produsen UAM juga mempertimbangkan volume produksi penuh dalam ratusan unit, jika tidak ribuan. Ini jauh dari tarif delapan per bulan untuk manufaktur Boeing 787 atau Airbus A350. Mencapai tarif seperti itu akan membutuhkan pengembangan teknologi proses, kontrol proses dan otomasi yang dapat secara berulang, andal dan efisien memproduksi struktur aerodinamika berkualitas tinggi, on-spec. Jadi, manufaktur UAM telah menjadi poster child untuk frasa komposit umum, “Kualitas Penerbangan, Kuantitas Otomotif.”

Salah satu pemimpin layanan air taxi adalah, tentu saja, Uber, yang telah menciptakan Uber Elevate, layanan berbagi penerbangan udara. Uber Elevate telah berkontrak dengan 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, vehicle design and structures lead di Uber, mengatakan selama presentasi CAMX 2020 bahwa perusahaan mengantisipasi sertifikasi awal layanannya di beberapa kota pada 2023, diikuti oleh ekspansi pada 2026 dan kemudian peningkatan skala yang signifikan pada 2028. Pada 2035, katanya, Uber Elevate mengharapkan memiliki layanan berbagi penerbangan udara di lebih dari 50 pasar dengan permintaan untuk 10.000 pesawat UAM per tahun. “Angka ini,” katanya, “masih lebih dekat dengan tarif manufaktur penerbangan komersial, tetapi kita masih perlu manufaktur komposit untuk berevolusi.”

Apa yang terlihat seperti evolusi tersebut? Daftar keinginan produksi penuh Pollack pada dasarnya adalah roadmap ke industrialisasi yang diantisipasi oleh industri komposit selama beberapa tahun: Hingga 4.500 metrik ton per tahun serat karbon modulus tinggi/kekuatan tinggi, otomatisasi yang meningkat melalui penempatan tape dan serat otomatis, penggunaan yang diperluas proses kompresi dan pultrusion, penggunaan strategis manufaktur aditif yang diuat serat, bonding dan welding otomatis, inspeksi inline real-time, sedikit atau tidak ada limbah, penggunaan yang meningkat bahan energi terendah, penggunaan yang signifikan bahan daur ulang dan aplikasi strategi energi, bahan dan proses berkelanjutan.

Untungnya, industri komposit masih memiliki beberapa tahun untuk mengembangkan rantai pasok yang dapat memenuhi kebutuhan tersebut. Sementara itu, bagaimana setiap produsen UAM akan beralih ke produksi bervariasi. Beberapa, seperti yang disebutkan di bawah ini, mempertahankan semua produksi internal. Beberapa melakukan prototipe internal tetapi akan mengalihkan produksi penuh ke mitra. Lainnya telah terlibat mitra pihak ketiga sejak awal dan akan mempertahankan strategi itu ke dalam produksi.

Saat ini ada lebih dari 100 perusahaan yang bekerja pada pengembangan pesawat UAM untuk layanan air taxi atau transportasi kurir, tetapi hanya sedikit yang cukup didanai untuk memproduksi prototipe atau demonstrator terbang. Mereka adalah: Beta Technologies (South Burlington, Vermont, AS), EHang (Guangzhou, Tiongkok), Joby Aviation (Santa Cruz, California, AS), Lilium (Munich, Jerman), Pipistrel (Ajdovščina, Slovenia), Volocopter (Bruchsal, Jerman) dan Wisk (Mountain View, California, AS).

Semua pesawat UAM yang di profil di sini memiliki beberapa fitur umum: Pertama, mereka relatif kecil, dengan kapasitas untuk dua sampai empat penumpang, atau massa setara kurir. Kedua, hampir semuanya terbang secara otonom. Ketiga, mereka sepenuhnya listrik dan bergantung pada baterai rechargeable untuk penerbangan. Keempat, mereka bergantung pada penggunaan rotor pengangkat yang memungkinkan takeoff dan landing vertikal. Tidak semua produsen UAM yang terdaftar di sini bersedia berbagi dengan CW bagaimana cara mereka menerapkan komposit pada pesawat mereka. Berikut adalah ringkasan informasi yang diberikan.

Beta Technologies

Bergerak dengan cepat dan diam-diam adalah Beta Technologies, yang mengembangkan ALIA 250c piloted eVTOL untuk transportasi hingga lima penumpang. Pesawat ini memiliki empat rotor pengangkat dan satu rotor dorong. Rotor pengangkat terletak pada bom di depan dan belakang setiap sayap di atas fuselage; rotor dorong terletak di belakang pesawat di belakang horizontal tailplane. Jarak sasaran untuk ALIA 250c adalah 400 kilometer, dan meskipun dirancang untuk membawa penumpang, aplikasi pertama pesawat ini akan menjadi transportasi organ manusia untuk pelanggan peluncuran United Therapeutics.

