新兴城市空中交通市场中的复合航空结构

Jetsons 长期以来一直在流行文化中宣传飞行汽车的想法 1960 年代初期到星球大战的卡通 70 年代的landspeeder，以及最近科幻小说中的许多其他化身。他们都提出的承诺是未来日常交通可以进入第三维度并绕过现代通勤的交通和拥堵。此外，他们假设这种便捷的交通即将来临——这是一项并非不可逾越的技术挑战。今天，近 60 年后Jetsons ，看来我们终于站在了这样一场交通革命的风口浪尖上。

目前，有几个飞机开发项目正处于制造和飞行测试的道路上，旨在在未来五年内帮助简化全球大城市地区的客运和/或货运运输。所有这些飞机都是由电池供电的，并且在很大程度上依赖于复合材料的减重和强度能力。

UAM、AAM、eVTOL

这场交通革命是什么？它有很多名字。它始于电动垂直起降 (eVTOL) 飞机，但有时可能过于具体，因此该行业转向了城市空中交通 (UAM)。 NASA 更喜欢先进的空中机动 (AAM)，它涵盖了很多基地，并消除了该技术以城市为中心的本质——尽管 AAM 非常适合城市环境。

不管名称如何——我们将在这里使用更常见的 UAM——这种类型的飞机旨在执行两种功能之一。一是提供无人驾驶或自主空中出租车服务，将人员从A点运送到B点（直升机场/机场到直升机场/机场），距离为25-400公里，城内或城际。第二个功能是提供类似环境下的自主货物运输。

推动 UAM 的经济学和指标有很多，但并非所有都可以在这里探索（毕马威提供了有关该技术及其背后内容的良好入门），但最大的驱动因素之一是地球的快速城市化。根据联合国的数据，到 2050 年，全球 68% 的人口（约 71 亿人）将生活在城市地区。这将给交通基础设施带来巨大压力，使驾车出行变得越来越困难。预计扩大进入城市空域的旅行将缓解这种压力。因此，新兴的 UAM 市场。

航空质量、汽车数量

不管市场力量和经济状况如何，UAM 制造商已经进入了迄今为止尚未探索的复合材料制造领域。 UAM 飞机要投入使用，必须经过航空旅行管理机构的认证，类似于大型商用飞机的认证方式。在美国是 FAA，在欧洲是 EASA。获得该认证要求飞机满足某些安全和性能指标。使用复合材料来满足认证要求虽然不是微不足道的，但很容易在几种常见的材料和工艺组合中实现。

然而，UAM 制造商也在考虑以数百个甚至数千个单位的全速率生产量。这与波音 787 或空中客车 A350 的每月 8 次制造费用相差甚远。实现这样的速度将需要开发能够重复、可靠和高效地生产高质量、符合规格的飞机结构的过程、过程控制和自动化技术。因此，UAM 制造已成为常见复合材料短语“航空航天质量、汽车数量”的典型代表。

可以预见的是，空中出租车服务的领导者之一是优步，它创建了空中拼车服务 Uber Elevate。 Uber Elevate 已与多家 UAM 制造合作伙伴签订了合同，这些合作伙伴将为该公司制造飞机。其中包括 Aurora Flight Sciences、Bell、Embraer、Hyundai、Jaunt Air Mobility、Joby Aviation、Overair 和 Pipistrel Vertical Solutions。

优步的车辆设计和结构负责人 Mischa Pollack 在 CAMX 2020 的演讲中表示，该公司预计到 2023 年，其服务将在少数几个城市获得初步认证，然后在 2026 年进行扩张，然后在 2028 年大幅扩大规模。到 2035 年，他说，Uber Elevate 预计将在每年需求 10,000 架 UAM 飞机的 50 多个市场提供空中拼车服务。 “这个数字，”他说，“仍然更接近商业航空航天制造率，但我们仍然需要复合材料制造来发展。”

这种进化是什么样子的？ Pollack 的全速生产愿望清单基本上是复合材料行业多年来预期的工业化路线图：高达 4,500 公吨/年的高模量/高强度碳纤维，通过自动胶带和纤维铺放提高自动化，压缩和拉挤工艺的扩展使用，纤维增强增材制造的战略使用，自动粘合和焊接，实时在线检测，很少或没有浪费，增加使用低能耗材料，大量使用回收材料和可持续能源、材料和工艺策略的应用。

