신흥하는 도시 항공 이동성 시장의 복합 항공 구조

하늘을 나는 자동차에 대한 아이디어는 Jetsons의 대중 문화에서 오랫동안 예고되어 왔습니다. 1960년대 초 스타워즈 만화 70년대의 랜드스피더, 그리고 최근의 공상과학 소설의 다른 많은 화신. 그들이 내놓은 약속은 매일의 교통수단이 3차원으로 진입하여 현대의 통근인 교통체증과 교통체증을 우회할 수 있는 미래입니다. 더욱이, 그들의 가정은 그러한 쉬운 운송이 극복할 수 없는 기술적 과제인 모퉁이를 돌면 있다는 것이었습니다. 오늘날 Jetson 이후 거의 60년 , 마침내 우리는 그러한 운송 혁명의 정점에 있는 것 같습니다.

현재 제조 및 비행 테스트 경로를 따라 앞으로 5년 이내에 전 세계의 대도시 지역에서 승객 및/또는 화물 운송을 용이하게 하는 것을 목표로 하는 여러 항공기 개발 프로그램이 있습니다. 이 모든 항공기는 배터리로 구동되며 무게를 줄이고 강도를 높이는 합성 소재의 힘에 크게 의존합니다.

UAM, AAM, eVTOL

이 교통 혁명은 무엇입니까? 그것은 많은 이름으로 통합니다. 그것은 전기 수직 이착륙(eVTOL) 항공기로 시작했지만 때때로 너무 구체적일 수 있으므로 업계는 도시 항공 이동성(UAM)으로 전환했습니다. NASA는 AAM이 도시 환경을 위해 많이 설계되었다는 사실에도 불구하고 많은 기지를 커버하고 기술의 도시 중심적인 특성을 없애는 AAM(Advanced Air Mobility)을 선호합니다.

이름에 관계없이(여기서 더 일반적인 UAM을 사용하겠습니다) 이 장르의 항공기는 두 가지 기능 중 하나를 수행하도록 설계되었습니다. 하나는 도시 내 또는 도시 간 25-400km 거리에 걸쳐 A 지점에서 B 지점(헬리포트/공항-헬리포트/공항)으로 사람들을 운송하는 파일럿 또는 자율 항공 택시 서비스를 제공하는 것입니다. 두 번째 기능은 유사한 환경에서 자율 화물 운송을 제공하는 것입니다.

UAM을 주도하는 경제 및 지표는 다양하며 여기에서 모든 것을 탐색할 수 있는 것은 아니지만(KPMG는 기술과 그 이면에 있는 내용에 대한 좋은 입문서를 제공합니다), 가장 큰 동인 중 하나는 지구의 급속한 도시화입니다. UN에 따르면 2050년까지 세계 인구의 68%인 약 71억 명이 도시 지역에 살게 될 것이라고 합니다. 이는 교통 인프라에 상당한 부담을 주어 자동차 여행을 점점 더 어렵게 만들 것입니다. 도시 상공으로의 여행을 확대하면 이러한 압박이 완화될 것으로 예상됩니다. 따라서 UAM 시장이 급성장하고 있습니다.

항공우주 품질, 자동차 수량

시장의 힘과 경제에 관계없이 UAM 제조업체는 지금까지 탐험되지 않은 복합 재료 제조 영역에 진입했습니다. UAM 항공기가 서비스에 진입하려면 대형 상업용 항공기가 인증되는 것과 유사하게 항공 여행을 관장하는 당국의 인증을 받아야 합니다. 미국에서는 FAA, 유럽에서는 EASA입니다. 해당 인증을 획득하려면 항공기가 특정 안전 및 성능 기준을 충족해야 합니다. 인증 요구 사항을 충족하기 위해 복합 재료를 사용하는 것은 사소하지 않지만 몇 가지 일반적인 재료 및 프로세스 조합에 쉽게 도달할 수 있습니다.

