新興都市のエアモビリティ市場における複合航空構造

空飛ぶ車のアイデアは、 Jetsons から、大衆文化で長い間予告されてきました。 1960年代初頭からスターウォーズまでの漫画 70年代のランドスピーダー、および最近のサイエンスフィクションの他の多くの化身。彼ら全員が提唱する約束は、毎日の交通機関が3次元に入り、現代の通勤である交通と混雑を回避できる未来です。さらに、彼らの仮定は、そのような簡単な輸送がすぐそこにあるということでした—克服できない技術的挑戦。今日、宇宙家族ジェットソンから約60年後、ついに、私たちはそのような輸送革命の最前線にいるように見えます。

現在、製造および飛行試験の経路に沿って、今後5年以内に世界中の大都市圏で乗客および/または貨物の輸送を容易にすることを目的としたいくつかの航空機開発プログラムがあります。これらの航空機はすべてバッテリー駆動であり、複合材の軽量化と強度を与える力に大きく依存しています。

UAM、AAM、eVTOL

この輸送革命とは何ですか？それは多くの名前で行きます。それは電気垂直離着陸（eVTOL）航空機から始まりましたが、これは時々具体的すぎる可能性があるため、業界はアーバンエアモビリティ（UAM）に切り替えました。 NASAは、AAMが都市環境向けに設計されているにもかかわらず、多くの拠点をカバーし、都市に焦点を当てたテクノロジーの性質を取り除いた高度なエアモビリティ（AAM）を好みます。

名前に関係なく（ここではより一般的なUAMを使用します）、このジャンルの航空機は2つの機能のいずれかを実行するように設計されています。 1つは、パイロットまたは自律型のエアタクシーサービスを提供し、A地点からB地点（ヘリポート/空港からヘリポート/空港）まで、都市内または都市間で25〜400キロメートルの距離を移動します。 2番目の機能は、同様の環境で自律的な貨物輸送を提供することです。

UAMを推進する経済学と指標は数多くあり、ここですべてを探求できるわけではありません（KPMGはテクノロジーとその背後にあるものについての優れた入門書を提供します）が、最大の推進力の1つは地球の急速な都市化です。国連によると、2050年までに、世界の人口の68％（約71億人）が都市部に住むようになります。これにより、交通インフラに大きな圧力がかかり、車での移動がますます困難になります。都市の空域への旅行を拡大することは、その圧力を和らげることが期待されます。したがって、急成長しているUAM市場。

航空宇宙の品質、自動車の数量

市場の力と経済性に関係なく、UAMメーカーはこれまで未踏の複合材料製造領域に参入しました。 UAM航空機が就航するには、大型の商用航空機が認定されているのと同様に、空の旅を管理する当局によって認定されている必要があります。米国ではそれがFAAであり、ヨーロッパではEASAです。その認証を取得するには、航空機が特定の安全性と性能の指標を満たしている必要があります。認証要件を満たすための複合材料の使用は、些細なことではありませんが、いくつかの一般的な材料とプロセスの組み合わせに簡単に到達できます。

ただし、UAMメーカーは、数千台ではないにしても、数百台のフルレート生産量も検討しています。これは、ボーイング787やエアバスA350の月額8機の製造とはかけ離れています。このような速度を達成するには、高品質の仕様に準拠した航空構造を繰り返し、確実かつ効率的に生成できるプロセス、プロセス制御、および自動化技術の開発が必要になります。このように、UAM製造業は、「航空宇宙の品質、自動車の量」という一般的な複合材料のフレーズのポスターの子になりました。

エアタクシーサービスのリーダーの1人は、予想通り、空中ライドシェアリングサービスであるUberElevateを作成したUberです。 Uber Elevateは、同社の航空機を製造するいくつかのUAM製造パートナーと契約を結んでいます。これらには、Aurora Flight Sciences、Bell、Embraer、Hyundai、Jaunt Air Mobility、Joby Aviation、Overair、Pipistrel VerticalSolutionsが含まれます。