幸运的是，复合材料行业还有几年时间来开发能够满足此类需求的供应链。与此同时，每个 UAM 制造商将如何投入生产各不相同。如下所述，有些公司将所有生产都保持在内部。有些正在内部进行原型制作，但会将全速生产转移给合作伙伴。其他人从一开始就与第三方合作伙伴合作，并将在生产中保持该策略。

目前有 100 多家公司致力于开发用于空中出租车或货运服务的 UAM 飞机，但只有少数公司获得了足够的资金来生产飞行原型或演示器。它们是：Beta Technologies（南伯灵顿，美国）、EHang（中国广州）、Joby Aviation（美国加利福尼亚州圣克鲁斯）、Lilium（德国慕尼黑）、Pipistrel（斯洛文尼亚 Ajdovščina）、Volocopter（德国布鲁赫萨尔）和 Wisk（美国加利福尼亚州山景城）。

此处介绍的所有 UAM 飞机都有几个共同特点：首先，它们相对较小，可容纳 2 至 4 名乘客，或同等质量的货物。其次，它们几乎都是自主飞行的。第三，它们是全电动的，飞行时依靠可充电电池。第四，它们依赖于能够垂直起飞和着陆的起重旋翼的使用。并非此处列出的每个 UAM 制造商都愿意与 CW 分享它如何在其工艺上部署复合材料。以下是所提供信息的摘要。

测试版技术

Beta Technologies 正在悄悄而快速地前进，它正在开发 ALIA 250c 搭载 eVTOL，最多可搭载 5 名乘客。这架飞机有四个起重旋翼和一个推进旋翼。起重旋翼位于每个超机身机翼前后的悬臂上；推进旋翼位于水平尾翼后面的飞机后部。 ALIA 250c 的目标范围飞行距离为 400 公里，虽然它的设计目的是载客，但该飞机的首次应用将是为启动客户 United Therapeutics 进行人体器官运输。

为 ALIA 250c 制造所有复合结构由 Blue Force Technologies（BFT，美国北卡罗来纳州莫里斯维尔）执行，该公司专门为航空航天终端市场提供复合材料零件和结构的设计、工程、工具、原型制作和全速生产。 BFT 未来项目副总裁 Shawn Herrmann 表示，他的团队尤其受到 Beta Technologies 的挑战，Beta Technologies 对 ALIA 250c 附加了许多重量和性能规定 .他说 BFT 受到 Beta 设计的三个要素的指导：严格的最小结构重量分数（占总平面重量）为 25%，具有多个结构到结构界面的高度轮廓配置需要空气动力学融合，以及高度统一的结构关节最少。

“Beta 正在寻求其他人从未涉足的范围设计点，因此我们必须携带大型、高效的机翼，同时又不牺牲悬停的空重分数，”赫尔曼说。 “从结构上卸下的每一磅都可以用于电池，因此射程更远。”

为了制造第一架飞机，BFT 必须使用一种适合软模具的工艺来达到其激进的重量目标，同时又不放弃与典型的低温固化标准模量预浸料相比的显着性能。 “我们发现，通过使用我们专有的基于灌注的工艺，”Herrmann 说，“结合我们的软工具方法，我们可以在与构建碳工具所需的相同时间内构建一个完整的实验性 [适航] 机身。基于预浸料的原型。”

Herrmann 说，在过去五年中，BFT 一直在为原型的主要结构开发树脂灌注技术。与ALIA ，该公司进行了进一步的材料和工艺测试，以迭代和增强其灌注技术，以产生将达到该计划所需的结构重量分数的机械性能。此外，它使用仅需要室温固化和独立后固化的树脂系统来做到这一点。此外，BFT 努力制造ALIA 的接头尽可能少的结构，这意味着长的单元式结构——包括 50 英尺长的机翼和两个 35 英尺长的吊臂，用于支撑起重转子。

