Faire progresser les aérostructures composites pour la mobilité aérienne urbaine

L'idée d'une voiture volante hante la culture populaire depuis longtemps, du dessin animé Les Jetson au début des années 1960 au landspeeder de Star Wars dans les années 70, en passant par de nombreuses autres incarnations dans la science-fiction plus récente. Toutes promettent un avenir où le transport quotidien investirait la troisième dimension, contournant les embouteillages et la congestion qui caractérisent les déplacements modernes. De plus, elles postulaient qu'un tel transport facile était à portée de main – un défi technique pas insurmontable. Aujourd'hui, près de 60 ans après Les Jetson, il semble que nous soyons enfin à l'aube d'une telle révolution du transport.

Actuellement, plusieurs programmes de développement d'aéronefs sont bien avancés dans la fabrication et les essais en vol, visant à faciliter le transport de passagers et/ou de fret dans les grandes zones urbaines du monde entier d'ici les cinq prochaines années. Tous ces appareils sont alimentés par batteries et dépendent grandement du gain de poids et de la résistance offerts par les composites.

UAM, AAM, eVTOL

Comment appelle-t-on cette révolution du transport ? Elle porte de nombreux noms. Elle a commencé avec les aéronefs à décollage et atterrissage verticaux électriques (eVTOL), mais ce terme peut être trop spécifique ; l'industrie a donc adopté « mobilité aérienne urbaine » (UAM). La NASA préfère « mobilité aérienne avancée » (AAM), qui couvre un spectre plus large et retire la connotation urbaine – bien que l'AAM soit conçue pour l'environnement urbain.

Quel que le nom – nous utiliserons ici le plus courant UAM –, ces aéronefs sont conçus pour deux fonctions principales. L'une est de fournir un service de taxi aérien piloté ou autonome, transportant des personnes du point A au point B (héliport/aéroport vers héliport/aéroport) sur une distance de 25 à 400 km, en intra- ou interurbain. La seconde est d'assurer le transport autonome de fret dans des environnements similaires.

Les facteurs économiques et les indicateurs qui propulsent l'UAM sont nombreux et ne peuvent tous être explorés ici (KPMG propose une bonne introduction à la technologie et à ses fondements), mais l'un des principaux moteurs est l'urbanisation rapide de la planète. D'ici 2050, selon l'ONU, 68 % de la population mondiale – environ 7,1 milliards de personnes – vivront en zones urbaines. Cela exercera une pression considérable sur les infrastructures de transport, rendant les déplacements en voiture de plus en plus difficiles. Étendre les déplacements dans l'espace aérien au-dessus des villes devrait soulager cette pression. D'où l'essor du marché UAM.

Qualité aérospatiale, quantité automobile

Quelles que soient les forces du marché et l'économie, les fabricants UAM s'aventurent dans un territoire de fabrication composite jusqu'alors inexploré. Pour entrer en service, les aéronefs UAM doivent être certifiés par l'autorité qui régit le transport aérien, comme les gros porteurs commerciaux. Aux États-Unis, c'est la FAA ; en Europe, l'EASA. Obtenir cette certification exige que l'appareil réponde à certains critères de sécurité et de performance. L'utilisation de composites pour satisfaire à ces exigences, bien que non triviale, est à la portée de plusieurs combinaisons courantes de matériaux et de procédés.

Cependant, les fabricants UAM envisagent aussi des cadences de production en série de centaines, voire de milliers d'unités. C'est bien loin des huit exemplaires par mois du Boeing 787 ou de l'Airbus A350. Atteindre de tels taux nécessitera le développement de technologies de procédé, de contrôle de procédé et d'automatisation capables de produire de manière répétable, fiable et efficace des aérostructures de haute qualité, conformes aux spécifications. Ainsi, la fabrication UAM est devenue la vitrine de la maxime commune dans le composite : « Qualité aérospatiale, quantité automobile. »

L'un des leaders du service de taxi aérien est, prévisiblement, Uber, qui a créé Uber Elevate, un service de covoiturage aérien. Uber Elevate a conclu des contrats avec plusieurs partenaires fabricants UAM qui construiront des appareils pour l'entreprise. Parmi eux : Aurora Flight Sciences, Bell, Embraer, Hyundai, Jaunt Air Mobility, Joby Aviation, Overair et Pipistrel Vertical Solutions.

