Fortschritte bei Composite-Aerostrukturen für Urban Air Mobility

Die Vorstellung fliegender Autos geistert seit langem durch die Popkultur – von der Zeichentrickserie Jetsons in den frühen 1960ern über den Star Wars-Landspeeder in den 70ern bis hin zu zahlreichen neueren Science-Fiction-Varianten. Allen gemeinsam ist das Versprechen einer Zukunft, in der der tägliche Verkehr die dritte Dimension erobert und Staus sowie Pendlerstress umgeht. Dabei wurde angenommen, dass ein solches Transportsystem kurz vor der Realisierung steht – eine technisch bewältigbare Herausforderung. Heute, fast 60 Jahre nach den Jetsons, scheinen wir tatsächlich an der Schwelle einer solchen Verkehrswende zu stehen.

Derzeit befinden sich mehrere Flugzeugentwicklungsprogramme weit fortgeschritten auf dem Weg zur Fertigung und Flugerprobung. Sie zielen darauf ab, den Personen- und/oder Frachttransport in großen urbanen Gebieten weltweit innerhalb der nächsten fünf Jahre zu erleichtern. Alle diese Flugzeuge sind batteriebetrieben und依赖 in hohem Maße auf das gewichtsparende, festigkeitssteigernde Potenzial von Composites.

Fortschritte bei Composite-Aerostrukturen für Urban Air Mobility

UAM, AAM, eVTOL

Diese Verkehrswende trägt viele Namen. Begonnen hat sie mit elektrisch start- und landefähigen Flugzeugen (eVTOL), doch dieser Begriff ist bisweilen zu spezifisch, weshalb die Branche auf Urban Air Mobility (UAM) umschwenkte. Die NASA bevorzugt Advanced Air Mobility (AAM), was ein breiteres Spektrum abdeckt und den urbanen Fokus der Technologie aufhebt – obwohl AAM sehr stark für den urbanen Raum konzipiert ist.

Unabhängig von der Bezeichnung – wir verwenden hier das geläufigere UAM – sind Flugzeuge dieser Gattung für zwei Hauptfunktionen ausgelegt: Zum einen für pilotierte oder autonome Lufttaxi-Dienste, die Personen von Punkt A nach B (Heliport/Flughafen zu Heliport/Flughafen) über Distanzen von 25 bis 400 Kilometern inner- oder zwischenstädtisch befördern. Zum anderen für autonomen Frachttransport in ähnlichen Umgebungen.

Die ökonomischen Treiber und Kennzahlen von UAM sind zahlreich und können hier nicht alle beleuchtet werden (KPMG bietet einen guten Überblick über Technologie und Hintergründe), doch einer der größten Treiber ist die rasante Urbanisierung des Planeten. Bis 2050 werden laut UN 68 % der Weltbevölkerung – rund 7,1 Milliarden Menschen – in urbanen Gebieten leben. Dies wird die Verkehrsinfrastruktur massiv unter Druck setzen und Autofahren zunehmend erschweren. Die Ausweitung des Verkehrs in den Luftraum über Städten soll diesen Druck lindern. Daher der boomende UAM-Markt.

Luftfahrtqualität, Automobilstückzahlen

Unabhängig von Marktkräften und Ökonomie betreten UAM-Hersteller composites-technologisches Neuland. UAM-Flugzeuge müssen, um in Dienst gestellt zu werden, von der zuständigen Luftfahrtbehörde zertifiziert werden – ähnlich wie große Verkehrsflugzeuge. In den USA ist das die FAA, in Europa die EASA. Die Zertifizierung erfordert das Einhalten bestimmter Sicherheits- und Leistungsmetriken. Der Einsatz von Composites zur Erfüllung dieser Anforderungen ist zwar nicht trivial, aber mit mehreren gängigen Material- und Prozesskombinationen gut machbar.

Gleichzeitig peilen UAM-Hersteller Vollserienstückzahlen von hunderten, wenn nicht tausenden Einheiten an. Das ist ein gewaltiger Sprung gegenüber den acht Maschinen pro Monat bei der Boeing 787 oder dem Airbus A350. Um solche Raten zu erreichen, müssen Prozess-, Prozesskontroll- und Automatisierungstechnologien entwickelt werden, die hochwertige, spec-konforme Aerostrukturen wiederholgenau, zuverlässig und effizient fertigen. Damit ist die UAM-Fertigung zum Vorzeigebegriff für den gängigen Composites-Slogan „Aerospace quality, automotive quantity“ geworden.