Uberの車両設計および構造リーダーであるMischaPollackは、CAMX 2020のプレゼンテーションで、同社は2023年までにいくつかの都市でサービスの初期認証を取得し、その後2026年に拡張し、2028年に大幅にスケールアップする予定であると述べました。彼によると、Uber Elevateは、年間10,000台のUAM航空機の需要があり、50を超える市場で空中ライドシェアリングサービスを提供する予定です。「この数は、まだ商業航空宇宙製造率に近いですが、進化するには複合材料製造が必要です。」

そのような進化はどのように見えますか？ポラックのフルレート生産希望リストは、基本的に、複合材業界が数年間予測していた工業化へのロードマップです。高弾性/高強度炭素繊維の年間最大4,500メートルトン、自動テープおよび繊維配置による自動化の向上、圧縮および引抜成形プロセスの使用の拡大、繊維強化添加剤製造の戦略的使用、自動ボンディングおよび溶接、リアルタイムのインライン検査、廃棄物のほとんどまたはまったくない、低体化エネルギー材料の使用の増加、リサイクル材料の実質的な使用および持続可能なエネルギー、材料、プロセス戦略の適用。

幸いなことに、複合材業界は、そのようなニーズを満たすことができるサプライチェーンを開発するのに数年かかります。その間、各UAMメーカーがどのように生産に移行するかは異なります。以下に示すように、一部の製品はすべての生産を社内で行っています。社内でプロトタイピングを行っているものもありますが、フルレートの生産をパートナーにシフトします。他の企業は最初からサードパーティのパートナーと契約しており、その戦略を本番環境に維持します。

現在、エアタクシーや貨物輸送サービス用のUAM航空機の開発に取り組んでいる企業は100社を超えていますが、飛行プロトタイプやデモンストレーターを製造するのに十分な資金が提供されているのはほんの一握りです。それらは、ベータテクノロジーズ（サウスバーリントン、バーモント州、米国）、EHang（広州、中国）、ジョビーアビエーション（サンタクルーズ、カリフォルニア州、米国）、リリウム（ミュンヘン、ドイツ）、ピピストレル（アイドフシュチナ、スロベニア）、ボロコプター（ブルッフザール、ドイツ）とウィスク（マウンテンビュー、カリフォルニア、米国）。

ここで紹介するすべてのUAM航空機には、いくつかの共通の特徴があります。まず、それらは比較的小さく、2〜4人の乗客、または同等の貨物量を収容できます。第二に、それらはほとんどすべて自律的に飛行します。第三に、それらは完全に電気であり、飛行のために充電式バッテリーに依存しています。第四に、彼らは垂直離陸と着陸を可能にするリフティングローターの使用に依存しています。ここにリストされているすべてのUAMメーカーが CW と共有することをいとわなかったコンポジットをクラフトに展開する方法。以下は、提供された情報の要約です。

ベータテクノロジーズ

静かにそして迅速に前進しているのは、 ALIA 250c を開発しているBetaTechnologiesです。最大5人の乗客を輸送するためのパイロットeVTOL。この飛行機は、4つのリフティングローターと1つのプッシュローターを備えています。リフティングローターは、各胴体外翼の前後のブームに配置されています。プッシュローターは、水平尾翼の後ろの飛行機の後部にあります。 ALIA 250c のターゲット範囲は400キロメートルで、乗客を運ぶように設計されていますが、航空機の最初の用途は、ローンチカスタマーのユナイテッドセラピューティクスの人間の臓器輸送です。