Mischa Pollack, responsable de la conception et des structures chez Uber, a déclaré lors d'une présentation au CAMX 2020 que l'entreprise anticipe une certification initiale de son service dans quelques villes d'ici 2023, suivie d'une expansion en 2026 et d'une montée en charge significative en 2028. D'ici 2035, selon lui, Uber Elevate prévoit des services de covoiturage aérien dans plus de 50 marchés avec une demande de 10 000 aéronefs UAM par an. « Ce chiffre, a-t-il dit, reste plus proche des cadences de l'aéronautique commerciale, mais nous avons encore besoin que la fabrication composite évolue. »

À quoi ressemble cette évolution ? La liste de souhaits de Pollack pour la production en série est essentiellement une feuille de route vers l'industrialisation que l'industrie des composites anticipe depuis plusieurs années : jusqu'à 4 500 tonnes métriques par an de fibre de carbone à haut module/haute résistance, automatisation accrue via le dépôt de ruban et de fibre automatisés, utilisation élargie des procédés de compression et de pultrusion, usage stratégique de la fabrication additive à fibres renforcées, collage et soudage automatisés, inspection en ligne en temps réel, peu ou pas de déchets, utilisation accrue de matériaux à faible énergie grise, utilisation substantielle de matériaux recyclés et application de stratégies durables en matière d'énergie, de matériaux et de procédés.

Heureusement, l'industrie des composites a quelques années pour développer la chaîne d'approvisionnement capable de répondre à de tels besoins. En attendant, la manière dont chaque fabricant UAM passera en production varie. Certains, comme indiqué ci-dessous, gardent toute la production en interne. D'autres font du prototypage en interne mais externaliseront la production en série. D'autres encore ont engagé des partenaires tiers dès le départ et maintiendront cette stratégie en production.

Aujourd'hui, plus de 100 entreprises travaillent au développement d'aéronefs UAM pour des services de taxi aérien ou de transport de fret, mais seules quelques-unes ont été suffisamment financées pour produire des prototypes ou démonstrateurs volants. Ce sont : Beta Technologies (South Burlington, Vermont, États-Unis), EHang (Guangzhou, Chine), Joby Aviation (Santa Cruz, Californie, États-Unis), Lilium (Munich, Allemagne), Pipistrel (Ajdovščina, Slovénie), Volocopter (Bruchsal, Allemagne) et Wisk (Mountain View, Californie, États-Unis).

Tous les aéronefs UAM présentés ici partagent plusieurs caractéristiques communes : d'abord, ils sont relativement petits, avec une capacité de deux à quatre passagers, ou une masse équivalente de fret. Ensuite, ils sont presque tous pilotés de manière autonome. Troisièmement, ils sont entièrement électriques et dépendent de batteries rechargeables pour le vol. Quatrièmement, ils s'appuient sur des rotors portants permettant le décollage et l'atterrissage verticaux. Tous les fabricants UAM listés ici n'ont pas souhaité partager avec CW comment ils déploient les composites sur leurs appareils. Ce qui suit est un résumé des informations fournies.

Beta Technologies

C'est discrètement et rapidement que Beta Technologies avance, développant l'ALIA 250c, un eVTOL piloté pour le transport de jusqu'à cinq passagers. Cet avion comporte quatre rotors portants et un rotor propulseur. Les rotors portants sont situés sur des poutres avant et arrière de chaque aile sur fuselage ; le rotor propulseur se trouve à l'arrière de l'avion derrière le plan horizontal. L'autonomie visée pour l'ALIA 250c est de 400 km, et bien qu'il soit conçu pour transporter des passagers, sa première application sera le transport d'organes humains pour le client de lancement United Therapeutics.

La fabrication de toutes les structures composites pour l'ALIA 250c est réalisée par Blue Force Technologies (BFT, Morrisville, Caroline du Nord, États-Unis), spécialisée dans la conception, l'ingénierie, l'outillage, le prototypage et la production en série de pièces et structures composites pour le marché aérospatial. Shawn Herrmann, VP Projets Futurs chez BFT, explique que son équipe a été particulièrement challengée par Beta Technologies, qui avait imposé plusieurs exigences de poids et de performance pour l'ALIA 250c. Il indique que BFT a été guidé par trois éléments de la conception de Beta : une fraction de poids structurel minimum stricte (par rapport au poids total de l'avion) de 25 %, des configurations hautement profilées avec de multiples interfaces structure-à-structure nécessitant un mélange aérodynamique, et une structure hautement unifiée avec un minimum de joints.