Einer der Vorreiter im Lufttaxi-Dienst ist erwartungsgemäß Uber, das mit Uber Elevate einen aerialen Ridesharing-Dienst geschaffen hat. Uber Elevate hat mehrere UAM-Fertigungspartner unter Vertrag, die Flugzeuge für das Unternehmen bauen: Aurora Flight Sciences, Bell, Embraer, Hyundai, Jaunt Air Mobility, Joby Aviation, Overair und Pipistrel Vertical Solutions.

Mischa Pollack, Vehicle Design and Structures Lead bei Uber, sagte während einer CAMX-2020-Präsentation, dass das Unternehmen eine initiale Zertifizierung seines Dienstes in einigen Städten bis 2023 anstrebt, gefolgt von Expansion 2026 und signifikantem Hochlauf 2028. Bis 2035 erwartet Uber Elevate Lufttaxi-Dienste in mehr als 50 Märkten mit einer Nachfrage von 10.000 UAM-Flugzeugen pro Jahr. „Diese Zahl“, so Pollack, „liegt noch näher an kommerziellen Luftfahrtfertigungsraten, aber wir brauchen weiterhin eine Evolution der Composites-Fertigung.“

Wie sieht diese Evolution aus? Pollacks Wunschliste für die Vollserie ist im Grunde ein Fahrplan zur Industrialisierung, den die Composites-Branche seit Jahren erwartet: Bis zu 4.500 Tonnen pro Jahr hochmoduliger/hochfester Carbonfaser, verstärkte Automatisierung durch automatisiertes Band- und Faserlegen, erweiterter Einsatz von Press- und Pultrusionsprozessen, strategische Nutzung faserverstärkter additiver Fertigung, automatisiertes Kleben und Schweißen, Echtzeit-Inline-Inspektion, wenig bis kein Abfall, vermehrter Einsatz materialien mit niedrigem Grauenergiegehalt, substanzieller Einsatz recycelter Materialien sowie Anwendung nachhaltiger Energie-, Material- und Prozessstrategien.

Glücklicherweise hat die Composites-Industrie noch einige Jahre Zeit, die Lieferkette für solche Bedarfe aufzubauen. Bis dahin gestaltet jeder UAM-Hersteller den Produktionsanlauf anders: Einige behalten die gesamte Fertigung im Haus, andere prototypen intern, verlagern die Serie aber an Partner, wieder andere setzen von Anfang an auf Drittpartner und führen diese Strategie in die Serie fort.

Heute arbeiten über 100 Unternehmen an der Entwicklung von UAM-Flugzeugen für Lufttaxi- oder Frachttransportdienste, aber nur eine Handvoll ist ausreichend finanziert, um fliegende Prototypen oder Demonstratoren zu bauen. Dazu gehören: Beta Technologies (South Burlington, Vermont, USA), EHang (Guangzhou, China), Joby Aviation (Santa Cruz, Kalifornien, USA), Lilium (München, Deutschland), Pipistrel (Ajdovščina, Slowenien), Volocopter (Bruchsal, Deutschland) und Wisk (Mountain View, Kalifornien, USA).

Alle hier vorgestellten UAM-Flugzeuge teilen mehrere Gemeinsamkeiten: Erstens sind sie relativ klein, mit Kapazität für zwei bis vier Passagiere oder äquivalente Frachtmasse. Zweitens sind sie fast alle autonom geflogen. Drittens sind sie vollelektrisch und abhängig von wiederaufladbaren Batterien. Viertens nutzen sie Auftriebsrotoren für senkrechten Start und Landung. Nicht jeder hier gelistete Hersteller war bereit, CW mitzuteilen, wie er Composites in seinem Fluggerät einsetzt. Folgt eine Zusammenfassung der bereitgestellten Informationen.

Beta Technologies

Leise und zügig voran schreitet Beta Technologies, das den ALIA 250c entwickelt – ein pilotiertes eVTOL für den Transport von bis zu fünf Passagieren. Das Flugzeug verfügt über vier Auftriebsrotoren und einen Schubrotor. Die Auftriebsrotoren sitzen auf Auslegern vor und hinter jedem Über-Flügel-Rumpf; der Schubrotor befindet sich am Heck hinter dem Horizontalleitwerk. Die Zielreichweite beträgt 400 Kilometer. Zwar für Passagiere ausgelegt, ist die Erstnutzung für den Transport menschlicher Organe für den Launch-Kunden United Therapeutics vorgesehen.

