Dập tắt taxi hàng không
EF GLOBAL VTOL

EF Global VTOL

25 May 2023

EF GLOBAL VTOL

Các vật liệu tổng hợp nhựa nhiệt dẻo có thể đúc, có thể hàn được có thể làm cho máy bay cất và hạ cánh thẳng đứng bằng điện (eVTOL) có giá cả phải chăng khi sản xuất hàng loạt.

Làm cho các cấu trúc hàng không nhẹ, chịu được va chạm có giá cả phải chăng là điều cần thiết cho khả năng di chuyển trên không tiên tiến (AAM), với số lượng lớn máy bay cần thiết để thông đường.  Các dự báo về hạm đội AAM rất khác nhau, nhưng một bài thuyết trình vào tháng 1 cho Hội nghị chuyên đề về VTOL điện hàng năm lần thứ 8 của Hiệp hội chuyến bay thẳng đứng của kỹ sư ứng dụng cao cấp Toray Advanced Composites, DeWayne Howell, đã đưa ra con số cơ bản là 5.000 lần giao hàng mỗi năm vào khoảng năm 2040. Howell lưu ý rằng ước tính thận trọng của ông nhiều hơn khoảng năm lần so với ước tính ban đầu  sản lượng ngành công nghiệp máy bay trực thăng hiện tại và có thể so sánh với sản xuất ô tô đặc biệt.

Trong sản xuất khối lượng lớn, vật liệu tổng hợp nhựa nhiệt dẻo có thể giúp tạo ra các cấu trúc khí động học nhanh hơn và rẻ hơn so với các loại vật liệu nhiệt rắn thường được sử dụng.  Howell thừa nhận, “Còn rất nhiều việc phải làm để… có nguyên liệu và quy trình sản xuất cho phép chúng tôi làm được điều đó.”  Ông kết luận rằng việc sản xuất hàng loạt AAM sẽ yêu cầu sự hợp tác giữa các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) và các nhà cung cấp vật liệu để chế tạo nguyên mẫu, tinh chỉnh quy trình, kiểm định vật liệu và chứng nhận máy bay. 

Kế hoạch sản xuất Jaunt áp dụng kết hợp các kỹ thuật xử lý nhựa nhiệt dẻo cho thân máy bay, cần đuôi và cánh.  (Jaunt Air Mobility) 

Vào tháng 12, Toray ở Morganville, California, đã công bố một thỏa thuận cung cấp dài hạn với Joby Aviation về vật liệu tổng hợp được gia cố bằng sợi carbon để chế tạo taxi hàng không eVTOL.  Nhà sản xuất vật liệu cung cấp vật liệu tổng hợp được ngâm tẩm với nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo.  Bình giữ nhiệt được xử lý trong nồi hấp áp suất trải qua một phản ứng hóa học để đạt được độ bền tối đa.  Nhựa nhiệt dẻo nóng chảy trong khuôn tái đông đặc mà không thay đổi hóa học.  Joby từ chối thảo luận về sự đánh đổi vật liệu, nhưng Howell tại Toray đã tóm tắt, “Nếu bạn định tạo ra một bộ phận nhiệt rắn điển hình, bạn phải dành thời gian để nhựa liên kết chéo và làm cho sự thay đổi hóa học đó đông đặc lại.  Với nhựa nhiệt dẻo, nếu chúng có thể dập khuôn, bạn có thể sản xuất các bộ phận trong vài phút thay vì hàng giờ.”

Vào tháng 2, Jaunt Air Mobility — có trụ sở chính tại Dallas, Texas — đã công bố hợp đồng Chuyển giao Công nghệ Doanh nghiệp Nhỏ (STTR) từ Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân Hoa Kỳ để nghiên cứu các công nghệ nhựa nhiệt dẻo và kỹ thuật sản xuất chi phí thấp cho máy bay eVTOL.  Công ty đang phát triển Máy bay tốc độ vận hành cánh quạt giảm hành trình (ROSA) chở được bốn hành khách với cấu trúc chủ yếu là nhựa nhiệt dẻo.  Giám đốc điều hành Jaunt Martin Peryea giải thích: “Toàn bộ khung máy bay sẽ được làm từ vật liệu nhựa nhiệt dẻo.  Tất cả các thành phần cấu trúc chính cơ bản sẽ được dựa trên nhựa nhiệt dẻo.  Phần thân bên ngoài, cần lái, bánh lái, bộ ổn định, tất cả những thứ đó sẽ được làm bằng vật liệu nhựa nhiệt dẻo.”  Anh ấy nói thêm, “Các cánh quạt, do sự trưởng thành của công nghệ sản xuất, chúng sẽ sử dụng nhiệt rắn thông thường.” 