« Beta vise un point de conception d'autonomie dans lequel personne ne s'est aventuré, et nous devons donc porter une aile grande et efficace sans sacrifier la fraction de poids à vide pour le vol stationnaire », dit Herrmann. « Chaque livre enlevé à la structure peut aller aux batteries, et donc à une plus grande autonomie. »

Pour fabriquer le premier avion, BFT a dû atteindre sa cible de poids agressive en utilisant un processus compatible avec l'outillage souple, sans sacrifier de performance significative par rapport à un préimprégné standard à bas température de polymérisation. « Nous avons découvert qu'en utilisant notre procédé d'infusion exclusif, combiné à notre approche d'outillage souple, nous pouvons construire une cellule expérimentale [apte au vol] entière en même temps qu'il en faut pour construire l'outillage carbone pour un prototype à base de préimprégné », explique Herrmann.

Herrmann précise que BFT développe des techniques d'infusion de résine pour les structures primaires sur prototypes depuis cinq ans. Avec ALIA, l'entreprise a mené des tests supplémentaires de matériaux et de procédés pour itérer et améliorer ses techniques d'infusion afin d'obtenir des propriétés mécaniques atteignant la fraction de poids structurel requise par le programme. De plus, elle l'a fait avec un système de résine ne nécessitant qu'une polymérisation à température ambiante et un post-cure autoportant. Par ailleurs, BFT a cherché à fabriquer les structures de l'ALIA avec le moins de joints possible, ce qui signifie de longues structures unifiées – y compris l'aile de 50 pieds et les deux poutres de 35 pieds qui supportent les rotors portants.

Le système de résine utilisé pour fabriquer le premier ALIA, selon Herrmann, a été développé en interne et n'est donc pas un matériau officiellement qualifié. Cela suffit pour le prototypage, admet-il, mais à mesure que l'ALIA entre en production, la certification imposera probablement des choix différents de matériaux et de procédés, y compris un passage potentiel aux préimprégnés. « La certification sera le principal moteur de la sélection des matériaux pour l'avion de production », dit Herrmann. « L'avion de production aura le même aspect et un poids similaire, mais utilisera des matériaux et des procédés adaptés à la certification et à la production à haut débit. »

D'autres considérations pour la production en série – dont le volume n'a pas été divulgué par Beta – incluent le flux de matériaux et de procédés, ainsi que l'automatisation. BFT a déjà commencé à travailler sur le premier, et le second, selon Herrmann, est quasi certain : « L'automatisation doit produire les propriétés mécaniques utilisées en conception, au taux pour lequel l'usine a été dimensionnée et au coût récurrent minimal prévu, et doit démontrer sa répétabilité et sa fiabilité pour produire des stratifiés conformes aux hypothèses de taille et de densité de défauts faites dans l'approche de tolérance aux dommages pour la certification. Nous voyons un avenir de production à cadence utilisant divers niveaux d'automatisation dans le drapage, l'inspection, le tronçonnage/perçage, l'assemblage, etc. »

EHang

EHang adopte une approche légèrement différente avec l'EHang 216, un eVTOL hélicoptère autonome conçu pour le transport aérien de deux passagers ou de fret (aussi appelé logistique aérienne). Il comporte huit rotors coaxiaux, chacun monté sur un bras structurel s'étendant radialement depuis le bas du fuselage. Les bras rotors peuvent se replier verticalement pour faciliter le stockage. Comme le VoloCity de Volocopter (voir ci-dessous), l'EHang 216 repose sur des patins. Sa charge utile maximale est de 220 kg et son autonomie maximale de 35 km.

De nombreuses vidéos de l'EHang 216 en vol démontrent ses capacités de transport de personnes et de fret. En mai 2020, EHang a obtenu ce que l'entreprise présente comme la première approbation mondiale d'exploitation commerciale pilote de la part de l'Administration de l'aviation civile de Chine pour utiliser l'EHang 216 à des fins de logistique aérienne. Cela a été suivi en juillet 2020 par l'octroi d'un Certificat d'opérations de vol spécial par Transports Canada Aviation civile, autorisant des vols d'essai de l'EHang 216 au Québec, Canada.

