Uçak tasarım süreci - Aircraft design process

Rüzgar tünelinde AST modeli

Uçak tasarım süreci , güçlü, hafif, ekonomik ve güvenli bir şekilde uçağın tasarım ömrü için uçmak için yeterince güvenilir olurken yeterli yük taşıyabilen bir uçak üretmek için birçok rakip ve zorlu gereksinimleri dengelemek için kullanılan gevşek tanımlanmış bir yöntemdir. Olağan mühendislik tasarım sürecine benzer, ancak ondan daha titiz olan teknik, yüksek düzeyde konfigürasyon ödünleşimlerini, bir analiz ve test karışımını ve yapının her bir parçasının yeterliliğinin ayrıntılı incelemesini içeren oldukça yinelemelidir. Bazı uçak türleri için tasarım süreci, ulusal uçuşa elverişlilik makamları tarafından düzenlenir .

Bu makale , uçaklar ve helikopter tasarımları gibi motorlu uçaklarla ilgilidir .

Tasarım kısıtlamaları

Amaç

Tasarım süreci, uçağın kullanım amacı ile başlar. Ticari uçaklar, savaş uçaklarının yüksek hızlı manevralar yapmak ve kara birliklerine yakın destek sağlamak için tasarlandığı yerlerde yolcu veya kargo yükü, uzun menzil ve daha fazla yakıt verimliliği taşımak için tasarlanmıştır. Bazı uçaklar örneğin, belirli görevleri var amfibi uçaklar onları gibi hem kara ve su, bazı savaşçıların, çalışmasını sağlar benzersiz bir tasarıma sahip Harrier Jump Jet , sahip VTOL (dikey kalkış ve iniş) yeteneği, helikopterler var bir süre boyunca bir alanın üzerinde gezinme yeteneği.

Amaç, örneğin bir İngiliz Hava Bakanlığı şartnamesinin tarihsel örneğinde olduğu gibi, belirli bir gereksinime uymak veya algılanan bir "piyasadaki boşluğu" doldurmak olabilir; yani, henüz mevcut olmayan ancak önemli talep görecek bir uçak sınıfı veya tasarımı.

Uçak düzenlemeleri

Tasarımı etkileyen bir diğer önemli faktör, yeni bir uçak tasarımı için tip sertifikası alma gereklilikleridir . Bu gereksinimler, ABD Federal Havacılık İdaresi ve Avrupa Havacılık Güvenliği Ajansı dahil olmak üzere başlıca ulusal uçuşa elverişlilik yetkilileri tarafından yayınlanmaktadır .

Havaalanları ayrıca uçaklara sınırlamalar getirebilir; örneğin, taksi yaparken uçaklar arasında çarpışmaları önlemek için geleneksel bir uçak için izin verilen maksimum kanat açıklığı 80 metredir (260 ft).

Finansal faktörler ve piyasa

Bütçe kısıtlamaları, pazar gereksinimleri ve tasarım sürecindeki rekabet kısıtlamaları ve çevresel faktörlerle birlikte uçak tasarımı üzerindeki teknik olmayan etkileri içerir. Rekabet, performanstan ödün vermeden ve yeni teknikler ve teknolojiler dahil etmeden tasarımda daha iyi verimlilik için çabalayan şirketlere yol açar.

1950'lerde ve 60'larda, ulaşılamaz proje hedefleri düzenli olarak belirlenir, ancak daha sonra terk edilirken, bugün Boeing 787 ve Lockheed Martin F-35 gibi sorunlu programların geliştirilmesi beklenenden çok daha maliyetli ve karmaşık hale geldi. Daha gelişmiş ve entegre tasarım araçları geliştirilmiştir. Model tabanlı sistem mühendisliği , potansiyel olarak sorunlu etkileşimleri tahmin ederken, hesaplamalı analiz ve optimizasyon, tasarımcıların sürecin başlarında daha fazla seçeneği keşfetmesine olanak tanır. Mühendislik ve imalatta artan otomasyon , daha hızlı ve daha ucuz geliştirme sağlar. Malzemeden imalata doğru gelişen teknoloji, çok işlevli parçalar gibi daha karmaşık tasarım varyasyonlarına olanak tanır. Bir zamanlar tasarlamak veya inşa etmek imkansız olan bunlar artık 3D basılabilir , ancak Northrop Grumman B-21 veya yeniden motorlu A320neo ve 737 MAX gibi uygulamalarda faydalarını henüz kanıtlamadılar . Airbus ve Boeing ayrıca, bir sonraki uçak neslinin öncekilerden daha pahalıya mal olamayacağının ekonomik sınırlarını da kabul ediyor .