Jaunt lên kế hoạch cho chuyến bay đầu tiên của chiếc gyrodyne chạy bằng điện vào năm tới, đồng thời đặt mục tiêu đạt được chứng nhận và sản xuất hết công suất vào năm 2026. Cuối cùng, công ty có kế hoạch sản xuất 2.500 máy bay mỗi năm tại mỗi trung tâm trong số hai trung tâm sản xuất. Nhựa nhiệt dẻo là chìa khóa để sản xuất hàng loạt. Peryea đề xuất: “Đó là sự tự động hóa của máy ép nóng tạo thành các bộ phận kết cấu rất lớn và hàn chúng lại với nhau mà không cần nhiều lao động chạm vào — nhờ đó tiết kiệm được một khoản chi phí đáng kể. Bạn có thể sản xuất với tốc độ và khối lượng cao hơn nhiều.” Toray, Hexcel và các nhà sản xuất vật liệu khác cung cấp các loại vật liệu nhiệt rắn có khả năng xử lý nhanh giúp tiết kiệm thời gian sản xuất, nhưng các loại vật liệu nhiệt rắn này lại từ chối các kỹ sư sản xuất cơ hội nấu chảy và tái tạo các bộ phận phức tạp nhiều lần trong các bước sản xuất liên tiếp.

Cấu trúc khung phụ của khung máy bay bằng nhựa nhiệt dẻo cho Hành trình sẽ được đúc nén từ vật liệu composite sợi nhỏ. Tất cả các lớp vỏ cánh, thanh dọc cánh và cần đuôi sẽ được xếp chồng lên nhau bằng cách đặt sợi tự động. Nhựa nhiệt dẻo giúp các phần lớn của Hành trình có thể được ép nóng thành hình dạng yêu cầu và được hàn hoặc hợp nhất với nhau bằng cách sử dụng hệ thống sưởi cảm ứng mà không cần ốc vít. Loại bỏ ốc vít giúp giảm 2–10% trọng lượng của cụm nhựa nhiệt dẻo so với cấu trúc nhiệt rắn. Jaunt vẫn chưa hoàn thiện các lựa chọn vật liệu của mình. Peryea cho biết: “Chúng tôi vẫn đang tối ưu hóa một số vật liệu khác nhau phù hợp với loại quy trình sản xuất này.

Vật liệu tổng hợp nhựa nhiệt dẻo loại bỏ việc làm lạnh tốn kém cần thiết với nhiệt rắn và cho phép các quy trình nhanh hơn, tự động hơn.  Theo kỹ sư trưởng của Jaunt về chứng nhận máy bay, Tiến sĩ Sanjay Gattani, “Các chu trình xử lý hỗn hợp nhiệt rắn điển hình sẽ không thể hỗ trợ tốc độ [sản xuất] ở mục tiêu khả năng chi trả.”  Mục tiêu chính của nhà sản xuất ROSA trong Giai đoạn I của dự án Không quân là tạo mô hình cấu trúc cánh composite nhựa nhiệt dẻo và sử dụng các kỹ thuật sản xuất tiên tiến để đạt được mục tiêu sản xuất thương mại chi phí thấp.  Jaunt đã làm việc với Lực lượng Không quân để xác định các yêu cầu chi tiết về nhiệm vụ và phương tiện, sau đó được sử dụng để phát triển mô hình hộp cánh cơ bản và các tiêu chí thiết kế cấu trúc.

Toray đã cung cấp prepreg nhựa nhiệt dẻo cho các bộ phận hàng không vũ trụ đúc nén.  (Toray Advanced Composites)
 

Georgia Tech ký hợp đồng với Jaunt để thiết kế cấu trúc bên trong cho cánh composite nhựa nhiệt dẻo và thiết lập các giá trị cho phép thiết kế — ứng suất, biến dạng và độ cứng — cho hệ thống vật liệu.  Gattani giải thích: “Georgia Tech sẽ sử dụng thông tin này do Jaunt cung cấp để phát triển bố cục cấu trúc bên trong cho cấu trúc hộp cánh nhựa nhiệt dẻo tiêu biểu và thiết lập một đường bao tải bao gồm tải trọng khí động học, lực đẩy và tải trọng mặt đất.  Cấu trúc này sẽ có kích thước tối ưu bằng cách sử dụng các công cụ tính toán của Georgia Tech và các thiết kế cho phép hệ thống vật liệu đạt được trọng lượng và hiệu suất của cấu trúc.”  Phần cuối có thể giao cho Jaunt sẽ là một mô hình hộp cánh thiết kế có sự trợ giúp của máy tính, một mô hình phần tử hữu hạn với dữ liệu vật liệu và một báo cáo so sánh chi tiết hiệu suất và phương pháp thiết kế. 

