Архитектуры композитных планеров eVTOL: карта материалов Joby, Archer и Lilium и пути сертификации

Введение

Электрические аппараты вертикального взлёта и посадки (eVTOL) несут необычно высокую долю углеродного волокна в своих планерах. По оценкам аналитиков, на композитные материалы приходится 60-70 процентов структурной массы типичных четырёх-семиместных конструкций — плотность применения углеродного волокна, сравнимая лишь с самыми передовыми военными самолётами. Причина проста: батарейное воздушное такси должно нести запас энергии как мёртвый груз, поэтому каждый сэкономленный на планере килограмм напрямую превращается в полезную нагрузку или дальность. В этой статье рассматриваются архитектуры планеров трёх наиболее пристально отслеживаемых программ — S4 компании Joby Aviation, Midnight компании Archer Aviation и семиместного самолёта Lilium — и объясняется, как стратегия сертификации определяет выбор материалов.

Для поставщиков композитных материалов и производственных партнёров сектор eVTOL важен потому, что эти программы сертифицируются по новым регуляторным рамкам, созданным как в США, так и в Европе. Эта регуляторная новизна заставляет проектные группы выбирать зрелые, хорошо охарактеризованные системы углеродного волокна с обширными данными допускаемых значений, что, в свою очередь, формирует всю карту материалов самолёта.

Почему сертификация определяет выбор материалов

Типовая сертификация eVTOL не следует традиционным правилам для самолётов с неподвижным крылом или винтокрылых машин. В США FAA рассматривает eVTOL как особый класс воздушных судов в соответствии с разделом 21.17(b) раздела 14 Свода федеральных правил, что означает: заявитель должен показать соответствие избранным критериям лётной годности из раздела 23 (лёгкие самолёты) и раздела 27 (роторные аппараты нормальной категории), дополненным специальными условиями программы. В Европе EASA применяет собственную Специальную характеристику для аппаратов ВВП (SC-VTOL), которая определяет требования к crashworthiness, батареям и конструкции до того, как заявитель сможет получить типовой сертификат.

Практическим следствием для композитного проектирования является консервативный выбор материалов:

• Проверенные волоконные системы: Высокопрочные волокна промежуточного модуля, такие как углеродные волокна класса T700 и T800, предпочитаются сверхвысокомодульным маркам, поскольку их статистические допускаемые значения опубликованы несколькими поставщиками препрегов и подтверждены сериями испытаний.
• Устоявшиеся матрицы препрегов: Модифицированные эпоксидные препреги с многолетней историей применения в авиации дают проектные значения блочного уровня, которые принимаются инженерами по сертификации без обширных новых испытательных программ.
• Переработка в контролируемой среде: Отверждение в автоклаве и вне автоклава обеспечивает низкий уровень пористости, обычно ниже одного процента, необходимый для демонстрации допускаемых значений B-базиса сертифицирующему органу.

Эта консервативность означает, что планеры eVTOL строятся из материалов, квалифицированных для вертолётов и бизнес-джетов поколение назад, а не из новейших экспериментальных марок волокна.

Joby S4: монолитная углеродная конструкция с высокой тактичностью выпуска

Joby Aviation S4 — пятиместная машина (один пилот, четыре пассажира) с шестью поворотными винтами и крейсерской скоростью около 322 километров в час. Планер представляет собой цельнокомпозитный монокок, в котором обшивки фюзеляжа воспринимают основные изгибающие и крутящие нагрузки, а внутренние шпангоуты и лонжероны добавляют локальную жёсткость. Joby описывала конструкцию как опирающуюся на крупные непрерывные углеродные обшивки, которые минимизируют число деталей и линий клеевых соединений.