Çevresel faktörler

Uçak sayısındaki artış aynı zamanda daha fazla karbon emisyonu anlamına geliyor. Çevre bilimcileri, başta gürültü ve emisyonlar olmak üzere uçaklarla ilişkili başlıca kirlilik türleri konusundaki endişelerini dile getirdiler. Uçak motorları tarihsel olarak gürültü kirliliği yaratmakla ün yapmış ve hava yollarının zaten sıkışık ve kirli şehirler üzerindeki genişlemesi ağır eleştirilere maruz kalmış ve uçak gürültüsü için çevre politikalarına sahip olmayı gerekli kılmıştır. Gürültü, hava akış yönlerinin değiştirildiği gövdeden de kaynaklanır. İyileştirilmiş gürültü düzenlemeleri, tasarımcıları daha sessiz motorlar ve uçak gövdeleri oluşturmaya zorladı. Uçaktan emisyon partikülleri arasında, karbon dioksit (CO 2 ), kükürt dioksit (SO 2 ), karbon monoksit (CO), çeşitli oksitler arasında nitratlar ve yanmamış hidrokarbonlar . Kirlilikle mücadele etmek için ICAO, 1981'de uçak emisyonlarını kontrol etmek için önerilerde bulundu. Daha yeni, çevre dostu yakıtlar geliştirildi ve üretimde geri dönüştürülebilir malzemelerin kullanılması, uçaklardan kaynaklanan ekolojik etkinin azaltılmasına yardımcı oldu. Çevresel sınırlamalar da havaalanı uyumluluğunu etkiler. Dünyanın dört bir yanındaki havaalanları, belirli bir bölgenin topografyasına uyacak şekilde inşa edilmiştir. Alan sınırlamaları, kaplama tasarımı, pist sonu güvenlik alanları ve havalimanının benzersiz konumu, uçak tasarımını etkileyen havalimanı faktörlerinden bazılarıdır. Bununla birlikte, uçak tasarımındaki değişiklikler aynı zamanda havaalanı tasarımını da etkiler, örneğin, süper jumbo Airbus A380 gibi yeni büyük uçakların (NLA'ların) yakın zamanda piyasaya sürülmesi, dünya çapındaki havalimanlarının büyük boyut ve hizmet gereksinimlerini karşılamak için tesislerini yeniden tasarlamasına yol açmıştır.

Emniyet

Yüksek hızlar, yakıt tankları, seyir irtifalarındaki atmosferik koşullar, doğal tehlikeler (fırtınalar, dolu ve kuş çarpmaları) ve insan hatası, hava yolculuğunu tehdit eden birçok tehlikeden bazılarıdır.

Uçuşa elverişlilik , uçakların uçmaya uygun olduğunun belirlendiği standarttır. Uçuşa elverişlilik sorumluluğu, ulusal havacılık düzenleyici kurumlara , üreticilere , ayrıca sahiplere ve operatörlere aittir.

Uluslararası Sivil Havacılık Örgütü ulusal makamların yapacağı düzenlemelerde gereken uluslararası standartlar ve tavsiye edilen uygulamaları belirler. Ulusal düzenleyici makamlar, uçuşa elverişlilik için standartlar belirler, üreticilere ve operatörlere sertifikalar ve personel eğitimi standartları verir. Her ülkenin ABD'deki Federal Havacılık İdaresi , Hindistan'daki SHGM (Sivil Havacılık Genel Müdürlüğü) gibi kendi düzenleyici organı vardır .

Uçak üreticisi, uçağın mevcut tasarım standartlarını karşıladığından emin olur, çalışma sınırlamalarını ve bakım programlarını tanımlar ve uçağın operasyonel ömrü boyunca destek ve bakım sağlar. Havacılık operatörleri, yolcu ve kargo uçaklarını , hava kuvvetlerini ve özel uçak sahiplerini içerir. Düzenleyici kurumlar tarafından belirlenen düzenlemelere uymayı, üretici tarafından belirtilen hava aracının sınırlamalarını anlamayı, kusurları bildirmeyi ve üreticilere uçuşa elverişlilik standartlarını sürdürmelerinde yardımcı olmayı kabul ederler.