用于制造第一个 ALIA 的树脂系统 Herrmann 说，是内部开发的，因此不是官方合格的材料。他承认，这对于原型设计来说已经足够了，但作为 ALIA 进入生产，认证可能会迫使不同的材料和工艺决策，包括可能转向预浸料。 “认证将成为生产飞机材料选择的主要驱动力，”赫尔曼说。 “生产的飞机看起来相同，重量相似，但将采用对认证和高速生产有意义的材料和工艺。”

全速生产的其他考虑因素——Beta 尚未披露其数量——包括材料和工艺流程，以及自动化。 BFT 已经开始研究前者，而后者，Herrmann 说，几乎可以肯定：“自动化必须产生用于设计的机械特性，必须按照工厂规模的速度和预测的最低经常性成本进行生产，并且必须证明其具有可重复性和可靠性，以生产与认证的损伤容限方法中做出的缺陷尺寸和密度假设一致的层压板。我们看到了在铺设、检查、修整/钻孔、组装等方面使用各种自动化水平的速率生产的未来。”

亿航

采取略有不同的策略是 EHang，它正在开发 EHang 216 ，一种自主直升机 eVTOL，专为空中出租车运输两名乘客或货物（也称为空中物流）而设计。它具有八个同轴转子，每个转子都安装在从机身底部径向延伸的结构臂上。旋翼臂可以垂直折叠起来，以方便飞机的存放。像 Volocopter 的 VoloCity （见下文），亿航 216 站在滑板上。最大载重量220公斤，最大航程35公里。

亿航 216 飞行中的视频丰富，展示了该飞行器作为人员和货物运输工具的能力。 2020 年 5 月，亿航获得中国民用航空局全球首个使用亿航 216 的商业飞行员运营许可。用于航空物流目的。随后于 2020 年 7 月颁发了加拿大民航运输部颁发的特殊飞行操作证书。这将允许亿航216试飞在加拿大魁北克。

亿航的战略制造合作伙伴——包括复合材料——用于亿航 216 是航空航天制造商 FACC AG（奥地利 Ried im Innkreis）。亿航和FACC都不愿意与CW分享复合材料或加工信息对于这个故事，但 FACC 报道说，它将与亿航合作，优化正在开发的飞机，并帮助制定批量生产计划。 FACC 还将在认证、售后维护服务和研发方面提供帮助。

乔比航空

最引人注目的 AAM 项目之一属于 Joby Aviation，该公司正在开发一种尚未命名的有人驾驶直升机 eVTOL，用于最多可搭载四名乘客的空中出租车运输。 Joby 工艺的显着之处在于它具有六个倾斜转子。每个过机身机翼上安装两个旋翼，尾翼上安装两个旋翼。该艇采用三轮起落架，航程240公里，最高时速320公里。

Joby 与空中拼车服务 Uber Elevate 建立了多年的商业合作伙伴关系，但表示也在考虑推出自己的拼车服务。无论如何，该公司的目标是 2023 年投入使用。

Joby 不会与 CW 分享有关其飞机的复合材料和工艺信息对于这个故事，但众所周知，Joby 在其圣克鲁斯工厂及其附近开发了重要的复合材料制造业务。 Joby 的高级开发人员 John Geriguis 在 CAMX 2020 的一次演讲中表示，Joby 的工业化目标与 Uber 的 Pollack 概述的目标相似，但该公司希望在其复合材料制造业务中避免：很少或没有浪费，没有材料到期，没有材料超时限制，没有人力资源问题，不依赖于人为变量，没有人为检查，完全构建后没有维修。 Geriguis 还指出，虽然 Joby 目前使用的是热固性树脂系统，但仍有机会在未来几代飞机中集成热塑性复合材料。

百合

德国的 Lilium 正在开发 Lilium Jet ，一种可容纳多达 4 名乘客的有人驾驶固定翼 eVTOL 空中出租车。尽管名称中有“Jet”，Lilium Jet 由安装在每个机翼前缘和水平尾翼上的 36 个倾斜管道风扇提供动力。它专为城际服务而设计，航程为 300 公里，最高时速为 300 公里。 Lilium 对 Lilium Jet 进行了飞行测试，可以在 2019 年 10 月在 Lilium 网站上发布的视频中查看。 Lilium 于 7 月宣布与 Toray（日本东京）签订碳纤维供应合同。在公告中，Lilium 表示，东丽将直接向 Lilium 供应碳纤维，最初用于生产额外的技术演示器。当Lilium Jet 进入原型制作和生产阶段，东丽将向为 Lilium 制造复合材料部件的供应商提供碳纤维。