Карта материалов S4 строится на модифицированном эпоксидном препреге с углеродным волокном промежуточного модуля, отверждаемым в автоклавах на нынешнем этапе, приближенном к серийному. Производственная система Joby делает ставку на автоматизацию — автоматизированную выкладку для обшивок и автоматический раскрой и комплектование препрегов — поскольку производственная цель в один самолёт в день требует циклических времён, которые ручная выкладка выдержать не может. Фюзеляж спроектирован так, что основные конструктивные элементы со-отверждаются или соединяются вторичной склейкой, сокращая число крепежа и трудоёмкость окончательной сборки.

Archer Midnight: углеродный планер с ориентацией на стоимость

Archer Aviation Midnight перевозит одного пилота и четырёх пассажиров и оснащён двенадцатью электромоторами — шесть для вертикального подъёма и шесть поворотных для горизонтального полёта. Планер следует схожему с S4 пути: углеродный монокок с интегрированной структурой пола, испытанными на герметичность обшивками кабины и склеенными подузлами. Archer с самого начала делала акцент на технологичности и стоимости, стремясь к стоимости за пассажиро-милю, конкурентоспособной с наземным такси.

Midnight использует аэрокосмические системы эпоксидного препрега с углеродным волокном, причём проектные допускаемые значения формировались специально для программы и передавались в FAA в рамках сертификации особого класса. Там, где S4 опирается на автоклавную обработку, Archer развивает внеавтоклавные и печные формы материалов там, где это позволяют допускаемые значения, снижая энергозатраты на деталь. Производственный комплекс компании в Ковингтоне, штат Джорджия, спроектирован вокруг сборочных линий, приближенных к серийным, с автоматизированными станциями сверления, крепления и контроля, поддерживающими клееный планер.

Lilium Jet: канальные вентиляторы и путь EASA

Lilium Jet структурно отличается от двух других программ. Это семиместный аппарат с 36 канальными электрическими вентиляторами, интегрированными в крыло и переднее горизонтальное оперение, и его планер почти целиком построен из углеродных композитов. Поскольку большую часть полёта аппарат находится в режиме полёта с неподвижным крылом, крыло должно нести высокие полётные нагрузки, одновременно вмещая распределённую электрическую силовую установку, что придаёт конструкции особую архитектуру с крылом-крутильной коробкой и лёгким цилиндрическим фюзеляжем.

Lilium сертифицируется в рамках SC-VTOL EASA, что существенно отличается от пути особого класса FAA. SC-VTOL требует соответствия усиленным требованиям crashworthiness, удержания роторов и установки батарей, а также предъявляет собственные требования к данным о проектировании конструкций. Выбор материалов для Lilium Jet поэтому отражает квалификацию европейских поставщиков и необходимость в обширных кампаниях экологических и усталостных испытаний, которые EASA ожидает для клееных первичных конструкций.

Сравнение архитектур планеров

Таблица ниже сравнивает три флагманские архитектуры по параметрам, наиболее важным для поставщиков композитов:

Параметр	Joby S4	Archer Midnight	Lilium Jet
Число мест	4 пассажира + пилот	4 пассажира + пилот	6 пассажиров + пилот
Схема силовой установки	6 поворотных винтов	12 моторов (6 подъёмных, 6 поворотных)	36 канальных вентиляторов
Крейсерская скорость	около 322 км/ч	около 240 км/ч	около 280 км/ч
Первичная конструкция	Монолитный монокок	Монокок со склеенными подузлами	Крыло-коробка + цилиндрический фюзеляж
Доминирующий материал	Модифицированный эпоксидный препрег, углеволокно СМ	Эпоксидный препрег, внеавтоклав где разрешено	Модифицированный эпоксидный препрег, углеволокно СМ
Способ отверждения	Автоклав (серийный этап)	Автоклав и внеавтоклав	Автоклав
База сертификации	Особый класс FAA, 14 CFR 21.17(b)	Особый класс FAA, 14 CFR 21.17(b)	SC-VTOL EASA

Производственные последствия для цепочки поставок

Все три программы сходятся к одному и тому же следствию для цепочки поставок: им нужен квалифицированный, прослеживаемый углеродный препрег в объёмах, превышающих потребление прототипных программ. На один планер eVTOL, приближенный к серийному, расходуется примерно 150-300 килограммов углеродного препрега, и при темпе выпуска один-два самолёта в день один OEM потребляет несколько тонн препрега в месяц.