ALIA 250c のすべての複合構造の製造 Blue Force Technologies（BFT、Morrisville、N.C.、U.S。）は、航空宇宙エンドマーケット向けの複合部品および構造物の設計、エンジニアリング、ツーリング、プロトタイピング、およびフルレート生産を専門としています。 BFTの将来のプロジェクト担当副社長であるShawnHerrmannは、彼のチームは、 ALIA 250c に多数の重量とパフォーマンスの規定が付随しているBetaTechnologiesによって特に挑戦されたと述べています。。彼は、BFTはベータ設計の3つの要素によって導かれたと言います：25％の厳密な最小構造重量分率（空力混合を必要とする複数の構造間インターフェースを備えた高度に輪郭のある構成、および高度にユニット化された構造）最小限のジョイントで。

「ベータは、他の誰も挑戦していない範囲の設計ポイントを目指しています。したがって、ホバーのために空の重量分率を犠牲にすることなく、大きくて効率的な翼を運ぶ必要があります」とHerrmann氏は言います。「構造物から取り外されたすべてのポンドはバッテリーに行く可能性があり、したがってより長い距離になります。」

最初の航空機を製造するために、BFTは、一般的な低温硬化標準弾性率プリプレグと比較して大きな性能を放棄することなく、ソフトツーリングに適したプロセスを使用して積極的な重量目標を達成する必要がありました。「独自の注入ベースのプロセスを使用することで、ソフトツーリングアプローチと組み合わせて、実験用の[飛行に耐える]機体全体を、カーボンツーリングの構築に必要な時間と同じ時間で構築できることがわかりました。プリプレグベースのプロトタイプ。」

Herrmannは、BFTは、過去5年間、プロトタイプの一次構造用の樹脂注入技術を開発してきたと述べています。 ALIA を使用、同社はさらに材料とプロセスのテストを実施して、注入技術を繰り返し強化し、プログラムに必要な構造的重量分率を達成する機械的特性を生み出しました。さらに、これは、室温硬化と自立型後硬化のみを必要とする樹脂システムで行われました。さらに、BFTは ALIA の作成に努めましたの構造は可能な限りジョイントが少なく、これは長いユニット化された構造を意味します—50フィートの翼とリフティングローターを保持する2つの35フィートのブームを含みます。

最初の ALIA の製造に使用された樹脂システム、Herrmannは、社内で開発されたため、正式に認定された資料ではないと述べています。これはプロトタイピングには十分であると彼は認めていますが、 ALIA 生産に入ると、認証は、プリプレグへの潜在的なシフトを含む、さまざまな材料とプロセスの決定を強いる可能性があります。「認証は、生産航空機の材料選択における主要な推進力になるでしょう」とハーマンは言います。「生産航空機は同じように見え、重量も同じですが、認証と高速生産に適した材料とプロセスを採用します。」

フルレート生産に関するその他の考慮事項（ベータ版では公開されていません）には、自動化だけでなく、材料とプロセスフローも含まれます。 BFTはすでに前者の作業を開始しており、後者はほぼ確実であるとHerrmann氏は言います。また、認証への損傷許容アプローチで行われた欠陥サイズと密度の仮定と一致するラミネートを生成するために、再現性と信頼性が高いことを示す必要があります。レイアップ、検査、トリム/ドリル、組み立てなどのさまざまなレベルの自動化を使用したレート生産の未来が見えます。」

EHang

少し違う方法をとっているのは、 EHang 216 を開発しているEHangです。、2人の乗客または貨物のエアタクシー輸送用に設計された自律型ヘリコプターeVTOL（エアロジスティクスとも呼ばれます）。それは8つの同軸反転ローターを特徴とし、それぞれが胴体の底から放射状に伸びる構造アームに取り付けられています。ローターアームは垂直に折りたたむことができ、航空機の保管を容易にします。 Volocopterの VoloCity のように（以下を参照）、 EHang 216 スキッドの上に立っています。最大ペイロードは220キログラム、最大航続距離は35キロです。

飛行中のEHang216のビデオは豊富にあり、人と貨物運搬船としての航空機の能力を示しています。 2020年5月、EHangは、中国民用航空局からEHang216を使用する世界初の商用パイロット運用承認であると同社が述べていることを認められました。航空ロジスティクスの目的で。これに続いて、2020年7月に、カナダ運輸省の民間航空が発行した特別飛行運用証明書が付与されました。これにより、 EHang 216 のトライアルフライトが可能になりますカナダのケベックで。

