Um dos desafios aeronáuticos do século 21 é encontrar uma maneira de construir rapidamente novas aeronaves sustentáveis. E é esse desafio que um dos mais novos projetos da NASA tem a tarefa de enfrentar.
O projeto Manufatura de Aeronave de Compósito de Alta-Taxa (HiCAM – Hi-Rate Composite Aircraft Manufacturing) está pesquisando como fabricar componentes de aeronaves de grande porte, como asas e fuselagens, a partir de materiais compósitos a uma velocidade mais alta – comparável à de aeronaves feitas de materiais metálicos.
“O HiCAM está permitindo que o uso generalizado de materiais compostos seja aplicado na próxima geração de aeronaves. Para isso, precisamos criar sistemas de construção que produzam aeronaves com rapidez e custo competitivo”, disse Rick Young, gerente de projetos da HiCAM, com sede no Centro de Pesquisa Langley da NASA, na Virgínia.
Frota de aviação sustentável
O HiCAM está ocorrendo como parte da Parceria Nacional de Voo Sustentável (SFNP), por meio da qual a NASA e seus parceiros na indústria, academia e governo estão trabalhando para tornar a aviação mais sustentável usando tecnologias verdes.
Ao construir mais componentes de aeronaves a partir de compósitos – que podem ser uma mistura personalizada de materiais como plásticos, grafite e cerâmica – o peso de uma aeronave pode ser substancialmente reduzido, tornando-a mais eficiente em termos de consumo de combustível.
Mas como os compósitos tornam esses projetos inovadores possíveis?
“Uma ótima analogia de como os compósitos funcionam é uma folha de compensado”, disse Young. “Tem muitas camadas de madeira, e o grão de cada camada corre em uma direção diferente. Essas camadas são empilhadas e coladas, formando o compensado. Colocar camadas em direções diferentes evita que cada camada de madeira se parta ao longo do veio, tornando-a mais forte.”
Os compósitos têm camadas de materiais reforçados com fibra, geralmente plástico. Essas camadas são muito finas – a espessura de uma folha de papel – e feitas de fibras de grafite rígidas e leves, 10 vezes menores que um fio de cabelo humano. Cada camada corre em uma direção diferente e, quando empilhadas e endurecidas, formam uma estrutura rígida que não é facilmente quebrada.
Portanto, os compósitos podem ser ainda mais fortes e leves do que os metais usados atualmente na construção de aeronaves. Essa qualidade também permite que os projetistas de aeronaves sejam mais criativos na criação de formas aerodinâmicas inovadoras que podem ajudar a reduzir o uso de combustível.
Novas ambições, novo projeto
Durante os próximos 20 anos, a frota mundial de aviação comercial precisará de cerca de 40.000 novas aeronaves para atender à crescente demanda por viagens aéreas e substituir aviões antigos.
A aposentadoria de aeronaves mais antigas, combinada com o crescimento previsto na demanda por viagens aéreas, se traduz na substituição da maior parte da frota global atual e na duplicação de seu tamanho. A maioria dessas novas aeronaves será necessária no mercado de modelos de corredor único.
“No momento, aviões de corredor único como o Boeing 737 são construídos a uma taxa de cerca de 60 aeronaves por mês e são feitos de estruturas metálicas. Aeronaves que já usam compósitos, como o Airbus A220 ou o maior Boeing 787 Dreamliner, são produzidas a uma taxa não superior a 14 por mês”, disse Young.
O objetivo do HiCAM é acelerar esse processo, visando a capacidade de construir 80 aeronaves por mês com materiais compósitos. Para conseguir isso, os pesquisadores estão investigando quais materiais compósitos e métodos de construção podem ser acelerados para atingir essa alta taxa de produção.
“Muito do que estamos fazendo é levar a produção de compósitos para o próximo nível. Estamos pegando métodos que já foram comprovados e descobrindo como fazer isso mais rápido. Aumentar a taxa de produção pode reduzir significativamente o custo das estruturas compostas, necessárias para competir internacionalmente”, disse Young.