Le partenaire stratégique de fabrication d'EHang – y compris pour les composites – pour l'EHang 216 est le fabricant aérospatial FACC AG (Ried im Innkreis, Autriche). Ni EHang ni FACC n'ont souhaité partager d'informations sur les matériaux ou procédés composites avec CW pour cet article, mais FACC a indiqué qu'elle travaillerait avec EHang pour optimiser les aéronefs en développement et aider à élaborer des plans de production en série. FACC assistera également pour la certification, les services de maintenance après-vente et la R&D.

Joby Aviation

L'un des programmes AAM les plus médiatisés appartient à Joby Aviation, qui développe un eVTOL hélicoptère piloté, encore sans nom, pour le transport aérien de jusqu'à quatre passagers. L'appareil de Joby se distingue par ses six rotors basculants. Deux rotors sont montés sur chaque aile sur fuselage, et deux sur la queue. L'appareil repose sur un train d'atterrissage tricycle, a une autonomie de 240 km et une vitesse maximale de 320 km/h.

Joby a un partenariat commercial pluriannuel avec le service de covoiturage aérien Uber Elevate, mais envisage également de lancer son propre service. En tout cas, l'entreprise vise 2023 pour l'entrée en service.

Joby n'a pas souhaité partager d'informations sur les matériaux et procédés composites de son appareil avec CW pour cet article, mais il est connu que Joby a développé d'importantes opérations de fabrication composite dans et près de son installation de Santa Cruz. John Geriguis, développement avancé chez Joby, a déclaré lors d'une présentation au CAMX 2020 que les objectifs d'industrialisation de Joby sont similaires à ceux énoncés par Pollack d'Uber, mais formulés comme ce que l'entreprise veut éviter dans ses opérations de fabrication composite : peu ou pas de déchets, pas de péremption des matériaux, pas de limites de temps hors congélation, pas de problèmes de ressources humaines, pas de dépendance aux variables humaines, pas d'inspection humaine et pas de réparations après assemblage complet. Geriguis a également noté que bien que Joby utilise actuellement des systèmes de résine thermodurcissable, il existe une opportunité d'intégration de composites thermoplastiques dans les générations futures de l'appareil.

Lilium

L'entreprise allemande Lilium développe le Lilium Jet, un eVTOL à aile fixe piloté, taxi aérien avec places pour jusqu'à quatre passagers. Malgré « Jet » dans le nom, le Lilium Jet est propulsé par 36 ventilateurs carénés basculants montés sur le bord d'attaque de chaque aile et sur la dérive horizontale. Il est conçu pour le service interurbain et offre une autonomie de 300 km et une vitesse maximale de 300 km/h. Lilium a effectué des essais en vol du Lilium Jet, visibles dans une vidéo publiée sur le site de Lilium en octobre 2019. Lilium a annoncé en juillet un contrat de fourniture de fibre de carbone avec Toray (Tokyo, Japon). Selon l'annonce, Toray fournira la fibre de carbone directement à Lilium initialement pour la production de démonstrateurs technologiques supplémentaires. Lorsque le Lilium Jet entrera en prototypage et production, Toray livrera la fibre de carbone aux fournisseurs qui fabriqueront les pièces composites pour Lilium.

Yves Yemsi, directeur de programme chez Lilium, indique que les composites fibre de carbone seront utilisés dans toutes les structures primaires du Lilium Jet, y compris le fuselage, les ailes et les volets. Des retours et informations promises par Lilium n'ont pas été fournis.

Pipistrel

Pipistrel fait figure d'exception en développant le Nuuva V300, un eVTOL autonome non pas pour les passagers mais pour le fret aérien et la logistique aérienne. Il utilise huit rotors portants et un rotor propulseur et a une charge utile maximale de 460 kg. Le fret est stocké dans le fuselage, accessible par le côté ou la section avant. Pipistrel est en train de produire le premier prototype de Nuuva V300, mais l'entreprise prend déjà des commandes de production et prévoit de fabriquer « plusieurs centaines » par an.

Pipistrel affirme avoir plus de 25 ans d'expérience dans la fabrication d'aérostructures composites et se concentre sur l'échangeabilité des pièces, la réparabilité sur le terrain et les procédés de polymérisation rapide pour le Nuuva V300. L'entreprise utilise exclusivement des préimprégnés époxy, mis en œuvre principalement par stratification manuelle et polymérisation à température ambiante, avec polymérisation autoclave occasionnelle pour les petites pièces. Pipistrel s'attend à utiliser largement l'automatisation à base de préimprégnés hors autoclave lorsque l'appareil entrera en production.

