Войти
Модель AST в аэродинамической трубе Процесс проектирования самолета - это свободно определенный метод, используемый для балансировки множество конкурирующих и жестких требований к созданию самолета, который был бы прочным, легким, экономичным и мог бы нести адекватную полезную нагрузку, но при этом был бы достаточно надежным для безопасного полета в течение расчетного срока службы самолета. Подобный, но более требовательный, чем обычный процесс инженерного проектирования, этот метод является очень итеративным, включающим компромиссы конфигурации высокого уровня, сочетание анализа и тестирования и детального изучения адекватности каждой части состав. Для некоторых типов самолетов процесс проектирования регулируется национальными властями по летной годности.
. В этой статье рассматриваются двигатели самолетов, таких как самолеты и вертолеты конструкции.
Процесс проектирования начинается с предполагаемого назначения воздушного судна. Коммерческие авиалайнеры предназначены для перевозки пассажиров или грузов, большой дальности полета и большей топливной экономичности, тогда как истребители предназначены для выполнения маневров на высокой скорости и оказания непосредственной поддержки наземным войскам. У некоторых самолетов есть определенные задачи, например, самолеты-амфибии имеют уникальную конструкцию, которая позволяет им действовать как с земли, так и с воды, некоторые истребители, такие как Harrier Jump Jet, имеют VTOL (вертикальный взлет и посадка), вертолеты могут зависать над областью в течение определенного периода времени.
Целью может быть соответствие определенным требованиям, например как в историческом случае спецификации Министерства авиации Великобритании, или восполнить предполагаемый «пробел на рынке»; то есть класс или конструкция самолетов, которые еще не существуют, но на которые будет значительный спрос.
Еще одним важным фактором, влияющим на конструкцию, являются требования для получения сертификата типа для новой конструкции самолета. Эти требования опубликованы основными национальными органами по летной годности, включая Федеральное управление гражданской авиации США и Европейское агентство по авиационной безопасности.
. Аэропорты также могут налагать ограничения на воздушные суда, например, максимальный размах крыльев, разрешенный для длина обычного самолета составляет 80 метров (260 футов) для предотвращения столкновений между самолетами во время руления.
Бюджетные ограничения, требования рынка и конкуренция устанавливают ограничения на процесс проектирования и включают в себя -технические воздействия на конструкцию самолета наряду с факторами окружающей среды. Конкуренция приводит к тому, что компании стремятся повысить эффективность проектирования без ущерба для производительности и внедрять новые методы и технологии.
В 1950-х и 60-х годах постоянно ставились недостижимые цели проекта, но затем от них отказывались, тогда как сегодня такие проблемные программы, как Boeing 787 и Lockheed Martin F-35 оказались намного более дорогостоящими и сложными в разработке, чем ожидалось. Были разработаны более продвинутые и интегрированные инструменты проектирования. Системная инженерия на основе моделей предсказывает потенциально проблемные взаимодействия, в то время как вычислительный анализ и оптимизация позволяют разработчикам исследовать больше вариантов на ранних этапах процесса. Повышение уровня автоматизации в проектировании и производстве позволяет ускорить и удешевить разработку. Технологический прогресс от материалов к производству позволяет создавать более сложные варианты конструкции, например, многофункциональные детали. Когда-то их было невозможно спроектировать или сконструировать, теперь их можно напечатать на 3D-принтере, но они еще не доказали свою полезность в таких приложениях, как Northrop Grumman B-21 или модернизированный A320neo и 737 MAX. Airbus и Boeing также признают экономические ограничения: следующее поколение авиалайнеров не может стоить дороже, чем предыдущие.