Pembuatan semua struktur komposit untuk ALIA 250c dilakukan oleh Blue Force Technologies (BFT, Morrisville, North Carolina, AS), yang spesialisasi dalam desain, rekayasa, alat, prototipe dan produksi penuh bagian dan struktur komposit untuk pasar akhir penerbangan. Shawn Herrmann, VP Future Projects di BFT, mengatakan timnya terutama ditantang oleh Beta Technologies, yang memiliki sejumlah ketentuan bobot dan performa yang diatribusikan ke ALIA 250c. Dia mengatakan BFT dipandu oleh tiga elemen desain Beta: fraksi bobot struktural minimum yang ketat (dari total bobot pesawat) sebesar 25%, konfigurasi yang sangat berkontur dengan banyak antarmuka struktur-ke-struktur yang memerlukan blending aerodinamis, dan struktur yang sangat terintegrasi dengan persilangan minimal.

“Beta menargetkan titik desain jarak jauh yang tidak pernah dicoba orang lain, dan oleh karena itu kita harus membawa sayap besar dan efisien tanpa mengorbankan fraksi bobot kosong untuk hover,” kata Herrmann. “Setiap pon yang dihilangkan dari struktur dapat pergi ke baterai, dan jarak jauh lebih panjang.”

Untuk memproduksi pesawat pertama, BFT harus mencapai target bobot agresif menggunakan proses yang cocok untuk alat lembut, tanpa mengorbankan performa signifikan dibandingkan prepreg modulus standar curing suhu rendah. “Kami menemukan bahwa dengan menggunakan proses infusi milik kami,” kata Herrmann, “dibuat dengan pendekatan alat lembut kami, kami dapat membangun seluruh kerangka uji [layak penerbangan] dalam waktu yang sama yang diperlukan untuk membangun alat karbon untuk prototipe berbasis prepreg.”

Herrmann mengatakan BFT telah mengembangkan teknik infusi resin untuk struktur primer pada prototipe selama lima tahun terakhir. Dengan ALIA, perusahaan melakukan pengujian bahan dan proses lebih lanjut untuk mengiterasi dan meningkatkan teknik infusinya untuk menghasilkan properti mekanis yang akan mencapai fraksi bobot struktural yang diharuskan oleh program. Selain itu, itu dilakukan dengan sistem resin yang hanya memerlukan curing suhu kamar dan post-cure mandiri. Selain itu, BFT berusaha untuk memproduksi struktur ALIA dengan persilangan sebanyak mungkin, yang berarti struktur terintegrasi panjang — termasuk sayap 50 kaki dan dua bom 35 kaki yang menahan rotor pengangkat.

Sistem resin yang digunakan untuk memproduksi ALIA pertama, kata Herrmann, dikembangkan secara internal dan sehingga bukan bahan yang resmi terkuifikasi. Ini cukup untuk prototipe, dia mengakui, tetapi saat ALIA memasuki produksi, sertifikasi kemungkinan akan memaksa keputusan bahan dan proses yang berbeda, termasuk pergantian potensial ke prepreg. “Sertifikasi akan menjadi driver utama dalam pemilihan bahan 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 penuh — volume dari yang belum diungkapkan oleh Beta — meliputi bahan dan alur proses, serta otomatisasi. BFT telah mulai bekerja pada yang pertama, dan yang kedua, kata Herrmann, hampir pasti: “Otomatisasi harus menghasilkan properti mekanis yang digunakan dalam desain, harus menghasilkan pada tarif yang ditargetkan pabrik dan dengan biaya rutin minimal yang diharapkan, dan harus terbukti dapat diulang dan andal untuk menghasilkan laminat yang konsisten dengan asumsi ukuran dan kepadatan cacat dalam pendekatan toleransi kerusakan untuk sertifikasi. Kami melihat masa depan produksi tingkat tarif dengan berbagai tingkat otomatisasi dalam layup, inspeksi, trim/drill, assembly, dan sebagainya.”

EHang

Mengambil pendekatan yang sedikit berbeda adalah EHang, yang mengembangkan EHang 216, otonom helicopter eVTOL yang dirancang untuk transportasi air taxi dua penumpang atau kurir (juga disebut air logistics). Ini memiliki delapan rotor coaksial, masing-masing dipasang pada lengan struktural yang membentang radial dari bawah fuselage. Lengan rotor dapat dilipat secara vertikal untuk memfasilitasi penyimpanan pesawat. Seperti VoloCity milik Volocopter (lihat di bawah), EHang 216 berdiri pada pelana. Ini memiliki payload maksimal 220 kilogram dan jarak maksimal 35 kilometer.