Lilium 的首席项目官 Yves Yemsi 表示，碳纤维复合材料将用于 Lilium Jet 的所有主要结构，包括机身、机翼和襟翼。 Lilium 承诺的反馈和信息；尚未交付。

Pipistrel

有点异常的是 Pipistrel，它正在开发 Nuuva V300 自主 eVTOL，不是用于乘客，而是用于航空货运和航空物流应用。它使用八个起重转子和一个推动转子，最大有效载荷为460公斤。货物存放在机身内，可从侧面或机头部分进入。 Pipistrel 正在生产第一台 Nuuva V300 原型，但该公司已经在接受生产订单，并计划每年生产“数百个”。

Pipistrel 表示，它在制造复合材料航空结构方面拥有超过 25 年的经验，并专注于 Nuuva V300 的零件可更换性、现场可修复性和快速固化工艺 .该公司仅使用基于环氧树脂的预浸料，主要通过手糊和室温固化进行加工，偶尔对较小的部件进行高压釜固化。 Pipistrel 表示，它希望在飞机投入生产时广泛使用非高压釜、基于预浸料的自动化。

直升机

由 Volocopter 开发的飞行器，称为 VoloCity , 是一架可容纳两名乘客的自主直升机 eVTOL。 VoloCity 使用滑橇代替轮式起落架，由 18 个起重旋翼提供动力，最大有效载荷为 200 公斤，最大空速为每小时 110 公里，航程为 35 公里。 VoloCity 的转子布置在固定在机身顶部的结构轮辋上，12 个转子等距位于轮辋的圆周上，另外 6 个转子在轮辋内部的较小直径上。每个转子的直径为2.3米；轮辋总直径为11.3米。 Volocopter 正在接受 VoloCity 的预订，它希望在 2023 年投入使用。

Volocopter 表示它正在将复合材料应用于整个 VoloCity 机身、旋翼飞机和座椅。原型和演示工艺由一家未具名的复合材料制造商合作伙伴通过湿法叠层使用碳纤维和玻璃纤维制造。树脂类型未确定，但可能是环氧树脂。在一份声明中，Volocopter 表示它选择了一种合格的纤维/树脂组合，因为“基于时间限制和目标，使用符合我们需求和生产时间表的合格材料非常重要。”当VoloCity 进入全速生产，Volocopter 表示它希望转向非高压釜预浸料，由“国际制造商”提供制造。

多少个VoloCity 工艺 Volocopter 预计每年生产是未知的，但该公司在回应对这个故事的信息请求的声明表明“数千”，并补充说，“但可以肯定的是，我们希望实现更接近汽车制造商的生产率比目前的飞机制造商。”

威斯克

Wisk 是波音（美国华盛顿州西雅图）和 Kitty Hawk（美国加利福尼亚州帕洛阿尔托）的合资企业，正在开发 Cora ，一种可容纳两名乘客的自主固定翼 eVTOL 空中出租车。科拉由 12 个起重旋翼提供动力——三个位于每个机翼的前后——还有一个推进旋翼位于机身尾部的尾部前面。飞机站在三轮起落架上。科拉最大射程40公里，最高时速160公里。

Wisk 说 Cora 上的所有主要结构由使用树脂和纤维的专有组合的复合材料在内部制造。 Wisk 在一份声明中表示，之所以选择合格的材料，是因为“从已经过验证的解决方案开始设计通常更容易。”制造过程是激光引导的手糊，在真空袋下进行高压釜外固结。完成的结构通过极限载荷测试、热成像和超声波检查进行评估。随着产量的增加，该公司希望整合自动化技术以满足“目前为 eVTOL 设想的生产率”。 Wisk 还表示，它希望在 Cora 进入全速生产，承包商根据产能限制提供补充生产。

表 1：UAM 制造商、飞机

制造商/工艺

推进

控件

容量

最大。范围

最大。速度

Beta Technologies 的 ALIA