Proces návrhu letadla - Aircraft design process
Proces návrhu letadla je volně definovanou metodou používanou k vyvážení mnoha konkurenčních a náročných požadavků na výrobu letadla, které je silné, lehké, ekonomické a unese přiměřené užitečné zatížení a přitom je dostatečně spolehlivé, aby bezpečně letělo po celou dobu životnosti letadla. Technika je podobná, ale náročnější než obvyklý proces projektování , je vysoce iterativní, zahrnuje kompromisy na vysoké úrovni konfigurace, směs analýzy a testování a podrobné zkoumání přiměřenosti každé části struktury. U některých typů letadel je proces navrhování regulován vnitrostátními úřady letové způsobilosti .
Tento článek se zabývá motorovými letadly, jako jsou letadla a vrtulníky .
Omezení návrhu
Účel
Proces návrhu začíná zamýšleným účelem letadla. Komerční dopravní letadla jsou navržena pro přepravu užitečného nákladu pro cestující nebo náklad, dlouhého doletu a vyšší palivové účinnosti, kde jsou jako stíhací letouny určeny k provádění vysokorychlostních manévrů a poskytují blízkou podporu pozemním jednotkám. Některá letadla mají specifické mise, například obojživelná letadla mají jedinečný design, který jim umožňuje operovat z pevniny i z vody, někteří stíhači, jako Harrier Jump Jet , mají schopnost VTOL (vertikální vzlet a přistání), helikoptéry mají schopnost vznášet se nad oblastí po určitou dobu.
Účelem může být splnění konkrétního požadavku, např. Jako v historickém případě specifikace britského ministerstva letectví , nebo vyplnění vnímané „mezery na trhu“; tj. třída nebo konstrukce letadla, která dosud neexistuje, ale po které by byla značná poptávka.
Předpisy pro letadla
Dalším důležitým faktorem, který ovlivňuje konstrukci, jsou požadavky na získání typového osvědčení pro novou konstrukci letadel. Tyto požadavky jsou publikovány hlavními národními úřady letové způsobilosti včetně Federálního úřadu pro letectví USA a Evropské agentury pro bezpečnost letectví .
Letiště mohou také stanovit omezení pro letadla, například maximální rozpětí křídel povolené pro konvenční letadlo je 80 metrů (260 stop), aby se zabránilo kolizím mezi letadly při pojíždění.
Finanční faktory a trh
Omezení rozpočtu, požadavky trhu a konkurence stanoví omezení procesu návrhu a zahrnují netechnické vlivy na konstrukci letadel spolu s faktory životního prostředí. Konkurence vede k tomu, že společnosti usilují o lepší efektivitu při navrhování bez kompromisů v oblasti výkonu a začlenění nových technik a technologií.
V padesátých a šedesátých letech byly pravidelně stanovovány nedosažitelné cíle projektu, ale poté se od nich upustilo, zatímco dnes se problematické programy, jako jsou Boeing 787 a Lockheed Martin F-35 , ukázaly být mnohem nákladnější a složitější na vývoj, než se očekávalo. Byly vyvinuty pokročilejší a integrovanější nástroje pro návrh. Systémové inženýrství založené na modelech předpovídá potenciálně problematické interakce, zatímco výpočetní analýza a optimalizace umožňuje návrhářům prozkoumat více možností v raných fázích procesu. Rostoucí automatizace ve strojírenství a výrobě umožňuje rychlejší a levnější vývoj. Technologické pokroky od materiálů k výrobě umožňují složitější varianty designu, jako jsou multifunkční díly. Jakmile nebylo možné je navrhnout nebo zkonstruovat, lze je nyní vytisknout 3D , ale musí ještě prokázat svou užitečnost v aplikacích, jako je Northrop Grumman B-21 nebo přepracovaný A320neo a 737 MAX . Airbus a Boeing také uznávají ekonomické limity, že další generace dopravních letadel nemůže stát více než předchozí.