Bu günlerde tasarım eleştirilerinin çoğu, çarpışmaya dayanıklılık üzerine kuruludur . Uçuşa elverişliliğe en büyük dikkat gösterilse bile, kazalar yine de meydana gelir. Crashworthiness, uçağın bir kazadan nasıl kurtulduğunun niteliksel değerlendirmesidir. Temel amaç, yolcuları veya değerli yükleri bir kazanın vereceği zarardan korumaktır. Uçaklar söz konusu olduğunda, basınçlı gövdenin stresli derisi bu özelliği sağlar, ancak bir burun veya kuyruk darbesi durumunda, gövde boyunca büyük bükülme momentleri oluşur ve gövdede kırılmalara neden olarak gövdenin kırılmasına neden olur. daha küçük bölümlere. Bu nedenle yolcu uçakları, oturma düzenleri pervane yakını, motor nasel alt takımı vb. gibi bir kazada izinsiz girilmesi muhtemel alanlardan uzakta olacak şekilde tasarlanmıştır. Kabinin içi ayrıca oksijen gibi güvenlik özellikleri ile donatılmıştır. kabin basıncının düşmesi durumunda düşen maskeler, kilitlenebilir bagaj bölmeleri, emniyet kemerleri, can yelekleri, acil durum kapıları ve ışıklı zemin şeritleri. Uçaklar bazen acil su inişi düşünülerek tasarlanır , örneğin Airbus A330'da su girişini yavaşlatan uçağın altındaki valfleri ve açıklıkları kapatan bir 'düşme' anahtarı vardır.

Tasarım optimizasyonu

Uçak tasarımcıları normalde tasarımlarındaki tüm kısıtlamaları göz önünde bulundurarak ilk tasarımı kabaca hazırlarlar. Tarihsel olarak tasarım ekipleri küçüktü, genellikle tüm tasarım gereksinimlerini ve hedeflerini bilen ve ekibi buna göre koordine eden bir Baş Tasarımcı tarafından yönetilirdi. Zaman geçtikçe, askeri ve havayolu uçaklarının karmaşıklığı da arttı. Modern askeri ve havayolu tasarım projeleri o kadar büyük ölçeklidir ki, tasarımın her yönü farklı ekipler tarafından ele alınır ve ardından bir araya getirilir. Genel havacılıkta çok sayıda hafif uçak amatör hobiciler ve meraklılar tarafından tasarlanır ve üretilir .

Bilgisayar destekli uçak tasarımı

MATLAB'da modellenen bir uçağın dış yüzeyleri

Uçak tasarımının ilk yıllarında tasarımcılar, birçok deneyle birlikte tasarım sürecine giren çeşitli mühendislik hesaplamalarını yapmak için genellikle analitik teoriyi kullandılar. Bu hesaplamalar emek yoğun ve zaman alıcıydı. 1940'larda, birkaç mühendis hesaplama sürecini otomatikleştirmenin ve basitleştirmenin yollarını aramaya başladı ve birçok bağıntı ve yarı deneysel formül geliştirildi. Sadeleştirmeden sonra bile, hesaplamalar kapsamlı olmaya devam etti. Bilgisayarın icadı ile mühendisler, hesaplamaların çoğunun otomatikleştirilebileceğini fark ettiler, ancak tasarım görselleştirme eksikliği ve ilgili büyük miktarda deney, uçak tasarımı alanını durgunlaştırdı. Programlama dillerinin yükselişiyle birlikte, mühendisler artık bir uçak tasarlamak için uyarlanmış programlar yazabiliyorlardı. Başlangıçta bu, ana bilgisayar bilgisayarlarıyla yapıldı ve kullanıcının dilde akıcı olmasını ve bilgisayarın mimarisini bilmesini gerektiren düşük seviyeli programlama dilleri kullanıldı. Kişisel bilgisayarların kullanıma sunulmasıyla birlikte tasarım programları daha kullanıcı dostu bir yaklaşım benimsemeye başladı.

Tasarım yönleri

Uçak tasarımının ana yönleri şunlardır:

  1. Aerodinamik
  2. tahrik
  3. Kontroller
  4. Yığın
  5. Yapı

Tüm uçak tasarımları, tasarım misyonunu gerçekleştirmek için bu faktörlerin tavizlerini içerir.

kanat tasarımı

Sabit kanatlı bir uçağın kanadı, uçuş için gerekli kaldırmayı sağlar. Kanat geometrisi, bir uçağın uçuşunun her yönünü etkiler. Kanat alanı genellikle istenen durma hızına göre belirlenir, ancak planformun genel şekli ve diğer detay yönleri kanat yerleşim faktörlerinden etkilenebilir. Kanat, gövdeye yüksek, alçak ve orta konumlarda monte edilebilir. Kanat tasarımı, en-boy oranı seçimi , koniklik oranı, geri tepme açısı, kalınlık oranı, kesit profili, yıkama ve dihedral gibi birçok parametreye bağlıdır . Kanadın enine kesit şekli, kanat profilidir . Kanadın yapısı, kanat profili şeklini tanımlayan nervür ile başlar . Kaburgalar ahşap, metal, plastik ve hatta kompozitlerden yapılabilir.