Die Fertigung aller Composite-Strukturen für den ALIA 250c übernimmt Blue Force Technologies (BFT, Morrisville, North Carolina, USA), spezialisiert auf Design, Engineering, Werkzeugbau, Prototyping und Serienfertigung von Composite-Bauteilen für die Luftfahrt. Shawn Herrmann, VP Future Projects bei BFT, berichtet, dass sein Team von Beta Technologies besonders gefordert war, da strenge Gewichts- und Leistungsvorgaben an den ALIA 250c gestellt wurden. Drei Elemente leiteten das Beta-Design: eine strikte minimale Strukturggewichtsanteil (am Gesamtgewicht) von 25 %, hochkonturierte Konfigurationen mit multiplen Struktur-zu-Struktur-Schnittstellen, die aerodynamisches Blending erfordern, und eine hochintegrierte Struktur mit minimalen Fugen.

„Beta zielt auf einen Reichweiten-Designpunkt, in den sich noch niemand vorgewagt hat, daher müssen wir einen großen, effizienten Flügel tragen, ohne den Leergewichtsanteil für den Schwebeflug zu opfern“, erklärt Herrmann. „Jedes Pfund, das an Struktur eingespart wird, kann in Batterien fließen und damit die Reichweite erhöhen.“

Um das erste Flugzeug zu bauen, musste BFT sein aggressives Gewichtsziel mit einem Prozess erreichen, der sich für Weichwerkzeuge eignet, ohne signifikante Performance-Einbußen gegenüber einem typischen niedrigtemperaturhärtenden Standardmodul-Prepreg hinzunehmen. „Wir haben festgestellt, dass wir mit unserem proprietären Infusionsverfahren in Kombination mit unserem Weichwerkzeugansatz einen gesamten experimentellen [flugtauglichen] Rumpf in der gleichen Zeit bauen können, die für den Bau von Carbon-Werkzeugen für einen Prepreg-basierten Prototyp erforderlich wäre“, sagt Herrmann.

Herrmann zufolge entwickelt BFT seit fünf Jahren Harzinfusionstechniken für Primärstrukturen an Prototypen. Mit ALIA führte das Unternehmen weitere Material- und Prozesstests durch, um seine Infusionstechniken zu iterieren und zu verbessern, sodass die mechanischen Eigenschaften den vom Programm geforderten Strukturggewichtsanteil erreichen. Dies gelang mit einem Harzsystem, das nur Raumtemperaturhärtung und freistehende Nachhärtung erforderte. Zudem strebte BFT an, die ALIA-Strukturen mit so wenigen Fugen wie möglich zu fertigen – also lange, integrierte Strukturen, einschließlich des 50-Fuß-Flügels und der zwei 35-Fuß-Ausleger, die die Auftriebsrotoren halten.

Das für den ersten ALIA verwendete Harzsystem wurde intern entwickelt und ist somit kein offiziell qualifiziertes Material. Das reicht für Prototypen, räumt Herrmann ein, aber beim Serienstart wird die Zertifizierung vermutlich andere Material- und Prozessentscheidungen erzwingen, einschließlich eines möglichen Wechsels zu Prepregs. „Die Zertifizierung wird der Haupttreiber für die Materialauswahl beim Serienflugzeug sein“, so Herrmann. „Das Serienflugzeug wird gleich aussehen und ähnlich schwer sein, aber Materialien und Prozesse einsetzen, die für Zertifizierung und Hochratefertigung Sinn ergeben.“

Weitere Aspekte für die Vollserie – deren Volumen Beta nicht bekannt gegeben hat – umfassen Materialfluss und Automatisierung. BFT hat bereits an Ersterem gearbeitet, und Letzteres, so Herrmann, ist fast sicher: „Automatisierung muss die in der Auslegung verwendeten mechanischen Eigenschaften liefern, die Rate produzieren, für die die Fabrik ausgelegt ist, zu den prognostizierten minimalen Wiederholkosten und muss als wiederholbar und zuverlässig nachgewiesen werden, um Laminate zu erzeugen, die den Annahmen zu Defektgröße und -dichte im Schadensverträglichkeitsansatz zur Zertifizierung entsprechen. Wir sehen eine Zukunft der Serienfertigung mit verschiedenen Automatisierungsgraden in Lagen, Inspektion, Trimmen/Bohren, Montage etc.“

EHang

EHang geht einen etwas anderen Weg und entwickelt den EHang 216, ein autonomes Hubschrauber-eVTOL für Lufttaxi-Transport von zwei Passagieren oder Fracht (auch Luftlogistik genannt). Es verfügt über acht Koaxialrotoren, jeweils an einem strukturellen Arm, der radial vom Rumpfboden ausgeht. Die Rotorarme können zum Platzsparen vertikal gefaltet werden. Wie Volocopters VoloCity (siehe unten) steht der EHang 216 auf Kufen. Maximale Nutzlast: 220 kg, maximale Reichweite: 35 km.