Faktory prostředí
Zvýšení počtu letadel také znamená vyšší emise uhlíku. Vědci v oblasti životního prostředí vyjádřili znepokojení nad hlavními druhy znečištění letadel, zejména hlukem a emisemi. Letecké motory jsou historicky proslulé vytvářením hlukového znečištění a rozšiřování dýchacích cest v již přetížených a znečištěných městech vyvolalo velkou kritiku, a proto bylo nutné mít environmentální politiku pro hluk letadel. Hluk vychází také z draku, kde se mění směry proudění vzduchu. Vylepšené předpisy týkající se hluku přiměly konstruktéry k vytvoření tišších motorů a draků. Emise z letadel obsahovat částice, oxid uhličitý (CO 2 ), oxid siřičitý (SO 2 ), oxid uhelnatý (CO), různé oxidy z dusičnanů a nespálených uhlovodíků . Pro boj se znečištěním stanovila ICAO v roce 1981 doporučení ke kontrole emisí letadel. Byla vyvinuta novější paliva šetrná k životnímu prostředí a použití recyklovatelných materiálů ve výrobě pomohlo snížit ekologický dopad letadel. Kompatibilitu letišť ovlivňují také ekologická omezení. Letiště po celém světě byla postavena tak, aby vyhovovala topografii konkrétního regionu. Prostorová omezení, design chodníků, bezpečnostní oblasti na konci dráhy a jedinečné umístění letiště jsou některé z letištních faktorů, které ovlivňují konstrukci letadel. Změny v konstrukci letadel však ovlivňují také konstrukci letišť, například nedávné zavedení nových velkých letadel (NLA), jako je superjumbo Airbus A380 , vedlo k tomu, že letiště na celém světě přepracovala svá zařízení tak, aby vyhovovala jeho velkým požadavkům na velikost a služby.
Bezpečnost
Vysoká rychlost, palivové nádrže, atmosférické podmínky ve výškách plavby, přírodní nebezpečí (bouřky, krupobití a střety ptáků) a lidské chyby jsou některá z mnoha nebezpečí, která představují hrozbu pro leteckou dopravu.
Letová způsobilost je standard, podle kterého jsou letadla určena k letu. Odpovědnost za letovou způsobilost nesou vnitrostátní regulační orgány pro letectví , výrobci a také vlastníci a provozovatelé.
Mezinárodní organizace pro civilní letectví stanoví mezinárodní normy a doporučené postupy, z nichž by vnitrostátní orgány založit své předpisy. Vnitrostátní regulační orgány stanoví standardy letové způsobilosti, vydávají osvědčení výrobcům a provozovatelům a standardy školení personálu. Každá země má svůj vlastní regulační orgán, jako je Federal Aviation Administration v USA, DGCA (generální ředitelství pro civilní letectví) v Indii atd.
Výrobce letadla zajišťuje, aby letadlo splňovalo stávající konstrukční standardy, definuje provozní omezení a plány údržby a poskytuje podporu a údržbu po celou dobu provozní životnosti letadla. Mezi provozovatele letectví patří osobní a nákladní dopravní letadla , letectvo a majitelé soukromých letadel. Souhlasí, že budou dodržovat předpisy stanovené regulačními orgány, porozumí omezením letounu stanoveným výrobcem, hlásí závady a pomáhají výrobcům dodržovat normy letové způsobilosti.
Většina kritik designu je v dnešní době postavena na odolnosti proti nárazu . I při největší pozornosti letové způsobilosti stále dochází k nehodám. Crashworthiness je kvalitativní hodnocení toho, jak letadla přežijí nehodu. Hlavním cílem je chránit cestující nebo cenný náklad před škodami způsobenými nehodou. V případě dopravních letadel tuto funkci poskytuje namáhaná kůže přetlakového trupu, ale v případě nárazu do nosu nebo ocasu se velké ohybové momenty dostanou až do trupu, což způsobí zlomeniny v plášti, což způsobí rozpad trupu do menších sekcí. Osobní letadla jsou tedy navržena tak, aby uspořádání sedadel bylo daleko od oblastí, kde by mohlo dojít k nehodě, například v blízkosti vrtule, podvozku gondoly motoru atd. Interiér kabiny je také vybaven bezpečnostními prvky, jako je kyslík masky, které padají v případě ztráty tlaku v kabině, uzamykatelné zavazadlové prostory, bezpečnostní pásy, záchranné vesty, nouzové dveře a světelné podlahové pásy. Letadla jsou někdy konstruována s ohledem na nouzové přistání vody , například Airbus A330 má spínač „příkopu“, který zavírá ventily a otvory pod letadlem a zpomaluje pronikání vody.