Đến lượt mình, Jaunt và Georgia Tech đang hợp tác với Triumph Aerospace Structures để tích hợp quy trình hàn cảm ứng đã được cấp bằng sáng chế của công ty vào quy trình sản xuất tốc độ cao.  Mô hình của Triumph sẽ xác định các yếu tố thúc đẩy chi phí sản xuất chính.  Nhà cung cấp kết cấu ở Spokane, Washington, đã sản xuất các bộ phận nhựa nhiệt dẻo cho Boeing và các OEM khác.  “Họ tạo mẫu ép nóng khoảng 700 bộ phận cho ngành.”  Peryea cung cấp.  “Những bộ phận này được sử dụng để liên kết cấu trúc chính với nhau.  Chúng là các thành phần cấu trúc thứ cấp.  Chúng cũng được sử dụng để treo rất nhiều hệ thống máy bay.  Những gì ngành công nghiệp đang làm từ khía cạnh phát triển công nghệ là tạo ra các cấu kiện, cấu trúc chính, cấu trúc lớn bằng cách sử dụng công nghệ tạo hình ép nóng.”  Triumph đã chế tạo hộp cánh Journey từ vật liệu tổng hợp nhựa nhiệt dẻo.

Chúng tôi có lịch sử

Vật liệu tổng hợp nhiệt rắn đã được đền đáp trong toàn ngành hàng không vũ trụ với khả năng tiết kiệm trọng lượng, chống mỏi và chống ăn mòn.  Nhựa nhiệt dẻo có ít lịch sử hơn, nhưng Howell lưu ý, “Trái ngược với niềm tin phổ biến, vật liệu tổng hợp nhựa nhiệt dẻo đã được sử dụng trên máy bay trong hơn 30 năm.”  Airbus sử dụng kẹp cắt nhựa nhiệt dẻo giữa khung và thanh giằng bằng sợi Toray được tẩm sẵn nhựa polyphenylene sulfide (PPS) hoặc nhựa polyetheretherketone (PEEK). 

Đặt băng tự động (ATL) cung cấp một phương tiện để giảm lao động chạm, rút ​​ngắn thời gian sản xuất và cắt giảm chi phí bộ phận tổng hợp.  (Toray Advanced Composites) 

GKN Aerospace hàn cảm ứng cho bánh lái PPS được gia cố bằng sợi quang và thang máy của máy bay phản lực thương gia Gulfstream G650. Các dòng điện xoáy trong các lớp ép nhiệt bằng sợi carbon dẫn nhiệt từ bên trong và các bộ phận liên kết cầu chì mà không cần ốc vít hoặc chất kết dính. Howell cho biết: “Đây là nơi mà ngành công nghiệp đang hướng tới những chiếc máy bay thương mại lớn này. “Họ đang xem xét toàn bộ thân máy bay và toàn bộ cánh được tạo ra bằng cách đặt sợi quang tự động. Họ đang xem xét quá trình chế tạo tại chỗ, nơi bạn đặt bộ phận này lên trên các dây buộc đã có sẵn. Khi bạn đặt vật liệu nóng lên trên, bạn sẽ có được cấu trúc hợp nhất tại chỗ.”

Hôm nay, GKN cung cấp cho máy bay trực thăng hạng nhẹ Leonardo AW169 một đuôi ngang bằng nhựa nhiệt dẻo nhẹ hơn 15% so với một loại thay thế nhiệt rắn, nhưng ngành công nghiệp cánh quạt đã chậm áp dụng các bộ phận nhựa nhiệt dẻo lớn. Năm 1990, McDonnell Douglas đã chế tạo bộ ổn định ngang có kích thước đầy đủ cho AH-64 Apache từ PEEK được gia cố bằng than chì. Bộ ổn định đã được thử nghiệm tĩnh có trọng lượng nhẹ hơn 18% so với cụm kim loại ban đầu và các liên kết dính đã cắt giảm số lượng chốt cơ khí từ 3.300 trong bộ ổn định kim loại xuống chỉ còn 148 trong chất thay thế nhựa nhiệt dẻo. Tuy nhiên, chất ổn định nhựa nhiệt dẻo không bao giờ bay.