그러나 UAM 제조업체는 수천 개는 아니더라도 수백 개 단위의 최대 생산량을 고려하고 있습니다. 이는 보잉 787이나 에어버스 A350을 월 8회 생산하는 것과는 거리가 멀다. 이러한 속도를 달성하려면 고품질의 사양에 맞는 항공 구조를 반복 가능하고 안정적이며 효율적으로 생산할 수 있는 공정, 공정 제어 및 자동화 기술의 개발이 필요합니다. 따라서 UAM 제조는 "항공우주 품질, 자동차 수량"이라는 일반적인 합성 문구의 포스터 자식이 되었습니다.

항공 택시 서비스의 선두 주자 중 하나는 예상대로 Uber이며, 항공 승차 공유 서비스인 Uber Elevate를 만들었습니다. Uber Elevate는 회사를 위해 항공기를 제작할 여러 UAM 제조 파트너와 계약을 맺었습니다. 여기에는 Aurora Flight Sciences, Bell, Embraer, Hyundai, Jaunt Air Mobility, Joby Aviation, Overair 및 Pipistrel Vertical Solutions가 포함됩니다.

Uber의 차량 설계 및 구조 책임자인 Mischa Pollack은 CAMX 2020 프레젠테이션에서 회사가 2023년까지 일부 도시에서 서비스의 초기 인증을 받은 후 2026년에 확장하고 2028년에 상당한 규모로 확장할 것으로 예상한다고 말했습니다. 2035년까지, 그는 Uber Elevate는 연간 10,000 UAM 항공기 수요와 함께 50개 이상의 시장에서 항공 승차 공유 서비스를 제공할 것으로 기대한다고 말했습니다. 그는 "이 수치는 여전히 상업용 항공우주 제조율에 가깝지만 진화하려면 복합재 제조가 여전히 필요합니다."라고 말했습니다.

그러한 진화는 어떤 모습입니까? Pollack의 최대 생산 희망 목록은 기본적으로 복합 재료 산업이 몇 년 동안 예상한 산업화 로드맵입니다. 연간 최대 4,500미터톤의 고탄성률/고강도 탄소 섬유, 자동화된 테이프 및 섬유 배치를 통한 자동화 증가 , 압축 및 인발 공정의 사용 확대, 섬유 강화 적층 제조의 전략적 사용, 자동 접합 및 용접, 실시간 인라인 검사, 폐기물이 거의 또는 전혀 없음, 저체화 에너지 재료의 사용 증가, 재활용 재료의 상당한 사용 및 지속 가능한 에너지, 재료 및 공정 전략의 적용

다행스럽게도 복합재 산업은 이러한 요구를 충족할 수 있는 공급망을 개발할 수 있는 몇 년의 시간이 있습니다. 그 동안 각 UAM 제조업체가 프로덕션으로 이동하는 방법은 다릅니다. 아래에 언급된 것처럼 일부는 모든 생산을 사내에서 유지하고 있습니다. 일부는 사내에서 프로토타이핑을 하고 있지만 정식 생산을 파트너에게 이전할 것입니다. 다른 사람들은 처음부터 제3자 파트너와 계약을 맺었으며 이 전략을 프로덕션 단계까지 유지할 것입니다.

오늘날 에어택시 또는 화물 운송 서비스를 위한 UAM 항공기 개발에 노력하고 있는 100개 이상의 회사가 있지만 소수의 회사만이 비행 프로토타입 또는 데모를 생산할 수 있을 만큼 충분한 자금을 지원받고 있습니다. Beta Technologies(미국 버지니아주 사우스 벌링턴), EHang(중국 광저우), Joby Aviation(미국 캘리포니아 산타크루즈), Lilium(독일 뮌헨), Pipistrel(슬로베니아 Ajdovščina), Volocopter( Bruchsal, 독일) 및 Wisk(Mountain View, CA, 미국).