Kanat, manevralar ve atmosferik rüzgarlar tarafından uygulanan maksimum yüklere dayanabilmesini sağlayacak şekilde tasarlanmalı ve test edilmelidir.

gövde

Gövde, uçağın kokpit, yolcu kabini veya kargo ambarını içeren kısmıdır.

tahrik

Rüzgar tünelinde test edilen uçak motoru

Uçak tahriki, özel olarak tasarlanmış uçak motorları, uyarlanmış otomobil, motosiklet veya kar arabası motorları, elektrik motorları ve hatta insan kas gücü ile sağlanabilir. Motor tasarımının ana parametreleri şunlardır:

  • Maksimum motor itişi mevcut
  • Yakıt tüketimi
  • motor kütlesi
  • motor geometrisi

Motor tarafından sağlanan itme kuvveti, seyir hızında sürtünmeyi dengelemeli ve hızlanmaya izin vermek için sürtünmeden daha büyük olmalıdır. Motor gereksinimi, uçak tipine göre değişir. Örneğin, ticari uçaklar seyir hızında daha fazla zaman harcar ve daha fazla motor verimliliğine ihtiyaç duyar. Yüksek performanslı savaş jetleri çok yüksek ivmeye ihtiyaç duyar ve bu nedenle çok yüksek itme gereksinimlerine sahiptir.

Ağırlık

Uçağın ağırlığı, aerodinamik, yapı ve tahrik gibi uçak tasarımının tüm yönlerini birbirine bağlayan ortak faktördür. Bir uçağın ağırlığı, boş ağırlık, faydalı yük, faydalı yük vb. gibi çeşitli faktörlerden elde edilir. Çeşitli ağırlıklar, daha sonra tüm uçağın kütle merkezini hesaplamak için kullanılır. Kütle merkezi, üretici tarafından belirlenen belirlenmiş sınırlar içinde olmalıdır.

Yapı

Uçak yapısı sadece güç, aeroelastisite , dayanıklılık , hasar toleransı , stabiliteye değil , aynı zamanda arıza güvenliği , korozyon direnci, bakım kolaylığı ve üretim kolaylığına da odaklanır . Yapı , varsa kabin basıncından , türbülanstan ve motor veya rotor titreşimlerinden kaynaklanan streslere dayanabilmelidir .

Tasarım süreci ve simülasyon

Herhangi bir uçağın tasarımı üç aşamada başlar

Kavramsal tasarım

Bir Bréguet 763 Deux-Ponts'un kavramsal tasarımı

Uçak kavramsal tasarımı, gerekli tasarım özelliklerini karşılayan çeşitli olası konfigürasyonların eskizini içerir. Tasarımcılar, bir dizi konfigürasyon çizerek, aerodinamik, tahrik, uçuş performansı, yapısal ve kontrol sistemleri gibi faktörlerle el ele gitmenin yanı sıra tüm gereksinimleri tatmin edici bir şekilde karşılayan tasarım konfigürasyonuna ulaşmaya çalışırlar. Buna tasarım optimizasyonu denir. Gövde şekli, kanat konfigürasyonu ve konumu, motor boyutu ve tipi gibi temel hususlar bu aşamada belirlenir. Yukarıda belirtilenler gibi tasarım kısıtlamaları da bu aşamada dikkate alınır. Nihai ürün, mühendisler ve diğer tasarımcılar tarafından gözden geçirilecek, kağıt veya bilgisayar ekranında uçak konfigürasyonunun kavramsal bir düzenidir.

Ön tasarım aşaması

Kavramsal tasarım aşamasında ulaşılan tasarım konfigürasyonu daha sonra ince ayar yapılır ve tasarım parametrelerine uyacak şekilde yeniden düzenlenir. Bu aşamada, rüzgar tüneli testi ve uçağın etrafındaki akış alanının hesaplamalı akışkan dinamiği hesaplamaları yapılır. Bu aşamada ana yapısal ve kontrol analizleri de yapılır. Aerodinamik kusurlar ve varsa yapısal dengesizlikler düzeltilir ve nihai tasarım çizilir ve sonlandırılır. Ardından, tasarımın tamamlanmasından sonra, uçağın üretimine gerçekten devam edip etmeme konusunda üretici veya tasarımı yapan kişi ile ilgili kilit karar verilir. Bu noktada, mükemmel uçuş ve performansa sahip olmasına rağmen bazı tasarımlar, ekonomik olarak uygun olmadıklarından dolayı üretim dışı bırakılmış olabilir.