Nếu không có các quy trình phù hợp, vật liệu tổng hợp nhựa nhiệt dẻo không thể tiết kiệm chi phí sản xuất so với nhựa nhiệt rắn. Jonathan Sourkes từ TXV Aero Composites đã phát biểu tại hội nghị chuyên đề VFS eVTOL về những tiến bộ trong sản xuất composite nhựa nhiệt dẻo bao gồm đặt băng keo và sợi tự động, ép nén và tạo hình tem, đúc chuyển nhựa và hàn nhựa nhiệt dẻo. TXV Aero Composites ở Bristol, Rhode Island, cung cấp vật liệu ép phun và sợi liên tục với nhựa PEEK và nhựa polyaryletherketone (PAEK) để tạo khuôn lai hiệu quả về chi phí. Với các quy trình hiệu quả, các phân tích của TXV cho thấy vật liệu tổng hợp nhiệt dẻo cắt giảm 30-50% chi phí sản xuất so với nhựa nhiệt rắn.

Gần 30 năm sau bộ ổn định Apache, Bell đã bay thử nghiệm bánh lái bằng nhựa nhiệt dẻo hàn cảm ứng và các tấm tiếp cận trên động cơ nghiêng tiên tiến V-280 Valor. Arnt Offringa, giám đốc Trung tâm Công nghệ Hàng không Vũ trụ Toàn cầu GKN, ở Hoogeveen, Hà Lan, giải thích: “Với vật liệu tổng hợp nhựa nhiệt dẻo, các bánh lái được hàn lại với nhau, giúp giảm đáng kể số lượng bu lông và do đó giảm chi phí lắp ráp. Ở cấp độ tổng thể, thông thường việc giảm 20% chi phí là khả thi.” Bánh lái nhựa nhiệt dẻo cũng giảm trọng lượng khoảng 10% so với các bộ phận nhiệt rắn. Hàn cảm ứng cho phép một số lượng lớn các xương sườn bên trong tăng cường lớp da mỏng hơn. Vật liệu sản xuất dư thừa từ bánh lái Valor cũng được xử lý lại để tạo khuôn cho hai bảng tiếp cận.

Hỗn hợp nhựa nhiệt dẻo hứa hẹn các đặc tính cơ học và cấu trúc tốt hơn cho các cấu trúc taxi hàng không chịu được va chạm, chống lại hiện tượng “lướt dốc” — những tiếp xúc với mặt đất không thể tránh khỏi trong các hoạt động bận rộn.  “Đó là một vật liệu cứng hơn,” Peryea nhận xét.  “Ngày nay, nếu bạn đang sử dụng nhiệt rắn, bạn thường sử dụng các mối nối bắt vít, trong khi với nhựa nhiệt dẻo, toàn bộ mối nối được hàn lại với nhau.  Bạn kết thúc với một trái phiếu mạnh mẽ hơn.  Ông kết luận, “Chắc chắn, đó là một cấu trúc nhẹ hơn, chắc chắn hơn,” nói thêm, “Nhựa nhiệt dẻo có đặc tính sửa chữa tốt hơn nhiệt rắn.  Bạn có thể sửa chữa hiện trường dễ dàng hơn so với nhiệt rắn thông thường.  Những quy trình sửa chữa đang được phát triển ngay bây giờ.  Nó sẽ rẻ hơn để sửa chữa máy bay bị hư hỏng trong hoạt động.  Các vật liệu bền hơn.  Nhựa nhiệt dẻo gần như miễn dịch với nhiên liệu hoặc chất lỏng thủy lực.”