Video EHang 216 terbang banyak, menunjukkan kemampuan pesawat sebagai penumpang dan pengangkut kurir. Pada Mei 2020, EHang diberikan apa yang menurut perusahaan adalah izin operasi pilot komersial pertama di dunia dari Civil Aviation Administration of China untuk menggunakan EHang 216 untuk tujuan air logistics. Ini diikuti pada Juli 2020 oleh pemberian Special Flight Operations Certificate yang dikeluarkan oleh Transport Canada Civil Aviation. Ini akan memungkinkan uji penerbangan EHang 216 di Québec, Kanada.

Mitra manufaktur strategis EHang — termasuk komposit — untuk EHang 216 adalah pembuat pesawat penerbangan FACC AG (Ried im Innkreis, Austria). Tidak EHang atau FACC bersedia berbagi informasi bahan komposit atau pemrosesan dengan CW untuk cerita ini, tetapi FACC telah melaporkan bahwa akan bekerja sama dengan EHang untuk mengoptimalkan pesawat yang sedang dikembangkan dan membantu mengembangkan rencana untuk produksi serangkaian. FACC juga akan membantu dengan sertifikasi, layanan pemeliharaan pasca penjualan dan penelitian dan pengembangan.

Joby Aviation

Salah satu program AAM tertinggi milik Joby Aviation, yang mengembangkan helicopter eVTOL piloted yang belum dinamai untuk transportasi air taxi hingga empat penumpang. Pesawat Joby menonjol karena memiliki enam tiltrotors. Dua rotor dipasang pada setiap sayap di atas fuselage, dan ada dua yang dipasang pada ekor. Pesawat ini berdiri pada landing gear tiga roda, memiliki jarak 240 kilometer dan kecepatan maksimal 320 kilometer per jam.

Joby memiliki partnerstwo komersial multi-tahun dengan layanan berbagi penerbangan udara Uber Elevate, tetapi mengatakan juga mempertimbangkan untuk meluncurkan layanan berbagi penerbangan sendiri. Dalam hal ini, perusahaan menargetkan 2023 untuk masuk layanan.

Joby tidak akan berbagi informasi bahan komposit dan proses tentang pesawat mereka dengan CW untuk cerita ini, tetapi diketahui bahwa Joby telah mengembangkan operasi manufaktur komposit yang signifikan di dan di dekat fasilitas Santa Cruz mereka. John Geriguis, advanced development di Joby, mengatakan dalam presentasi di CAMX 2020 bahwa tujuan industrialisasi Joby serupa dengan yang diuraikan oleh Pollack milik Uber, tetapi diformulasikan sebagai apa yang ingin dihindari perusahaan dalam operasi manufaktur komposit mereka: sedikit atau tidak ada limbah, tidak ada kedaluwarsa bahan, tidak ada batas waktu bahan, tidak ada masalah sumber daya manusia, tidak ada ketergantungan pada variabel manusia, tidak ada inspeksi manusia dan tidak ada perbaikan setelah pembuatan penuh. Geriguis juga mencatat bahwa meskipun Joby saat ini menggunakan sistem resin termo set, ada kesempatan untuk integrasi komposit termoplastik di generasi pesawat mendatang.

Lilium

Lilium berbasis Jerman mengembangkan Lilium Jet, air taxi eVTOL fixed-wing piloted dengan kursi hingga empat penumpang. Meskipun “Jet” dalam namanya, Lilium Jet diproyeksi oleh 36 ducted fans yang miring dipasang pada tepi depan setiap sayap dan horizontal tail fin. Ini dirancang untuk layanan antar kota dan memiliki jarak 300 kilometer dan kecepatan maksimal 300 kilometer per jam. Lilium telah melakukan uji penerbangan 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, Lilium mengatakan Toray akan menyediakan serat karbon langsung ke Lilium awalnya untuk digunakan dalam produksi demonstrator teknologi tambahan. Saat Lilium Jet memasuki prototipe dan produksi, Toray akan mengirim serat karbon ke mitra yang akan memproduksi bagian komposit untuk Lilium.

Yves Yemsi, chief program officer di Lilium, mengatakan komposit serat karbon akan digunakan di semua struktur primer pada Lilium Jet, termasuk fuselage, sayap dan flap. Feedback dan info yang dijanjikan dari Lilium; belum terkirim.

Pipistrel

Sekolah luar biasa adalah Pipistrel, yang mengembangkan Nuuva V300 otonom eVTOL, bukan untuk penumpang tetapi untuk aplikasi air cargo dan air logistics. Ini menggunakan delapan rotor pengangkat dan satu rotor dorong dan memiliki payload maksimal 460 kilogram. Kurir disimpan di dalam fuselage, diakses dari sisi atau bagian hidung. Pipistrel sedang memproduksi prototipe pertama Nuuva V300, tetapi perusahaan sudah menerima pesanan produksi dan berencana memproduksi “ratusan” per tahun.