Flugvideos des EHang 216 sind zahlreich und demonstrieren die Fähigkeit als Personen- und Frachtträger. Im Mai 2020 erhielt EHang nach eigenen Angaben die weltweit erste kommerzielle Pilotbetriebsgenehmigung von der chinesischen Zivilluftfahrtbehörde für Luftlogistik mit dem EHang 216. Im Juli 2020 folgte ein Special Flight Operations Certificate von Transport Canada Civil Aviation für Testflüge in Québec, Kanada.

EHangs strategischer Fertigungspartner – inklusive Composites – für den EHang 216 ist der Luftfahrtfertiger FACC AG (Ried im Innkreis, Österreich). Weder EHang noch FACC wollten Composite-Material- oder Verfahrensinformationen mit CW teilen, aber FACC berichtete, dass es mit EHang die in Entwicklung befindlichen Flugzeuge optimieren und Pläne für die Serienfertigung erarbeiten wird. FACC unterstützt auch bei Zertifizierung, Aftermarket-Wartung und F&E.

Joby Aviation

Eines der prominentesten AAM-Programme gehört Joby Aviation, das ein noch namenloses, pilotiertes Hubschrauber-eVTOL für Lufttaxi-Transport von bis zu vier Passagieren entwickelt. Das Joby-Flugzeug zeichnet sich durch sechs Kipprotoren aus. Je zwei Rotoren sind an jedem Über-Flügel-Rumpf montiert, zwei am Heck. Das Fahrwerk besteht aus drei Rädern, die Reichweite beträgt 240 km, die Höchstgeschwindigkeit 320 km/h.

Joby hat eine mehrjährige kommerzielle Partnerschaft mit Uber Elevate, erwägt aber auch einen eigenen Ridesharing-Dienst. In jedem Fall peilt das Unternehmen 2023 den Markteintritt an.

Joby teilte CW keine Composite-Material- und Verfahrensinformationen mit, aber bekannt ist, dass Joby umfangreiche Composite-Fertigungsoperationen in und um seine Santa-Cruz-Anlage aufgebaut hat. John Geriguis, Advanced Development bei Joby, sagte in einer CAMX-2020-Präsentation, dass Jobys Industrialisierungsziele denen von Ubers Pollack ähneln, aber als Dinge formuliert sind, die das Unternehmen in seiner Composite-Fertigung vermeiden will: Wenig bis kein Abfall, keine Materialablaufdaten, keine Out-Time-Limits, keine Personalprobleme, keine Abhängigkeit von menschlichen Variablen, keine menschliche Inspektion und keine Nacharbeiten nach Abschluss des Baus. Geriguis merkte zudem an, dass Joby derzeit Thermoharzsysteme nutzt, aber Chancen für die Integration thermoplastischer Composites in künftigen Flugzeuggenerationen sieht.

Lilium

Das in Deutschland ansässige Lilium entwickelt den Lilium Jet, ein pilotiertes, starrflügliges eVTOL-Lufttaxi mit Platz für bis zu vier Passagiere. Trotz „Jet“ im Namen wird der Lilium Jet von 36 kippbaren Ducted Fans angetrieben, die an den Vorderkanten der Flügel und am Horizontalleitwerk sitzen. Er ist für innerstädtischen Verkehr konzipiert, hat eine Reichweite von 300 km und eine Höchstgeschwindigkeit von 300 km/h. Lilium hat den Lilium Jet flugerprobt, ein Video wurde im Oktober 2019 auf der Lilium-Website veröffentlicht. Im Juli gab Lilium einen Carbonfaser-Liefervertrag mit Toray (Tokio, Japan) bekannt. Toray wird zunächst Carbonfaser direkt an Lilium für zusätzliche Technologiedemonstratoren liefern. Beim Prototypen- und Serienbau wird Toray die Fasern an Zulieferer liefern, die Composite-Teile für Lilium fertigen.

Yves Yemsi, Chief Program Officer bei Lilium, sagt, dass Carbonfaser-Composites in allen Primärstrukturen des Lilium Jet eingesetzt werden – Rumpf, Flügel und Klappen. Weitere Rückmeldungen und Informationen von Lilium wurden versprochen, aber nicht geliefert.

Pipistrel

Etwas abseits steht Pipistrel, das den Nuuva V300 entwickelt – ein autonomes eVTOL nicht für Passagiere, sondern für Luftfracht und Luftlogistik. Es nutzt acht Auftriebsrotoren und einen Schubrotor, maximale Nutzlast: 460 kg. Fracht wird im Rumpf verstaut, zugänglich von der Seite oder dem Bug. Pipistrel befindet sich mitten in der Fertigung des ersten Nuuva V300-Prototyps, nimmt aber bereits Serienaufträge an und plant, „mehrere hundert“ pro Jahr zu fertigen.