여기에 소개된 모든 UAM 항공기는 몇 가지 공통된 특징을 가지고 있습니다. 첫째, 2~4명의 승객을 수용할 수 있는 비교적 작거나 동일한 질량의 화물을 수용할 수 있습니다. 둘째, 거의 모두 자율적으로 비행합니다. 셋째, 그들은 완전 전기이며 비행을 위해 충전식 배터리에 의존합니다. 넷째, 수직 이착륙을 가능하게 하는 리프팅 로터의 사용에 의존합니다. 여기에 나열된 모든 UAM 제조업체가 CW와 공유할 의사가 있는 것은 아닙니다. 공예품에 복합 재료를 배치하는 방법. 다음은 제공된 정보를 요약한 것입니다.

베타 기술

조용하고 빠르게 전진하는 것은 ALIA 250c를 개발 중인 Beta Technologies입니다. 최대 5명의 승객을 수송하기 위한 파일럿 eVTOL. 이 비행기에는 4개의 리프팅 로터와 1개의 푸싱 로터가 있습니다. 리프팅 로터는 각 오버 동체 날개의 전방 및 후방 붐에 있습니다. 푸싱 로터는 수평 꼬리날개 뒤의 비행기 뒤쪽에 있습니다. ALIA 250c의 타겟 범위 거리는 400km이며 승객을 태울 수 있도록 설계되었지만 항공기의 첫 번째 응용 프로그램은 출시 고객인 United Therapeutics의 인간 장기 운송에 사용될 것입니다.

ALIA 250c용 모든 복합 구조의 제조 Blue Force Technologies(BFT, Morrisville, N.C., U.S.)는 항공우주 최종 시장을 위한 복합 부품 및 구조물의 설계, 엔지니어링, 툴링, 프로토타이핑 및 최대 생산을 전문으로 합니다. BFT의 미래 프로젝트 부사장인 Shawn Herrmann은 그의 팀이 ALIA 250c에 많은 무게 및 성능 규정이 첨부된 Beta Technologies에 의해 특히 어려움을 겪었다고 말했습니다. . 그는 BFT가 베타 디자인의 세 가지 요소, 즉 25%의 엄격한 최소 구조 중량 비율(총 평면 중량의), 공기역학적 혼합이 필요한 다중 구조-구조 인터페이스가 있는 고도로 윤곽이 지정된 구성 및 고도로 통합된 구조에 의해 인도되었다고 말했습니다. 최소한의 관절로.

Herrmann은 "베타는 다른 누구도 도전하지 않은 범위 설계 지점을 목표로 하고 있으므로 호버링을 위해 빈 중량 부분을 희생하지 않고 크고 효율적인 날개를 휴대해야 합니다."라고 말합니다. "구조에서 제거된 모든 파운드는 배터리로 갈 수 있으므로 더 긴 범위를 사용할 수 있습니다."

첫 번째 항공기를 제작하기 위해 BFT는 일반적인 저온 경화 표준 모듈러스 프리프레그에 비해 상당한 성능을 포기하지 않으면서 소프트 툴링에 적합한 프로세스를 사용하여 공격적인 중량 목표를 달성해야 했습니다. Herrmann은 "우리는 우리의 독점 주입 기반 프로세스를 사용하여 소프트 툴링 접근 방식과 결합하여 탄소 툴링을 제작하는 데 필요한 동일한 시간에 전체 실험 [비행에 적합한] 기체를 제작할 수 있음을 발견했습니다. 프리프레그 기반 프로토타입.”

Herrmann은 BFT가 지난 5년 동안 프로토타입의 1차 구조를 위한 수지 주입 기술을 개발해 왔다고 말합니다. ALIA와 함께 , 회사는 프로그램에서 요구하는 구조적 중량 비율을 달성할 수 있는 기계적 특성을 생성하기 위해 주입 기술을 반복하고 향상시키기 위해 추가 재료 및 공정 테스트를 수행했습니다. 또한 실온 경화 및 독립형 사후 경화만 필요한 수지 시스템으로 이를 수행했습니다. 또한 BFT는 ALIA 가능한 한 적은 수의 조인트가 있는 의 구조는 50피트 날개와 리프팅 로터를 고정하는 2개의 35피트 붐을 포함하여 길고 통합된 구조를 의미합니다.