EHang 216 向けのEHangの戦略的製造パートナー（コンポジットを含む）航空宇宙製造業者FACCAG（Ried im Innkreis、オーストリア）です。 EHangもFACCも、複合材料や処理情報を CW と共有することをいとわなかったこの話については、FACCはEHangと協力して、開発中の航空機を最適化し、連続生産の計画を立てるのに役立つと報告しています。 FACCは、認証、アフターマーケットメンテナンスサービス、研究開発にも役立ちます。

ジョビーアビエーション

最も注目を集めているAAMプログラムの1つは、最大4人の乗客をエアタクシーで輸送するためのまだ名前のないパイロットヘリコプターeVTOLを開発しているJobyAviationに属しています。 Jobyクラフトは、6つの傾斜を備えているという点で注目に値します。ローター。各胴体翼には2つのローターが取り付けられており、尾部には2つのローターが取り付けられています。航空機は三輪着陸装置の上に立っており、航続距離は240キロメートル、最高速度は時速320キロメートルです。

Jobyは、空中ライドシェアリングサービスのUber Elevateと複数年にわたる商業パートナーシップを結んでいますが、独自のライドシェアリングサービスの開始も検討しているとのことです。いずれにせよ、同社は2023年のサービス開始を目標としています。

Jobyは、航空機に関する複合材料とプロセス情報を CW と共有しませんでした。この話については、しかし、ジョビーがサンタクルス施設内およびその近くで重要な複合材料製造事業を開発したことはよく知られています。 Jobyの高度な開発であるJohnGeriguisは、CAMX 2020でのプレゼンテーションで、Jobyの工業化目標はUberのPollackによって概説されたものと似ていますが、同社が複合材料製造業務で避けたいものとして組み立てられていると述べました。有効期限、材料の期限制限、人的資源の問題、人的変数への依存、人的検査、完全な構築後の修理はありません。 Geriguisはまた、Jobyは現在熱硬化性樹脂システムを使用していますが、将来の世代の航空機に熱可塑性複合材料を統合する機会があると述べました。

リリウム

ドイツを拠点とするLiliumは、 Lilium Jet を開発しています。、最大4人の乗客を収容できるパイロット付き固定翼eVTOLエアタクシー。名前に「ジェット」が含まれているにもかかわらず、リリウムジェット 各翼の前縁と水平尾翼に取り付けられた36個の傾斜ダクテッドファンによって駆動されます。都市間サービス用に設計されており、航続距離は300キロメートル、最高速度は時速300キロメートルです。 Liliumは Lilium Jet の飛行試験を実施しました、2019年10月にリリウムサイトに投稿されたビデオで見ることができます。リリウムは7月に東レ（東京、日本）との炭素繊維供給契約を発表しました。発表の中で、リリウムは、東レが追加の技術デモンストレーターの生産に使用するために、最初はリリウムに炭素繊維を直接供給すると述べた。 リリウムジェット 試作と生産に入ると、東レはリリウムの複合部品を製造するサプライヤーに炭素繊維を納入します。

LiliumのチーフプログラムオフィサーであるYvesYemsiは、胴体、翼、フラップなど、LiliumJetのすべての主要構造に炭素繊維複合材が使用されると述べています。 Liliumから約束されたフィードバックと情報。配信されていません。

ピストレル

やや外れ値は、 Nuuva V300 を開発しているPipistrelです。自律型eVTOL、乗客用ではなく、航空貨物および航空ロジスティクスアプリケーション用。 8つのリフティングローターと1つのプッシュローターを使用し、最大ペイロードは460キログラムです。貨物は胴体内に保管され、側面または機首部分からアクセスできます。ピストレルは、最初の Nuuva V300 を製造中です。プロトタイプですが、同社はすでに製造注文を受け付けており、年間「数百」を製造する予定です。