Optimalizace designu
Konstruktéři letadel obvykle hrubý původní návrh s přihlédnutím ke všem omezením jejich návrhu. Historicky návrhářské týmy bývaly malé, obvykle v jejich čele stál hlavní designér, který zná všechny konstrukční požadavky a cíle a podle toho tým koordinoval. S postupem času rostla i složitost vojenských a leteckých letadel. Moderní vojenské a letecké projekty jsou tak rozsáhlé, že každý designový aspekt řeší různé týmy a poté se spojují. V obecném letectví velké množství lehkých letadel navrhuje a staví amatérští nadšenci a nadšenci .
Počítačem podporovaná konstrukce letadel
V raných letech konstrukce letadel konstruktéři obecně používali analytickou teorii k provádění různých technických výpočtů, které vstupují do procesu návrhu spolu se spoustou experimentů. Tyto výpočty byly pracné a časově náročné. Ve čtyřicátých letech minulého století začalo několik inženýrů hledat způsoby, jak automatizovat a zjednodušit proces výpočtu, a bylo vyvinuto mnoho vztahů a poloempirických vzorců. I po zjednodušení byly výpočty nadále rozsáhlé. S vynálezem počítače si inženýři uvědomili, že většinu výpočtů lze automatizovat, ale nedostatek vizualizace návrhu a obrovské množství experimentů vedly k tomu, že oblast konstrukce letadel stagnovala. S rozmachem programovacích jazyků mohli inženýři nyní psát programy, které byly přizpůsobeny pro konstrukci letadla. Původně to bylo provedeno na sálových počítačích a používalo se programovacích jazyků nízké úrovně, které vyžadovaly, aby uživatel plynně mluvil jazykem a znal architekturu počítače. Se zavedením osobních počítačů začaly designové programy využívat uživatelsky přívětivější přístup.
Aspekty designu
Hlavní aspekty konstrukce letadel jsou:
Všechny návrhy letadel zahrnují kompromisy těchto faktorů k dosažení konstrukční mise.
Křídlové provedení
Křídlo letadla s pevnými křídly zajišťuje vztlak potřebný k letu. Geometrie křídla ovlivňuje každý aspekt letu letadla. Plocha křídla se obvykle diktována požadovanou pádovou rychlostí, ale celkový tvar planform a dalších detailních aspektech může být ovlivněno rozložení křídlo faktory. Křídlo lze namontovat na trup ve vysokých, nízkých a středních polohách. Konstrukce křídla závisí na mnoha parametrech, jako je výběr poměru stran , poměru kužele, úhlu zatáčení , poměru tloušťky, profilu profilu, vymývání a vzepětí . Průřez křídla je jeho profil křídla . Konstrukce křídla začíná žebrem, které definuje tvar profilu křídla. Žebra mohou být vyrobena ze dřeva, kovu, plastu nebo dokonce z kompozitů.
Křídlo musí být navrženo a testováno tak, aby bylo zajištěno, že vydrží maximální zatížení způsobené manévrováním a atmosférickými poryvy.
Trup
Trup je část letadla, která obsahuje kokpit, kabinu pro cestující nebo nákladový prostor.