첫 번째 ALIA 제작에 사용된 수지 시스템 , Herrmann은 자체 개발했으므로 공식적으로 인증된 재료가 아니라고 말합니다. 이것은 프로토타이핑에 적합하지만 ALIA 생산이 시작되면 인증은 프리프레그로의 잠재적 전환을 포함하여 다양한 재료 및 프로세스 결정을 강요할 것입니다. Herrmann은 "인증은 생산 항공기 재료 선택의 주요 동인이 될 것입니다."라고 말합니다. "생산 항공기는 모양과 무게가 비슷하지만 인증 및 고속 생산에 적합한 재료와 공정을 사용할 것입니다."

베타가 공개하지 않은 풀 레이트 생산에 대한 기타 고려 사항에는 자동화뿐만 아니라 재료 및 프로세스 흐름이 포함됩니다. BFT는 이미 전자에 대한 작업을 시작했으며 후자는 거의 확실하다고 Herrmann은 말합니다. 그리고 인증에 대한 손상 허용 접근 방식에서 만들어진 결함 크기 및 밀도 가정과 일치하는 라미네이트를 생성하기 위해 반복 가능하고 신뢰할 수 있음을 보여야 합니다. 레이업, 검사, 트림/드릴, 조립 등 다양한 수준의 자동화를 사용하는 요율 생산의 미래를 봅니다.”

이항

약간 다른 방식을 취하는 것은 EHang 216을 개발 중인 EHang입니다. , 2명의 승객 또는 화물의 항공 택시 운송을 위해 설계된 자율 헬리콥터 eVTOL(항공 물류라고도 함). 그것은 8개의 동축 로터를 특징으로 하며, 각각은 동체 바닥에서 방사상으로 연장되는 구조적 암에 장착됩니다. 로터 암은 선박의 보관을 용이하게 하기 위해 수직으로 접힐 수 있습니다. Volocopter의 VoloCity 처럼 (아래 참조), EHang 216 스키드에 서 있다. 최대 탑재량은 220kg, 최대 항속거리는 35km입니다.

비행 중인 EHang 216의 비디오는 풍부하여 사람이자 화물 운송인으로서의 능력을 보여줍니다. 2020년 5월, EHang은 EHang 216을 사용하기 위해 중국 민간 항공국으로부터 세계 최초의 상업용 파일럿 운영 승인을 받았습니다. 항공 물류 목적으로. 그 후 2020년 7월에는 캐나다 교통국(Transport Canada Civil Aviation)에서 발행한 특수 비행 운영 증명서가 수여되었습니다. 이렇게 하면 EHang 216 시험 비행이 허용됩니다. 캐나다 퀘벡에서.

EHang 216을 위한 복합재를 포함한 EHang의 전략적 제조 파트너 항공우주 제작업체 FACC AG(오스트리아 Ried im Innkreis)입니다. EHang이나 FACC 모두 CW와 복합 재료 또는 가공 정보를 공유할 의사가 없었습니다. FACC는 개발 중인 항공기를 최적화하고 연속 생산 계획을 개발하는 데 도움을 주기 위해 EHang과 협력할 것이라고 보고했습니다. FACC는 또한 인증, 애프터마켓 유지보수 서비스, 연구 및 개발을 도울 것입니다.

조비 항공

가장 눈에 띄는 AAM 프로그램 중 하나는 최대 4명의 승객을 태울 수 있는 항공 택시를 위한 아직 이름이 알려지지 않은 조종 헬리콥터 eVTOL을 개발 중인 Joby Aviation에 속합니다. Joby 크래프트는 6개의 기울기 기능이 있다는 점에서 주목할 만합니다. 로터. 2개의 로터는 각 오버 동체 날개에 장착되고 2개는 꼬리에 장착됩니다. 우주선은 3륜 랜딩 기어에 서 있으며 240km의 범위와 시속 320km의 최대 속도를 가집니다.