Pipistrel mengatakan memiliki lebih dari 25 tahun pengalaman memproduksi struktur aerodinamika komposit dan fokus pada pertukaran bagian, perbaikan lapangan yang cepat dan proses curing cepat untuk Nuuva V300. Perusahaan hanya menggunakan prepreg berbasis epoksi, diproses terutama melalui layup tangan dan curing suhu kamar, dengan curing autoclav sesekali untuk bagian yang lebih kecil. Pipistrel mengatakan berharap menggunakan otomatisasi berbasis prepreg out-of-autoclave secara luas saat pesawat memasuki produksi.

Volocopter

Pesawat yang dikembangkan oleh Volocopter, disebut VoloCity, adalah otonom helicopter eVTOL dengan kursi untuk dua penumpang. VoloCity, yang menggunakan pelana daripada landing gear berbasis roda, diproyeksi oleh 18 rotor pengangkat, memiliki payload maksimal 200 kilogram, kecepatan udara maksimal 110 kilometer per jam dan jarak 35 kilometer. Rotor VoloCity diatur pada rim struktural yang diancur di atas fuselage, dengan 12 rotor terletak berjarak sama pada keliling rim dan enam lagi pada diameter yang lebih kecil di dalam rim. Setiap rotor memiliki diameter 2,3 meter; diameter total rim adalah 11,3 meter. Volocopter menerima reservasi sekarang untuk VoloCity, yang diharap akan masuk layanan pada 2023.

Volocopter mengatakan menerapkan komposit pada seluruh kerangka pesawat VoloCity, bidang rotor dan kursi. Prakarya dan demonstrator sedang diproduksi oleh mitra pembuat komposit yang tidak disebut nama menggunakan serat karbon dan serat kaca melalui layup basah. Jenis resin tidak diidentifikasi, tetapi kemungkinan epoksi. Dalam pernyataan, Volocopter mengatakan telah memilih kombinasi serat/resin yang terkuifikasi karena, “berdasarkan keterbatasan waktu dan tujuan, penting untuk menggunakan bahan yang terkuifikasi yang sesuai dengan kebutuhan dan jadwal produksi kami.” Saat VoloCity memasuki produksi penuh, Volocopter mengatakan berharap beralih ke prepreg out-of-autoclave, dengan fabrikasi yang disediakan oleh “produsen internasional.”

Berapa banyak pesawat VoloCity yang diharapkan diproduksi Volocopter setiap tahun tidak diketahui, tetapi pernyataan dari perusahaan sebagai respons atas permintaan informasi untuk cerita ini menyarankan “ribuan,” menambahkan bahwa, “Yang pasti adalah bahwa kami berupaya mencapai tarif produksi yang lebih dekat dengan produsen mobil daripada produsen pesawat saat ini.”

Wisk

Wisk, joint venture Boeing (Seattle, Washington, AS) dan Kitty Hawk (Palo Alto, California, AS), mengembangkan Cora, air taxi eVTOL fixed-wing otonom dengan kursi untuk dua penumpang. Cora diproyeksi oleh 12 rotor pengangkat — tiga terletak di depan dan belakang setiap sayap — dan satu rotor dorong terletak di ujung belakang fuselage di depan bagian ekor. Pesawat berdiri pada landing gear tiga roda. Cora memiliki jarak maksimal 40 kilometer dan kecepatan maksimal 160 kilometer per jam.

Wisk mengatakan semua struktur primer pada Cora diproduksi secara internal dengan komposit menggunakan kombinasi miliknya antara resin dan serat. Dalam pernyataan, Wisk mengatakan bahan terkuifikasi dipilih karena “biasanya lebih mudah untuk memulai desain dari solusi yang sudah terbukti.” Proses manufaktur adalah layup tangan yang dipandu laser dengan konsolidasi out-of-autoclave di bawah vacuum bag. Struktur yang selesai dievaluasi dengan uji beban batas, termografi dan inspeksi ultrasonik. Saat produksi meningkat, perusahaan berharap mengintegrasikan teknologi otomatisasi untuk memenuhi “tarif produksi yang saat ini diantisipasi untuk eVTOLs.” Wisk juga mengatakan berharap mempertahankan manufaktur internal saat Cora memasuki produksi penuh, dengan kontraktor menyediakan produksi tambahan sesuai keterbatasan kapasitas.

Table 1: Produsen UAM, Pesawat

Produsen/pesawat

Propulsi

Kontrol

Kapasitas

Jarak maks.

Kecepatan maks.

Beta Technologies’ ALIA