Pohon
Pohon letadla lze dosáhnout speciálně navrženými leteckými motory, upravenými motory pro automobily, motocykly nebo sněžné skútry, elektrickými motory nebo dokonce silou lidského svalu. Hlavní parametry konstrukce motoru jsou:
- K dispozici je maximální tah motoru
- Spotřeba paliva
- Hmotnost motoru
- Geometrie motoru
Tah poskytovaný motorem musí vyvažovat odpor při cestovní rychlosti a musí být větší než odpor, aby bylo umožněno zrychlení. Požadavky na motor se liší podle typu letadla. Například komerční dopravní letadla tráví více času cestovní rychlostí a potřebují větší účinnost motoru. Vysoce výkonné stíhačky vyžadují velmi vysoké zrychlení, a proto mají velmi vysoké požadavky na tah.
Hmotnost
Hmotnost letadla je společným faktorem, který spojuje všechny aspekty konstrukce letadla, jako je aerodynamika, struktura a pohon, dohromady. Hmotnost letadla je odvozena z různých faktorů, jako je prázdná hmotnost, užitečné zatížení, užitečné zatížení atd. K výpočtu těžiště celého letadla se používají různé hmotnosti. Těžiště musí odpovídat stanoveným limitům stanoveným výrobcem.
Struktura
Struktura letadlo se zaměřuje nejen na síle, aeroelasticity , trvanlivost , tolerance poškození , stabilitu , ale také o selhání bezpečnosti , korozní odolnost, udržovatelnost a snadnost výroby. Konstrukce musí odolat namáhání způsobenému přetlakem v kabině , pokud je k dispozici, turbulencím a vibracím motoru nebo rotoru.
Proces návrhu a simulace
Konstrukce jakéhokoli letadla začíná ve třech fázích
Koncepční design
Koncepční návrh letadla zahrnuje skicování různých možných konfigurací, které splňují požadované konstrukční specifikace. Nakreslením sady konfigurací se designéři snaží dosáhnout takové konfigurace, která uspokojivě splňuje všechny požadavky a jde ruku v ruce s faktory, jako je aerodynamika, pohon, letový výkon, strukturální a řídicí systémy. Tomu se říká optimalizace designu. V této fázi jsou stanoveny základní aspekty, jako je tvar trupu, konfigurace a umístění křídla, velikost a typ motoru. Omezení návrhu, jako jsou výše uvedená, jsou v této fázi také zohledněna. Konečným produktem je koncepční rozvržení konfigurace letadla na papírové nebo počítačové obrazovce, které mají být zkontrolovány inženýry a dalšími konstruktéry.
Předběžná fáze návrhu
Konfigurace návrhu, ke které došlo ve fázi koncepčního návrhu, je poté upravena a předělaná tak, aby odpovídala návrhovým parametrům. V této fázi se provádí testování v aerodynamickém tunelu a výpočetní tekutinové dynamické výpočty tokového pole kolem letadla. V této fázi se také provádí hlavní strukturální a kontrolní analýza. Aerodynamické nedostatky a strukturální nestability, pokud existují, jsou opraveny a konečný návrh je nakreslen a dokončen. Po dokončení návrhu pak leží klíčové rozhodnutí na výrobci nebo jeho individuálním návrhu, zda skutečně pokračovat ve výrobě letadla. V tomto okamžiku mohlo být několik návrhů, i když dokonale schopných letu a výkonu, odhlášeno z výroby, protože byly ekonomicky nevýhodné.
Fáze návrhu detailu
Tato fáze se jednoduše zabývá aspektem výroby letadla, které má být vyrobeno. Určuje počet, konstrukci a umístění žeber , nosníků , profilů a dalších konstrukčních prvků. Všechny aspekty aerodynamiky, konstrukce, pohonu, řízení a výkonu již byly pokryty v předběžné fázi návrhu a zbývá pouze výroba. V této fázi jsou také vyvíjeny letové simulátory pro letadla.
Zpoždění
Některá komerční letadla zaznamenala ve fázi vývoje značné zpoždění v plánu a překročení nákladů. Mezi příklady patří Boeing 787 Dreamliner se zpožděním 4 roky s masivním překročením nákladů, Boeing 747-8 s dvouletým zpožděním, Airbus A380 s dvouletým zpožděním a překročení nákladů 6,1 miliardy USD, Airbus A350 se zpožděním a překročením nákladů, Bombardier C Series , Global 7000 a 8000, Comac C919 se čtyřletým zpožděním a Mitsubishi Regional Jet , který měl zpoždění o čtyři roky a skončil s prázdnou hmotností.