ピストレルは、複合航空構造の製造に25年以上の経験があり、 Nuuva V300 の部品交換性、現場修理性、および迅速硬化プロセスに重点を置いていると述べています。。同社はエポキシベースのプリプレグのみを使用しており、主にハンドレイアップと室温硬化によって処理され、小さな部品にはオートクレーブ硬化が行われることがあります。ピストレルは、航空機が生産に入るときに、オートクレーブ外のプリプレグベースの自動化を広範囲に使用することを期待していると述べています。

ボロコプター

VoloCity と呼ばれる、ボロコプターによって開発されているクラフトは、2人の乗客用の座席を備えた自律型ヘリコプターeVTOLです。 VoloCity 車輪付き着陸装置の代わりにスキッドを使用する、18個のリフティングローターを搭載し、最大ペイロードは200キログラム、時速110キロ、最大対気速度は35キロです。 VoloCity のローターは、胴体の上部に固定された構造リムに配置され、12個のローターがリムの円周上に等距離に配置され、さらに6個がリム内のより小さな直径に配置されています。各ローターの直径は2.3メートルです。リムの総直径は11.3メートルです。ボロコプターは現在、 VoloCity の予約を受け付けています。、2023年までに就役することを望んでいます。

Volocopterは、 VoloCity 全体にコンポジットを適用していると述べています。機体、ロータープレーン、シート。プロトタイプとデモンストレーターのクラフトは、名前のない複合材製造業者のパートナーによって、ウェットレイアップを介して炭素繊維とガラス繊維を使用して製造されています。樹脂の種類は特定されていませんが、エポキシである可能性があります。声明の中で、ボロコプターは、「時間の制約と目標に基づいて、私たちのニーズと生産のタイムラインに合った適格な材料を使用することが重要だった」ため、適格な繊維/樹脂の組み合わせを選択したと述べています。 VoloCity の場合ボロコプターはフルレート生産に参入し、「国際的なメーカー」が製造を提供する脱オートクレーブプリプレグに移行することを期待していると述べています。

VoloCity の数クラフトボロコプターが年間生産量を期待していることは不明ですが、このストーリーの情報要求に対する同社の声明は「数千人」を示唆し、「確かに、自動車メーカーに近い生産率を達成しようとしていることは確かです。現在の航空機メーカーよりも。」

ウィスク

ボーイング（米国ワシントン州シアトル）とキティホーク（米国カリフォルニア州パロアルト）の合弁会社であるウィスクは、コーラを開発しています。、2人乗りの座席を備えた自律型固定翼eVTOLエアタクシー。 コーラ は12個のリフティングローター（各翼の前後に3個）と、尾翼の前の胴体の後端にある1個のプッシュローターによって駆動されます。飛行機は三輪着陸装置の上に立っています。 コーラ 最大航続距離は40キロメートル、最高速度は時速160キロメートルです。

Wiskは、 Cora のすべての主要な構造を言います樹脂と繊維の独自の組み合わせを使用した複合材料を使用して社内で製造されています。声明の中で、ウィスク氏は、「すでに実証済みのソリューションから設計を開始する方が一般的に簡単である」ため、適格な材料が選択されたと述べました。製造プロセスは、真空バッグの下でのオートクレーブ外の統合を伴うレーザー誘導ハンドレイアップです。完成した構造物は、限界負荷試験、サーモグラフィー、超音波検査で評価されます。生産が増加するにつれて、同社は自動化テクノロジーを統合して「eVTOLで現在想定されている生産率」を満たすことを期待しています。 Wiskはまた、 Cora の場合、自社製造を維持することを期待していると述べています。容量の制約に応じて請負業者が補足生産を提供し、フルレートの生産を開始します。

表1：UAMメーカー、航空機

メーカー/クラフト

推進力

コントロール

容量

最大範囲

最大速度

BetaTechnologiesの ALIA