Увеличение количества самолетов также означает увеличение выбросов углерода. Ученые-экологи выразили озабоченность по поводу основных видов загрязнения, связанных с авиацией, в основном шума и выбросов. Авиационные двигатели исторически были печально известны тем, что создавали шумовое загрязнение, а расширение воздушных трасс над уже перегруженными и загрязненными городами вызывало резкую критику, что вызывало необходимость разработки экологической политики в отношении шума самолетов. Шум также исходит от планера, где меняются направления воздушного потока. Повышение уровня шума вынудило конструкторов создавать более тихие двигатели и планеры. Выбросы от самолетов включают твердые частицы, диоксид углерода (CO 2), диоксид серы (SO 2), оксид углерода (CO), различные оксиды, нитраты и несгоревшие углеводороды. Для борьбы с загрязнением в 1981 году ИКАО разработала рекомендации по контролю за эмиссией самолетов. Были разработаны более новые, экологически чистые виды топлива, а использование перерабатываемых материалов в производстве помогло снизить воздействие самолетов на окружающую среду. Ограничения по окружающей среде также влияют на совместимость аэродромов. Аэропорты по всему миру построены с учетом топографии конкретного региона. Ограниченное пространство, конструкция покрытия, взлетно-посадочная полоса конечные зоны безопасности и уникальное расположение аэропорта - вот некоторые из факторов, влияющих на конструкцию самолета. Однако изменения в конструкции самолетов также влияют и на проектирование аэродромов, например, недавнее внедрение новых больших самолетов (NLA), таких как суперджамбо Airbus A380, привело к тому, что аэропорты по всему миру перестроили свои помещения, чтобы приспособить их размеры и требования к обслуживанию.
Высокая скорость, топливные баки, атмосферные условия на крейсерской высоте, стихийные бедствия (грозы, град и удары птиц) и человеческий фактор являются одними из многих опасностей которые представляют угрозу для авиаперелетов.
Летная годность - это стандарт, по которому воздушные суда определяются годными к полетам. Ответственность за летную годность несут национальные органы авиационного регулирования, производители, а также владельцы и эксплуатанты.
Международная организация гражданской авиации устанавливает международные стандарты и рекомендуемые практики, на которых национальные органы власти должны основывать свои правила. Национальные регулирующие органы устанавливают стандарты летной годности, выдают сертификаты производителям и операторам, а также стандарты обучения персонала. В каждой стране есть свой регулирующий орган, такой как Федеральное управление гражданской авиации в США, DGCA (Генеральный директорат гражданской авиации) в Индии и т. Д.
Производитель самолетов обеспечивает соответствие воздушного судна существующим стандартам проектирования, определяет эксплуатационные ограничения и графики технического обслуживания, а также обеспечивает поддержку и техническое обслуживание в течение всего срока эксплуатации воздушного судна. К операторам авиации относятся пассажирские и грузовые авиалайнеры, ВВС и владельцы частных самолетов. Они соглашаются соблюдать правила, установленные регулирующими органами, понимают ограничения самолета, указанные производителем, сообщают о дефектах и помогают производителям поддерживать стандарты летной годности.
Большинство конструкторов критикуют это дней построены на отказоустойчивости. Даже при повышенном внимании к летной годности аварии все равно происходят. Ударостойкость - это качественная оценка того, насколько воздушное судно переживает аварию. Основная цель - защитить пассажиров или ценный груз от повреждений в результате аварии. В случае авиалайнеров эта особенность обеспечивается напряженной обшивкой герметичного фюзеляжа, но в случае удара носом или хвостом большие изгибающие моменты создаются на всем протяжении фюзеляжа, вызывая трещины в корпусе, вызывая разрушение фюзеляжа. на более мелкие разделы. Таким образом, пассажирский самолет спроектирован таким образом, что места для сидения находятся вдали от зон, которые могут быть нарушены в результате аварии, например, рядом с воздушным винтом, шасси гондолы двигателя и т. Д. Внутренняя часть кабины также оснащена устройствами безопасности, такими как кислород маски, которые опускаются в случае потери давления в кабине, запираемые багажные отделения, ремни безопасности, спасательные жилеты, аварийные двери и светящиеся полосы на полу. Самолеты иногда проектируются с расчетом на аварийную посадку на воду, например, на Airbus A330 есть переключатель, который закрывает клапаны и отверстия под самолетом, замедляя проникновение воды.
Конструкторы самолетов обычно делают предварительный проект с учетом всех ограничений на их дизайн. Исторически проектные группы были небольшими, обычно их возглавлял главный конструктор, который знал все требования и задачи проектирования и соответствующим образом координировал работу команды. Со временем сложность военных и авиационных самолетов также росла. Современные военные и авиационные дизайн-проекты настолько масштабны, что каждый аспект дизайна решается разными командами, а затем объединяется. В авиации общего назначения большое количество легких самолетов спроектировано и построено любителями и энтузиастами.