Pipistrel verweist auf über 25 Jahre Erfahrung in der Composite-Aerostrukturfertigung und fokussiert sich beim Nuuva V300 auf Austauschbarkeit von Bauteilen, Feldreparierbarkeit und schnelle Aushärtungsprozesse. Das Unternehmen nutzt ausschließlich epoxidbasierte Prepregs, verarbeitet primär per Handlege und Raumtemperaturhärtung, mit gelegentlicher Autoklavhärtung für kleinere Teile. Für die Serienfertigung erwartet Pipistrel den umfangreichen Einsatz von Out-of-Autoclave-Prepreg-basierter Automatisierung.

Volocopter

Das von Volocopter entwickelte Fluggerät, der VoloCity, ist ein autonomes Hubschrauber-eVTOL mit zwei Passagiersitzen. Der VoloCity steht auf Kufen statt Fahrwerk, wird von 18 Auftriebsrotoren angetrieben, hat eine maximale Nutzlast von 200 kg, eine Höchstgeschwindigkeit von 110 km/h und eine Reichweite von 35 km. Die Rotoren sind auf einem strukturellen Ring angeordnet, der am Rumpfdach verankert ist: 12 Rotoren gleichmäßig auf dem Ringumfang, sechs weitere auf einem kleineren Durchmesser innerhalb des Rings. Jeder Rotor hat 2,3 m Durchmesser, der Gesamtdurchmesser des Rings beträgt 11,3 m. Volocopter nimmt bereits Reservierungen für den VoloCity entgegen, der 2023 in Dienst gehen soll.

Volocopter setzt Composites im gesamten VoloCity-Rumpf, den Rotorebenen und Sitzen ein. Prototypen und Demonstratoren werden von einem namentlich nicht genannten Composite-Fertigungspartner mittels Carbon- und Glasfaser im Nasslegeverfahren gefertigt. Harztyp nicht genannt, wahrscheinlich Epoxid. In einer Erklärung betont Volocopter, man habe eine qualifizierte Faser/Harz-Kombination gewählt, weil „basierend auf Zeitvorgaben und Zielen es wichtig war, ein qualifiziertes Material zu nutzen, das unseren Bedürfnissen und unserem Produktionszeitplan entspricht.“ Beim Serienstart plant Volocopter den Wechsel zu einem Out-of-Autoclave-Prepreg, gefertigt von „internationalen Herstellern“.

Wie viele VoloCity-Flugzeuge jährlich produziert werden sollen, ist unbekannt, aber Unternehmensaussagen deuten auf „Tausende“ hin, mit dem Zusatz: „Sicher ist, dass wir Produktionsraten anstreben, die denen von Automobilherstellern näher sind als denen heutiger Flugzeughersteller.“

Wisk

Wisk, ein Joint Venture von Boeing (Seattle, Washington, USA) und Kitty Hawk (Palo Alto, Kalifornien, USA), entwickelt die Cora – ein autonomes, starrflügliges eVTOL-Lufttaxi für zwei Passagiere. Cora wird von 12 Auftriebsrotoren angetrieben – je drei vor und hinter jedem Flügel – und einem Schubrotor am Heck vor dem Leitwerk. Das Fahrwerk besteht aus drei Rädern. Maximale Reichweite: 40 km, Höchstgeschwindigkeit: 160 km/h.

Wisk gibt an, dass alle Primärstrukturen der Cora im Haus mit Composites aus einer proprietären Harz-Faser-Kombination gefertigt werden. In einer Erklärung hieß es, qualifizierte Materialien seien gewählt worden, weil „es generell einfacher ist, das Design von einer bereits bewährten Lösung aus zu starten.“ Der Fertigungsprozess ist lasergeführtes Handlege mit Out-of-Autoclave-Konsolidierung unter Vakuumbeutel. Fertige Strukturen werden mit Grenzbelastungstests, Thermografie und Ultraschallinspektion geprüft. Mit steigender Produktion will das Unternehmen Automatisierungstechnologien integrieren, um die „für eVTOLs vorgesehenen Produktionsraten“ zu erreichen. Wisk plant, die Fertigung im Haus zu behalten, Auftragnehmer liefern ergänzende Kapazität bei Engpässen.

Tabelle 1: UAM-Hersteller, Flugzeuge

Hersteller/Flugzeug

Antrieb

Steuerung

Kapazität

Max. Reichweite

Max. Geschwindigkeit

Beta Technologies ALIA