A taxa de produção é limitada pelo tempo que leva para fabricar as peças, montá-las para fazer componentes de aeronaves grandes e inspecionar os resultados quanto à qualidade.
A maioria dos componentes de aeronaves atualmente feitos de compósitos são termofixos, que funcionam de maneira semelhante aos epóxis de duas partes usados em casa. Quando os dois materiais se misturam e são aquecidos, ocorre uma reação química que os combina em um objeto sólido e rígido. O processo é irreversível e os dois materiais não podem ser separados novamente.
Para cada peça, as matérias-primas compostas são colocadas camada por camada em um molde. O conteúdo flexível do molde torna-se sólido curando-o sob alta temperatura e pressão em um enorme forno chamado autoclave.
Ao todo, este é um processo longo, com materiais colocados no molde, preparados para a autoclave, curados dentro da autoclave por até oito horas, resfriados e montados em componentes acabados – sem contar todas as inspeções necessárias ao longo do processo.
Encontrando as coisas certas
A parte central do trabalho do HiCAM é examinar quais materiais compósitos curam mais rapidamente na autoclave, quais podem ser curados sem o uso de uma autoclave, e se existem compósitos adicionais que podem ser adotados na construção de aeronaves.
Por exemplo, o projeto está considerando a ideia de usar materiais termoplásticos. Ao contrário dos termofixos, os termoplásticos são semelhantes a um bastão de cola ou cola quente. Quando aquecidos, eles derretem em líquido. Quando resfriados, eles se tornam sólidos em qualquer nova forma que tenha sido criada.
“Os termoplásticos não requerem o longo processo de cozimento de oito horas que os termofixos fazem. Eles têm sido amplamente utilizados em interiores de aeronaves, nos compartimentos de bagagem superiores, por exemplo, mas nunca foram usados na indústria de fabricação de aeronaves para componentes maiores, como asas ou fuselagem”, disse Young.
Além dos termoplásticos, o HiCAM também está pesquisando o uso de novas resinas para reduzir o tempo de cura para minutos em vez de horas – ou até mesmo eliminar a necessidade de autoclave.
Outra maneira pela qual o HiCAM procura acelerar a taxa de produção é reduzir o tempo de montagem. Atualmente, os componentes de aeronaves feitos de compósitos são feitos em peças menores e montados usando milhares de fixadores. Uma solução em que a HiCAM está trabalhando é “costurar” peças compostas antes de serem curadas – fabricando efetivamente um grande componente composto que não requer fixadores.
Outras etapas demoradas no processo de produção são quando os humanos realizam determinadas tarefas, como inspeções. Às vezes, isso pode atrasar toda a linha de montagem, especialmente se um componente apresentar defeitos.
Para resolver esses atrasos, o HiCAM está pesquisando maneiras de envolver mais automação para tarefas como inspeções, o que aceleraria as coisas. Também está sendo observada a inspeção in situ, ou inspeção durante o próprio processo de fabricação.
Implementação na Indústria
O HiCAM está trabalhando em conjunto com parceiros da indústria no Advanced Composites Consortium (Consórcio de Compósitos Avançados) no desenvolvimento desses processos de compósitos de alta taxa de fabricação. Os parceiros do setor incluem fabricantes de aeronaves, desenvolvedores de equipamentos e software e fornecedores de materiais.
“A tecnologia que estamos buscando é destinada a novas aeronaves de transporte que entrarão em serviço no início de 2030”, disse Young. “O objetivo do HiCAM é provar que essa taxa de construção pode ser alcançada para compósitos até 2026, então transferir a tecnologia para a indústria da aviação para que eles possam implementá-la em um novo programa de produção de aeronaves.”
Embora o foco do HiCAM esteja em aeronaves de transporte, Young observa o potencial para outras aplicações da tecnologia, incluindo pequenas estruturas de aeronaves para Mobilidade Aérea Avançada.
Informações da NASA