Внешние поверхности самолета, смоделированные в MATLAB В первые годы конструирования самолетов конструкторы обычно использовали аналитическую теорию для выполнения различных инженерных расчетов, которые входят в процесс проектирования, наряду с большим количеством экспериментов. Эти расчеты были трудоемкими и отнимали много времени. В 1940-х годах несколько инженеров начали искать способы автоматизации и упрощения процесса вычислений, и было разработано множество соотношений и полуэмпирических формул. Даже после упрощения вычисления продолжали оставаться обширными. С изобретением компьютера инженеры поняли, что большинство расчетов можно автоматизировать, но отсутствие визуализации конструкции и огромное количество экспериментов удерживали область проектирования самолетов. С появлением языков программирования инженеры могли писать программы, специально предназначенные для проектирования самолетов. Первоначально это было сделано с помощью мэйнфреймов и языков программирования низкого уровня, которые требовали от пользователя свободного владения языком и знания архитектуры компьютера. С появлением персональных компьютеров в программах проектирования стал применяться более удобный подход.
Основными аспектами конструкции самолета являются:
Все конструкции самолета предполагают компромисс этих факторов для достижения проектной задачи.
Крыло самолета с неподвижным крылом обеспечивает подъемник, необходимый для полета. Геометрия крыла влияет на все аспекты полета самолета. Площадь крыла обычно определяется желаемой скоростью сваливания, но на общую форму в плане и другие детали могут влиять факторы компоновки крыла. Крыло может устанавливаться на фюзеляж в высоком, низком и среднем положениях. Конструкция крыла зависит от многих параметров, таких как выбор удлинения, коэффициента конусности, угла стреловидности, отношения толщины, профиля сечения, размыва и двугранного угла.. Форма поперечного сечения крыла - это его аэродинамический профиль. Конструкция крыла начинается с ребра ребра, определяющего форму крыла. Ребра могут быть сделаны из дерева, металла, пластика или даже из композитных материалов.
Крыло должно быть спроектировано и испытано, чтобы гарантировать, что оно может выдерживать максимальные нагрузки, возникающие при маневрировании и порывах атмосферного воздуха.
Фюзеляж - это часть самолета, которая содержит кабину, пассажирскую кабину или грузовой отсек.
Авиационный двигатель Движущая сила самолета может может быть достигнута с помощью специально разработанных авиационных двигателей, адаптированных двигателей автомобилей, мотоциклов или снегоходов, электродвигателей или даже силы мускулов человека. Основные параметры конструкции двигателя:
Тяга, создаваемая двигателем, должна уравновешиваться сопротивление на крейсерской скорости и должно быть больше сопротивления, чтобы обеспечить ускорение. Требования к двигателю зависят от типа самолета. Например, коммерческие авиалайнеры проводят больше времени на крейсерской скорости и требуют большей эффективности двигателя. Высокопроизводительные истребители нуждаются в очень высоком ускорении и поэтому имеют очень высокие требования к тяге.
Вес самолета является общим фактором, который связывает все аспекты конструкции самолета, такие как аэродинамика, структура и движущая сила, все вместе. Вес самолета определяется различными факторами, такими как вес пустого, полезная нагрузка, полезная нагрузка и т. Д. Различные веса используются для последующего расчета центра масс всего самолета. Центр масс должен соответствовать установленным пределам, установленным производителем.
Конструкция самолета ориентирована не только на прочность, аэроупругость, долговечность, устойчивость к повреждениям, стабильность, а также отказоустойчивость, коррозионная стойкость, ремонтопригодность и простота изготовления. Конструкция должна выдерживать нагрузки, вызванные герметизацией кабины, если она есть, турбулентностью и вибрациями двигателя или ротора.
Проектирование любого самолет начинается в три этапа
Концептуальный проект Bréguet 763 Deux-Ponts Концептуальный дизайн самолета включает в себя наброски различных возможных конфигураций, которые соответствуют требуемым проектным спецификациям. Создавая набор конфигураций, конструкторы стремятся достичь проектной конфигурации, которая удовлетворительно отвечает всем требованиям, а также идет рука об руку с такими факторами, как аэродинамика, силовая установка, летные характеристики, конструкции и системы управления. Это называется оптимизацией дизайна. На этом этапе определяются такие фундаментальные аспекты, как форма фюзеляжа, конфигурация и расположение крыла, размер и тип двигателя. На этом этапе также принимаются во внимание ограничения для проектирования, подобные упомянутым выше. Конечный продукт представляет собой концептуальный макет конфигурации самолета на бумаге или экране компьютера, который должен быть рассмотрен инженерами и другими дизайнерами.