Bell V-280 Valor đã bay với bánh lái composite nhựa nhiệt dẻo giúp loại bỏ các chốt để cắt giảm chi phí và trọng lượng so với các bộ phận composite nhiệt rắn.  (Bell)
 

Không giống như prepreg nhiệt rắn — vải gia cố đã được ngâm tẩm trước bằng hệ thống nhựa — với thời gian làm việc hạn chế, vật liệu tổng hợp nhựa nhiệt dẻo không cần làm lạnh.  Peryea thừa nhận: “Không có nhiều khác biệt về tính chất vật liệu từ góc độ hiệu suất máy bay.  Cuộc sống mệt mỏi sẽ rất giống nhau.  Trọng lượng sẽ cao hơn và chi phí sẽ cao hơn với nhiệt rắn.  Nhựa nhiệt dẻo nhẹ hơn và rẻ hơn, nhưng quá trình phát triển nhiệt rắn cho các ứng dụng cánh quạt sẽ cần thêm thời gian và sự chín muồi để đáp ứng các yêu cầu chứng nhận.  Đó là một chút thách thức.  May mắn thay, có những phương tiện tự động để bố trí các cánh quạt trong thực tế với các OEM hiện có.” 

Hãy thử và chứng nhận

Đối với tất cả các lợi thế rõ ràng của chúng, việc sử dụng nhựa nhiệt dẻo so với nhiệt rắn cho AAM phụ thuộc phần lớn vào sự trưởng thành của quy trình.  Toray's Howell cho biết, “Sẽ có một số lợi thế về trọng lượng.  Ví dụ, với phích nước, bạn phải thực hiện liên kết dính.  Bạn cũng phải tán thành vì họ không tin vào mối ràng buộc.  Đối với một phần nhựa nhiệt dẻo, bạn có thể hàn.  Bạn không có mối quan tâm giống như bạn với liên kết dính.  Những phần này giống như một lớp mỏng với nhau.  Bạn có thể loại bỏ đinh tán.  Hàn là một cách tuyệt vời để giảm cân.”

Vật liệu nhiệt dẻo đủ tiêu chuẩn và quy trình chứng nhận là điều cần thiết để chứng nhận taxi hàng không tổng thể.  Theo Peryea, “Chắc chắn có dữ liệu chứng nhận cho các bộ phận hiện có đang được chế tạo ngày nay, nhưng đó là quy trình hàn cảm ứng;  quy trình đó cần phải có dữ liệu chứng nhận cho một quy trình sản xuất.  Điều đó hiện đang được thực hiện tại Triumph Aerospace Structures.  Họ đang phát triển dữ liệu thiết kế cần thiết.”

AAM thường ám chỉ máy bay nhỏ hơn hoạt động từ các sân bay trong thành phố và vật liệu tổng hợp nhựa nhiệt dẻo cho đến nay đã tự cho mình những bộ phận nhỏ tốt hơn so với cánh và thân máy bay cỡ máy bay.  Howell nhận xét: “Về mặt lịch sử, những hình dạng có thể định dạng bằng con dấu chủ yếu được xem xét ở kích thước nhỏ hơn.  “Giờ đây, với nhựa nhiệt dẻo bố trí sợi tự động cho các bộ phận có kích thước bằng thân máy bay hoặc cánh, bạn không cần phải tạo áp lực.”  Kỹ sư vật liệu cho biết, “Phần đó của ngành vẫn chưa trưởng thành… Chúng tôi chưa đạt được điều đó, nhưng nó đang đến.” 

Vật liệu tổng hợp nhiệt dẻo và nhiệt rắn có ứng dụng rộng rãi trong các bộ phận khác nhau của xe AAM.  (Toray Advanced Composites) 

Nhựa nhiệt dẻo có thể làm cho taxi bay dễ va chạm hơn và chống hư hỏng.  Howell cho biết, “Nhựa nhiệt dẻo hỏng khác nhiều so với nhựa nhiệt rắn.  Đó là sự thất bại duyên dáng.  Các sợi vẫn sẽ hoạt động, nhưng ma trận có nhiều khả năng bị hỏng hơn.  Thay vì các mảnh vỡ ra, các polyme vẫn giữ lại với nhau.  Nó không quá thảm khốc, nhưng nó vẫn sẽ thất bại.  Nó sẽ hữu ích vì nó có khả năng bị hỏng cao hơn trong vật liệu nền.”

Jaunt's Peryea lưu ý rằng, "Tất cả các quy trình kiểm tra không phá hủy đều áp dụng cho nhựa nhiệt dẻo."  Anh ấy nói, “Chúng tôi đang thực sự thiết kế theo các phương pháp thiết kế hàng không thương mại, trong đó tần suất kiểm tra giảm so với các phương pháp thiết kế hiện đang được sử dụng trong ngành công nghiệp cánh quạt.”