조비는 항공 승차 공유 서비스인 우버 엘리베이트(Uber Elevate)와 다년간 상업적 파트너십을 맺고 있지만 자체 승차 공유 서비스 출시도 고려하고 있다고 밝혔습니다. 어쨌든 2023년 서비스 진입을 목표로 하고 있다.

Joby는 항공기에 대한 복합 재료 및 공정 정보를 CW와 공유하지 않습니다. 이 이야기를 위해서지만 Joby가 Santa Cruz 시설과 그 주변에서 중요한 복합 재료 제조 작업을 개발했다는 것은 잘 알려져 있습니다. Joby의 고급 개발 담당자인 John Geriguis는 CAMX 2020의 프레젠테이션에서 Joby의 산업화 목표가 Uber의 Pollack에 의해 요약된 것과 유사하지만 복합재 제조 운영에서 회사가 피하고자 하는 것으로 틀이 잡혀 있다고 말했습니다. 만료, 자재 만료 시간 제한 없음, 인적 자원 문제 없음, 인적 변수에 대한 의존성 없음, 전체 빌드 후 인적 검사 및 수리 없음. Geriguis는 또한 Joby가 현재 열경화성 수지 시스템을 사용하고 있지만 차세대 항공기에 열가소성 복합 재료를 통합할 기회가 있다고 언급했습니다.

나리속

독일에 기반을 둔 Lilium은 Lilium Jet을 개발 중입니다. , 최대 4명의 승객이 앉을 수 있는 조종된 고정익 eVTOL 에어택시. 이름에 "Jet"이 있음에도 불구하고 Lilium Jet 각 날개의 앞쪽 가장자리와 수평 꼬리 지느러미에 장착된 36개의 틸팅 덕트 팬으로 구동됩니다. 도시간 운행을 위해 설계되었으며 범위는 300km이고 최대 속도는 시속 300km입니다. Lilium은 Lilium Jet의 비행 테스트를 거쳤습니다. , 2019년 10월 Lilium 사이트에 게시된 비디오에서 볼 수 있습니다. Lilium은 7월에 Toray(도쿄, 일본)와 탄소 섬유 공급 계약을 발표했습니다. 발표에서 Lilium은 Toray가 처음에 추가 기술 시연기의 생산에 사용하기 위해 Lilium에 직접 탄소 섬유를 공급할 것이라고 말했습니다. Lilium Jet 시제품 제작 및 생산이 시작되면 Toray는 Lilium용 복합 부품을 제조할 공급업체에 탄소 섬유를 공급할 것입니다.

Lilium의 최고 프로그램 책임자인 Yves Yemsi는 탄소 섬유 복합 재료가 동체, 날개 및 플랩을 포함하여 Lilium Jet의 모든 기본 구조에 사용될 것이라고 말했습니다. Lilium에서 약속한 피드백 및 정보 배송되지 않았습니다.

피피스트렐

Nuuva V300을 개발 중인 Pipistrel이 다소 이상합니다. 승객이 아닌 항공 화물 및 항공 물류 애플리케이션을 위한 자율 eVTOL. 8개의 리프팅 로터와 1개의 푸싱 로터를 사용하며 최대 가반하중은 460kg입니다. 화물은 측면 또는 기수 부분에서 접근할 수 있는 동체 내부에 보관됩니다. Pipistrel은 첫 번째 Nuuva V300을 생산 중입니다. 프로토타입이지만 회사는 이미 생산 주문을 받고 있으며 연간 "수백"을 생산할 계획입니다.

Pipistrel은 복합 항공 구조 제조 경험이 25년 이상이며 Nuuva V300의 부품 교체 가능성, 현장 수리 가능성 및 빠른 경화 공정에 중점을 두고 있다고 말합니다. . 이 회사는 주로 수동 레이업 및 실온 경화를 통해 처리되는 에폭시 기반 프리프레그만을 사용하고 있으며 작은 부품에 대해서는 가끔 오토클레이브 경화를 사용합니다. Pipistrel은 항공기가 생산에 들어갈 때 오토클레이브 외부, 프리프레그 기반 자동화를 광범위하게 사용할 것으로 예상한다고 말합니다.