Volocopter

L'appareil développé par Volocopter, appelé VoloCity, est un eVTOL hélicoptère autonome avec deux places passagers. Le VoloCity, qui utilise des patins au lieu d'un train d'atterrissage à roues, est propulsé par 18 rotors portants, a une charge utile maximale de 200 kg, une vitesse aérienne maximale de 110 km/h et une autonomie de 35 km. Les rotors du VoloCity sont disposés sur un cerceau structurel ancré au sommet du fuselage, avec 12 rotors équidistants sur la circonférence du cerceau et six autres sur un diamètre plus petit à l'intérieur. Chaque rotor a un diamètre de 2,3 mètres ; le diamètre total du cerceau est de 11,3 mètres. Volocopter prend déjà des réservations pour le VoloCity, qu'il espère mettre en service d'ici 2023.

Volocopter indique appliquer les composites à l'ensemble de la cellule, des plans de rotors et des sièges du VoloCity. Les prototypes et démonstrateurs sont fabriqués par un partenaire fabricant de composites non nommé, utilisant fibre de carbone et fibre de verre par stratification humide. Le type de résine n'a pas été identifié, mais il s'agit probablement d'époxy. Dans un communiqué, Volocopter explique avoir choisi une combinaison fibre/résine qualifiée car, « compte tenu des contraintes de temps et des objectifs, il était important d'utiliser un matériau qualifié répondant à nos besoins et à notre calendrier de production. » Lorsque le VoloCity entrera en production à plein régime, Volocopter prévoit de passer à un préimprégné hors autoclave, avec une fabrication assurée par des « fabricants internationaux ».

Le nombre d'appareils VoloCity que Volocopter prévoit de produire annuellement est inconnu, mais les déclarations de l'entreprise suggèrent « des milliers », ajoutant que « ce qui est certain, c'est que nous visons des taux de production plus proches de ceux des constructeurs automobiles que de ceux des constructeurs aéronautiques actuels. »

Wisk

Wisk, une coentreprise de Boeing (Seattle, Washington, États-Unis) et Kitty Hawk (Palo Alto, Californie, États-Unis), développe le Cora, un eVTOL à aile fixe autonome, taxi aérien avec deux places passagers. Le Cora est propulsé par 12 rotors portants – trois situés avant et après de chaque aile – et un rotor propulseur situé à l'extrémité arrière du fuselage devant la section de queue. L'avion repose sur un train d'atterrissage tricycle. Le Cora a une autonomie maximale de 40 km et une vitesse maximale de 160 km/h.

Wisk indique que toutes les structures primaires du Cora sont fabriquées en interne en composites avec une combinaison exclusive de résine et de fibres. Dans un communiqué, Wisk a précisé que des matériaux qualifiés avaient été choisis car « il est généralement plus facile de partir d'une solution déjà éprouvée. » Le procédé de fabrication est le drapage manuel guidé laser avec consolidation hors autoclave sous vide. Les structures finies sont évaluées par des essais à la limite de charge, la thermographie et l'inspection ultrasonore. À mesure que la production monte en cadence, l'entreprise prévoit d'intégrer des technologies d'automatisation pour répondre aux « taux de production actuellement envisagés pour les eVTOL. » Wisk s'attend également à maintenir la fabrication en interne lorsque le Cora entrera en production à plein régime, avec des sous-traitants apportant une capacité supplémentaire selon les contraintes.

Fabricant / Appareil	Propulsion	Contrôle	Capacité	Autonomie max.	Vitesse max.
Beta Technologies ALIA	4 rotors portants, 1 rotor propulseur	1 pilote	5 passagers	400 km	274 km/h
EHang EHang 216	16 rotors (8 paires)	Autonome	2 passagers ou 220 kg	35 km	130 km/h
Joby (sans nom)	6 rotors basculants	1 pilote	4 passagers	240 km	320 km/h
Lilium Lilium Jet	36 ventilateurs carénés basculants	1 pilote	4 passagers	300 km	300 km/h
Pipistrel Nuuva V300	8 rotors portants, 1 rotor propulseur	Autonome	460 kg (fret)	300 km	220 km/h
Volocopter VoloCity	18 rotors	Autonome	2 passagers ou 200 kg	35 km	110 km/h
Wisk Cora	12 rotors portants, 1 rotor propulseur	Autonome	2 passagers ou 180 kg	40 km	160 km/h