Vývoj programu
Stávající letadlový program lze vyvinout pro zvýšení výkonu a hospodárnosti prodloužením trupu , zvýšením MTOW , vylepšením aerodynamiky, instalací nových motorů , nových křídel nebo nové avioniky. U 9 100 nmi dlouhého dosahu při Mach 0,8/FL360 ušetří 10% nižší TSFC 13% paliva, 10% zvýšení L/D ušetří 12%, 10% nižší OEW ušetří 6% a všechny kombinace ušetří 28%.
Přetvořit motor
| Základna | Předchozí motory | První let | Re-motory | Nové motory | První let |
|---|---|---|---|---|---|
| DC-8 Super 60 | JT3D | 30. května 1958 | DC-8 Super 70 | CFM56 | 1982 |
| Originální Boeing 737 | JT8D | 09.04.1967 | Boeing 737 Classic | CFM56 | 24. února 1984 |
| Fokker F28 | Rolls-Royce Spey | 09.05.1967 | Fokker 100 /70 | Rolls-Royce Tay | 30. listopadu 1986 |
| Boeing 747 | JT9D / CF6 -50 / RB211 -524 | 9. února 1969 | Boeing 747-400 | PW4000 /CF6-80/RB211-524G/H | 29. dubna 1988 |
| Douglas DC-10 | JT9D/CF6-50 | 29. srpna 1970 | MD-11 | PW4000/CF6-80 | 10. ledna 1990 |
| Douglas DC-9 / MD-80 | JT8D | 25. února 1965 | MD-90 | V2500 | 22. února 1993 |
| Boeing 737 Classic | CFM56-3 | 24. února 1984 | Boeing 737 NG | CFM56-7 | 9. února 1997 |
| Boeing 747-400 | PW4000/CF6/RB211 | 29. dubna 1988 | Boeing 747-8 | GEnx -2b | 8. února 2010 |
| Airbus A320 | CFM56/V2500 | 22. února 1987 | Airbus A320neo | CFM LEAP / PW1100G | 25. září 2014 |
| Boeing 737 NG | CFM56 | 9. února 1997 | Boeing 737 MAX | CFM LEAP | 29. ledna 2016 |
| Embraer E-Jet | CF34 | 19. února 2002 | Embraer E-Jet E2 | PW1000G | 23. května 2016 |
| Airbus A330 | CF6/ PW4000/ Trent 700 | 2. listopadu 1992 | Airbus A330neo | Trent 7000 | 19. října 2017 |
| Boeing 777 | GE90 / PW4000 / Trent 800 | 12. června 1994 | Boeing 777X | GE9X | 25. ledna 2020 |
Natažení trupu
| Základna | Délka základny | První let | Natažené | Natažená délka | První let |
|---|---|---|---|---|---|
| Boeing 737-100 | 28,65 m (94,00 stop) | 09.04.1967 | 737-200 | 30,5 m (100,2 stop) | 8. srpna 1967 |
| 737-500 /600 | 31,00–31,24 m (101,71–102,49 stop) | ||||
| 737-300 /700 | 33,4–33,63 m (109,6–110,3 stop) | ||||
| 737 MAX 7 | 35,56 m (116,7 ft) | ||||
| 737-400 | 36,40 m (119,4 ft) | ||||
| 737-800 /MAX 8 | 39,47 m (129,5 stop) | ||||
| 737-900 /MAX 9 | 42,11 m (138,2 stop) | ||||
| 737 MAX 10 | 43,80 m (143,7 ft) | plán. 2020 | |||
| Boeing 747 -100/200/300/400 | 70,66 m (231,8 stop) | 9. února 1969 | Boeing 747SP | 56,3 m (185 stop) | 4. července 1975 |
| Boeing 747-8 | 76,25 m (250,2 stop) | 8. února 2010 | |||
| Boeing 757 | 47,3 m (155 stop) | 19. února 1982 | Boeing 757-300 | 54,4 m (178 stop) | |