Конфигурация проекта, полученная на этапе концептуального проектирования, затем настраивается и модифицируется, чтобы соответствовать параметрам проекта. На этом этапе выполняются испытания в аэродинамической трубе и вычислительные гидродинамические расчеты поля потока вокруг летательного аппарата. На этом этапе также проводится серьезный структурный и контрольный анализ. Аэродинамические дефекты и структурные нестабильности, если таковые имеются, исправляются, и окончательный дизайн разрабатывается и дорабатывается. Затем, после окончательной доработки дизайна, производитель или индивидуальный разработчик принимает ключевое решение о том, продолжать ли производство самолета. На этом этапе некоторые конструкции, хотя и прекрасно летали и работали, могли быть сняты с производства из-за их экономической нежизнеспособности.
На этом этапе просто рассматривается аспект изготовления самолета, который будет изготовлен. Он определяет количество, конструкцию и расположение нервюр, лонжеронов, секций и других элементов конструкции. Все аспекты аэродинамики, конструкции, движения, управления и характеристик уже были рассмотрены на этапе предварительного проектирования, и осталось только производство. Летные тренажеры для самолетов также разрабатываются на этом этапе.
Некоторые коммерческие самолеты испытали значительные задержки в расписании и перерасход средств на этапе разработки. Примеры: Boeing 787 Dreamliner с задержкой на 4 года с огромным перерасходом средств, Boeing 747-8 с двухлетней задержкой, Airbus A380 с двухлетней задержкой и перерасходом средств на сумму 6,1 млрд долларов США, Airbus A350 с задержками и перерасходом средств, Bombardier серии C, Global 7000 и 8000, Comac C919 с четырехлетней задержкой и Mitsubishi Regional Jet, задержка которого составила четыре года и закончилась проблемами с пустым весом.
Существующая программа самолета может быть разработана для повышения производительности и экономии за счет удлинения фюзеляжа, увеличения MTOW, улучшения аэродинамики, установки новых двигатели, новые крылья или новая авионика. Для дальности 9100 нм при скорости 0,8 Маха / FL360, снижение на 10% TSFC позволяет сэкономить 13% топлива, увеличение на 10% L / D экономит 12%, что на 10% меньше. OEW экономит 6%, а все вместе - 28%.
| База | Предыдущие двигатели | Первые рейс | Модифицированный двигатель | Новые двигатели | Первый полет |
|---|---|---|---|---|---|
| DC-8 Super 60 | JT3D | 30 мая 1958 г. | DC- 8 Super 70 | CFM56 | 1982 |
| Boeing 737 Original | JT8D | 9 апреля 1967 г. | Boeing 737 Classic | CFM56 | 24 февраля 1984 г. |
| Fokker F28 | Rolls-Royce Spey | 9 мая 1967 г. | Fokker 100 / 70 | Rolls-Royce Tay | 30 ноября 1986 г. |
| Boeing 747 | JT9D /CF6 -50/RB211 -524 | 9 февраля 1969 г. | Боинг 747-400 | PW4000 / CF6- 80 / RB211-524G / H | 29 апреля 1988 г. |
| Дуглас DC-10 | JT9D / CF6-50 | 29 августа 1970 г. | MD-11 | PW4000 / CF6-80 | 10 января 1990 г. |
| Дуглас DC-9 / MD-80 | JT8D | 25 февраля 1965 г. | MD-90 | V2500 | 22 февраля 1993 г. |