Такой профиль спроса имеет четыре следствия для покупателей композитных материалов:

• Квалификация поставщика: Сертификация требует, чтобы каждая партия волокна отслеживалась от прекурсора до препрега с документированным статистическим управлением процессом.
• Владение допускаемыми значениями: OEM должны генерировать и поддерживать собственные базы допускаемых значений материалов, а не просто наследовать опубликованные данные поставщика.
• Возможности процесса: Контроль пористости, допуски слоёв и качество склейки должны удерживаться в более узких диапазонах, чем в прежних аэрокосмических программах, поскольку данные сертификации являются специальными для программы.
• Стратегия второго источника: Регуляторы всё чаще ожидают продемонстрированного двойного источника для волокна и препрега, подталкивая OEM к квалификации эквивалентных материальных систем у нескольких поставщиков.

Часто задаваемые вопросы

Почему аппараты eVTOL используют так много углеродного волокна по сравнению с обычными самолётами?

Батарейные аппараты должны нести запас энергии как массу, в отличие от самолётов на топливе, где топливо расходуется в полёте. Каждый сэкономленный на планере eVTOL килограмм напрямую повышает полезную нагрузку, дальность или продолжительность полёта, поэтому конструкторы стремятся снизить долю структурной массы до минимума. Углеродные композиты дают наилучшее отношение жёсткости и прочности к массе среди всех серийных аэрокосмических материалов, поэтому 60-70 процентов структурной массы типичных конструкций eVTOL составляет композитный материал.

В чём разница между сертификацией особого класса FAA и SC-VTOL EASA?

В США аппараты eVTOL сертифицируются как особый класс в соответствии с разделом 21.17(b) раздела 14 CFR, при этом заявитель показывает соответствие избранным критериям разделов 23 и 27, дополненным специальными условиями. В Европе EASA разработала собственную Специальную характеристику для аппаратов ВВП, которая задаёт независимые требования к crashworthiness, батареям и конструкции. Оба пути требуют данных испытаний демонстрационного уровня, но конкретные критерии соответствия различаются, поэтому OEM обычно выбирают материалы с широким охватом испытаний, приемлемым для выбранного сертифицирующего органа.

Какие марки углеродного волокна доминируют в проектировании планеров eVTOL?

Большинство планеров eVTOL, приближенных к серийным, опираются на высокопрочные волокна промежуточного модуля классов прочности T700 и T800 в сочетании с модифицированными эпоксидными матрицами препрегов. Эти системы предпочитают потому, что их статистические допускаемые значения широко опубликованы и проверены испытаниями у нескольких поставщиков, что сокращает объём работ по квалификации для типовой сертификации. Сверхвысокомодульные марки применяются в основном в локальных деталях, критичных к жёсткости, а не в первичной конструкции.

Заключение

Архитектуры планеров Joby S4, Archer Midnight и Lilium Jet сходятся к высококомпозитной структурной конструкции, но каждая программа формирует свою карту материалов вокруг своей базы сертификации. Путь особого класса FAA и рамка SC-VTOL EASA вознаграждают консервативные, хорошо охарактеризованные материальные системы, поэтому волокна классов T700 и T800 с модифицированным эпоксидным препрегом доминируют в проектировании eVTOL, приближенном к серийному. Для поставщиков материалов практическим следствием является спрос на поддержку квалификации, данные допускаемых значений и прослеживаемые объёмные поставки, а не на экспериментальные марки волокна.

YongXian поставляет углеродные жгуты, ткани и армирующие материалы, совместимые с препрегами, для аэрокосмических программ, включая разработку eVTOL. Ознакомьтесь с нашим ассортиментом углеродного волокна или свяжитесь с нашей инженерной командой, чтобы обсудить материальные системы для вашей программы планера eVTOL.