| Boeing 767-200/ER | 48,51 m (159,2 stop) | 26. září 1981 | Boeing 767-300/ER | 54,94 m (180,2 stop) | |
| Boeing 767-400ER | 61,37 m (201,3 stop) | ||||
| Boeing 777-200/ER/LR | 63,73 m (209,1 stop) | 12. června 1994 | Boeing 777X -8 | 69,8 m (229 stop) | |
| Boeing 777-300/ER | 73,86 m (242,3 ft) | 16. října 1997 | |||
| Boeing 777X-9 | 76,7 m (252 stop) | 25. ledna 2020 | |||
| Boeing 787 -8 | 56,72 m (186,08 stop) | 15. prosince 2009 | Boeing 787-9 | 62,81 m (206,08 stop) | 17. září 2013 |
| Boeing 787-10 | 68,28 m (224 stop) | 31. března 2017 | |||
| Airbus A300 | 53,61–54,08 m (175,9–177,4 stop) | 28. října 1972 | Airbus A310 | 46,66 m (153,1 stop) | 3. dubna 1982 |
| Airbus A320 (neo) | 37,57 m (123,3 stop) | 22. února 1987 | Airbus A318 | 31,44 m (103,1 ft) | 15. ledna 2002 |
| Airbus A319 (neo) | 33,84 m (111,0 stop) | 25. srpna 1995 | |||
| Airbus A321 (neo) | 44,51 m (146,0 stop) | 11. března 1993 | |||
| Airbus A330-300 /900 | 63,67 m (208,9 stop) | 2. listopadu 1992 | Airbus A330-200 /800 | 58,82 m (193,0 stop) | 13. srpna 1997 |
| Airbus A340-300 | 63,69 m (209,0 stop) | 25. října 1991 | Airbus A340-200 | 59,40 m (194,9 ft) | 1. dubna 1992 |
| Airbus A340-500 | 67,93 m (222,9 stop) | 11. února 2002 | |||
| Airbus A340-600 | 75,36 m (247,2 stop) | 23. dubna 2001 | |||
| Airbus A350 -900 | 66,61 m (218,5 stop) | 14. června 2013 | A350-1000 | 73,59 m (241,4 ft) | 24. listopadu 2016 |
Viz také
Reference
externí odkazy
- Egbert Torenbeek (1976), Synthesis of Subsonic Airplane Design , Delft University Press
- Antonio Filippone (2000), „Data a výkony vybraných letadel a rotorových letadel“, Progress in Aerospace Sciences , Elsevier, 36 (8): 629–654, Bibcode : 2000PrAeS..36..629F , CiteSeerX 10.1.1.539.1597 , doi : 10,1016/S0376-0421 (00) 00011-7
- „Design letadla: syntéza a analýza“ . Desktop Aeronautics, Inc. 2001.
- Dennis F. Shanahan (8. března 2005). „Základní principy odolnosti proti nárazu“ (PDF) . NATO .
- M. Nila, D. Scholz ( Hamburská univerzita aplikovaných věd ) (2010). „Od předběžného návrhu kabiny letadla po optimalizaci kabiny“ (PDF) . Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress .Správa CS1: používá parametr autorů ( odkaz )
- "Letec" . Nerezidentská školení . Americké námořnictvo. Prosinec 2012.
- Guy Norris (10. března 2014). „Boeingova„ Zázračná zeď “ “ . Síť leteckého týdne .
- Dieter Scholz (9. července 2018). „Design letadel - otevřený vzdělávací zdroj“ . Hamburk Otevřená online univerzita.
Přetvořit motor
- Thomas C. Hayes (27. listopadu 1981). „BOEINGOVA RE-ENGININGOVÁ“ STAROST ” . NY Times .
- Oliver Wyman (prosinec 2010). „Re-Engine or Not to Re-Engine: To je otázka“ . Síť leteckého týdne .