| Boeing 737 Classic | CFM56-3 | 24 февраля 1984 г. | Boeing 737 NG | CFM56-7 | фев. 9, 1997 |
| Boeing 747-400 | PW4000 / CF6 / RB211 | 29 апреля 1988 г. | Boeing 747-8 | GEnx | 8 февраля 2010 г. |
| Airbus A320 | CFM56 / V2500 | 22 февраля 1987 г. | Airbus A320neo | CFM LEAP / PW1100G | 25 сентября 2014 г. |
| Boeing 737 NG | CFM56 | 9 февраля 1997 г. | Boeing 737 MAX | CFM LEAP | 29 января 2016 г. |
| Embraer E-Jet | CF34 | 19 февраля 2002 г. | Embraer E-Jet E2 | PW1000G | 23 мая 2016 г. |
| Airbus A330 | CF6 / PW4000 / Trent 700 | 2 ноября 1992 г. | Airbus A330neo | Trent 7000 | 19 октября 2017 г. |
| Boeing 777 | GE90 / PW4000 / Trent 800 | 12 июня 1994 г. | Boeing 777X | GE9X | 25 января 2020 г. |
| База | Базовая длина | Первый полет | Растянутый | Растянутая длина | Первый полет |
|---|---|---|---|---|---|
| Боинг 737-100 | 28,65 м (94,00 фута) | 9 апреля, 1 967 | 737-200 | 30,5 м (100,2 фута) | 8 августа 1967 г. |
| 737-500 /600 | 31,00–31,24 м (101,71– 102,49 футов) | ||||
| 737-300 / 700 | 33,4–33,63 м (109,6–110,3 футов) | ||||
| 737 MAX 7 | 35,56 м (116,7 футов) | ||||
| 737-400 | 36,40 м (119,4 фута) | ||||
| 737-800 / MAX 8 | 39,47 м (129,5 футов) | ||||
| 737-900 / MAX 9 | 42,11 м (138,2 фута) | ||||
| 737 MAX 10 | 43,80 м (143,7 фута) | в плане. 2020 | |||
| Boeing 747 -100/200/300/400 | 70,66 м (231,8 футов) | 9 февраля 1969 г. | Boeing 747SP | 56,3 м ( 185 футов) | 4 июля 1975 г. |
| Boeing 747-8 | 76,25 м (250,2 фута) | 8 февраля 2010 г. | |||
| Boeing 757 | 47,3 м ( 155 футов) | 19 февраля 1982 г. | Boeing 757-300 | 54,4 м (178 футов) | |
| Boeing 767 -200 / ER | 48,51 м (159,2 фута) | 26 сентября 1981 г. | Boeing 767-300 / ER | 54,94 м (180,2 фута) | |
| Boeing 767-400ER | 61,37 м (201,3 фута) | ||||
| Boeing 777 -200 / ER / LR | 63,73 м (209,1 фута) | 12 июня 1994 г. | Boeing 777X -8 | 69,8 м (229 футов) | |
| Boeing 777-300 / ER | 73,86 м (242,3 футов) | 16 октября 1997 г. | |||
| Boeing 777X-9 | 76,7 м (252 футов) | 25 января 2020 г. | |||
| Boeing 787 -8 | 56,72 м (186,08 футов) | 15 декабря 2009 г. | Boeing 787-9 | 62,81 м (206,08 футов) | 17 сентября 2013 г. |
| Boeing 787-10 | 68,28 м (224 футов) | 31 марта 2017 г. | |||
| Airbus A300 | 53,61–54,08 м (175,9–177,4 футов) | окт. 28, 1972 | Airbus A310 | 14,22 м (46,66 футов) | 3 апреля 1982 г. |
| Airbus A320 (neo) | 37,57 м (123,3 футов) | 22 февраля 1987 г. | Airbus A318 | 31,44 м (103,1 фута) | 15 января 2002 г. |
| Airbus A319 (neo) | 33,84 м (111,0 футов) | 25 августа 1995 г. | |||
| Airbus A321 (neo) | 44,51 м (146,0 футов) | 11 марта 1993 г. | |||
| Airbus A330-300 / 900 | 63,67 м (208,9 футов) | 2 ноября 1992 г. | Airbus A330-200 / 800 | 58,82 м (193,0 футов) | 13 августа 1997 г. |
| Airbus A340-300 | 63,69 м (209,0 футов) | 25 октября 1991 г. | Airbus A340- 200 | 59,40 м (194,9 футов) | 1 апреля 1992 г. |
| Airbus A340-500 | 67,93 м (222,9 футов) | 11 февраля 2002 г. | |||
| Airbus A340-600 | 75,36 м (247,2 футов) | 23 апреля 2001 г. | |||
| Airbus A350 -900 | 66,61 м (218,5 футов) | 14 июня 2013 г. | A350-1000 | 73,59 м (241,4 фута) | 24 ноября 2016 г. |