볼로콥터

VoloCity라고 불리는 Volocopter에서 개발 중인 우주선 , 2명의 승객을 위한 좌석이 있는 자율 헬리콥터 eVTOL입니다. 볼로시티 바퀴가 달린 착륙 장치 대신 스키드를 사용하는 이 항공기는 18개의 리프팅 로터로 구동되며 최대 탑재량은 200kg, 최대 속도는 시속 110km, 항속거리는 35km입니다. 볼로시티 의 로터는 동체 상단에 고정된 구조적 림에 배열되어 있으며 12개의 로터는 림의 둘레에 등거리로 위치하고 6개는 림 내부의 더 작은 직경에 있습니다. 각 로터의 직경은 2.3미터입니다. 림의 총 직경은 11.3미터입니다. Volocopter는 현재 VoloCity 예약을 받고 있습니다. , 2023년까지 서비스에 들어갈 예정입니다.

Volocopter는 전체 VoloCity에 복합 재료를 적용하고 있다고 말합니다. 기체, 로터 비행기 및 좌석. 프로토타입 및 데모 크래프트는 습식 레이업을 통해 탄소 섬유와 유리 섬유를 사용하여 이름 없는 복합 재료 제작자 파트너에 의해 제조되고 있습니다. 수지 유형은 확인되지 않았지만 에폭시일 가능성이 있습니다. Volocopter는 성명서에서 "시간 제약과 목표에 따라 우리의 요구와 생산 일정에 맞는 자격 있는 재료를 사용하는 것이 중요했기 때문에 자격을 갖춘 섬유/수지 조합을 선택했습니다."라고 말했습니다. 볼로시티 Volocopter는 "국제 제조업체"에서 제조를 제공하는 오토클레이브 외부 프리프레그로 전환할 것으로 예상하고 있다고 밝혔습니다.

볼로시티 수 볼로콥터가 연간 생산할 것으로 예상하는 공예품은 알려지지 않았지만 이 이야기에 대한 정보 요청에 대한 회사의 진술에 "수천"이 암시되며 "그러나 확실한 것은 우리가 자동차 제조업체에 가까운 생산 속도를 달성하기 위해 찾고 있다는 것입니다. 현재 항공기 제조업체보다”

위스크

보잉(미국 워싱턴주 시애틀)과 키티 호크(미국 캘리포니아주 팔로알토)의 합작 회사인 Wisk는 Cora를 개발 중입니다. , 2명의 승객이 앉을 수 있는 자동 고정익 eVTOL 에어 택시. 코라 각 날개의 앞뒤에 3개 있는 12개의 리프팅 로터와 꼬리 부분 앞 동체의 후미 끝에 위치한 1개의 푸싱 로터에 의해 구동됩니다. 비행기는 세 바퀴 랜딩 기어에 서 있습니다. 코라 최대 범위는 40km이고 최대 속도는 시속 160km입니다.

Wisk는 Cora의 모든 기본 구조를 말합니다. 수지와 섬유의 독점적인 조합을 사용하여 합성물로 사내에서 제작됩니다. Wisk는 성명서에서 "이미 검증된 솔루션에서 설계를 시작하는 것이 일반적으로 더 쉽기" 때문에 자격을 갖춘 재료를 선택했다고 말했습니다. 제조 공정은 진공 백 아래의 오토클레이브 외부 통합과 함께 레이저 유도 핸드 레이업입니다. 완성된 구조는 한계 하중 테스트, 열화상 검사 및 초음파 검사로 평가됩니다. 생산이 증가함에 따라 회사는 자동화 기술을 통합하여 "현재 eVTOL에 대해 계획된 생산 속도"를 충족할 것으로 기대합니다. Wisk는 또한 Cora 용량 제약이 지시하는 대로 추가 생산을 제공하는 계약자들과 함께 전체 요율 생산에 들어갑니다.

표 1:UAM 제조업체, 항공기

제조업체/공예품

추진력

컨트롤

용량

최대. 범위

최대. 속도

베타 기술의 ALIA