Detay tasarım aşaması

Bu aşama basitçe üretilecek uçağın fabrikasyon yönü ile ilgilenir. Nervürlerin , direklerin , bölümlerin ve diğer yapısal elemanların sayısını, tasarımını ve yerini belirler . Tüm aerodinamik, yapısal, tahrik, kontrol ve performans konuları ön tasarım aşamasında zaten ele alındı ​​ve geriye sadece üretim kaldı. Uçaklar için uçuş simülatörleri de bu aşamada geliştirilmektedir.

gecikmeler

Bazı ticari uçaklar, geliştirme aşamasında önemli program gecikmeleri ve maliyet aşımları yaşadı. Bunun örnekleri arasında büyük maliyet aşımları olan 4 yıllık gecikmeli Boeing 787 Dreamliner , iki yıllık gecikmeli Boeing 747-8 , iki yıllık gecikmeli ve 6,1 milyar ABD Doları maliyet aşımlı Airbus A380 , Airbus sayılabilir. Gecikmeler ve maliyet aşımları ile A350 , Bombardier C Serisi , Global 7000 ve 8000, dört yıl gecikmeli Comac C919 ve dört yıl gecikmeli ve boş ağırlık sorunları ile sonuçlanan Mitsubishi Regional Jet .

Program Geliştirme

Varolan uçak programı gererek performans ve ekonomi kazanımları için geliştirilebilir gövdesi artan MTOW yeni yükleme, aerodinamiği artırılması motorları , yeni kanatlar ya da yeni aviyonik. Mach 0.8/FL360'ta 9.100 nmi uzun menzil için, %10 daha düşük TSFC %13 yakıt tasarrufu sağlar, %10 L/D artışı %12, %10 daha düşük OEW %6 tasarruf sağlar ve toplamda %28 tasarruf sağlar.

Yeniden motor

Jet uçakları
Temel Önceki motorlar İlk uçuş Yeniden motorlu Yeni motorlar İlk uçuş
DC-8 Süper 60 JT3D 30 Mayıs 1958 DC-8 Süper 70 CFM56 1982
Boeing 737 Orijinal JT8D 9 Nis 1967 Boeing 737 Klasik CFM56 24 Şubat 1984
Fokker F28 Rolls-Royce Spey 9 Mayıs 1967 Fokker 100 /70 Rolls-Royce Tay 30 Kasım 1986
Boeing 747 JT9D / CF6 -50 / RB211 -524 9 Şubat 1969 Boeing 747-400 PW4000 /CF6-80/RB211-524G/H 29 Nisan 1988
Douglas DC-10 JT9D/CF6-50 29 Ağu 1970 MD-11 PW4000/CF6-80 10 Ocak 1990
Douglas DC-9 / MD-80 JT8D 25 Şubat 1965 MD-90 V2500 22 Şubat 1993
Boeing 737 Klasik CFM56-3 24 Şubat 1984 Boeing 737 NG CFM56-7 9 Şubat 1997
Boeing 747-400 PW4000/CF6/RB211 29 Nisan 1988 Boeing 747-8 GENx -2b 8 Şub 2010
Airbus A320 CFM56/V2500 22 Şubat 1987 Airbus A320neo CFM Sıçrayış / PW1100G 25 Eylül 2014
Boeing 737 NG CFM56 9 Şubat 1997 Boeing 737 MAX CFM SAYISI 29 Oca 2016
Kucaklayan E-Jet CF34 19 Şubat 2002 Kucaklayan E-Jet E2 PW1000G 23 Mayıs 2016
Airbus A330 CF6/PW4000/ Trent 700 2 Kasım 1992 Airbus A330neo Trent7000 19 Eki 2017
Boeing 777 GE90 /PW4000/ Trent 800 12 Haz 1994 Boeing 777X GE9X 25 Oca 2020

gövde streç

Jet uçakları
Temel taban uzunluğu İlk uçuş gerilmiş Gerilmiş Uzunluk İlk uçuş
Boeing 737-100 28,65 m (94,00 ft) 9 Nis 1967 737-200 30,5 m (100.2 ft) 8 Ağu 1967
737-500 /600 31,00–31,24 m (101,71–102,49 ft)
737-300 /700 33,4–33,63 m (109,6–110.3 ft)
737 MAKS 7 35,56 m (116,7 ft)
737-400 36,40 m (119,4 ft)
737-800 /MAKS 8 39,47 m (129.5 ft)
737-900 /MAKS 9 42,11 m (138,2 ft)
737 MAKS 10 43,80 m (143.7 ft) plan. 2020
Boeing 747 -100/200/300/400 70,66 m (231,8 ft) 9 Şubat 1969 Boeing 747SP 56,3 m (185 ft) 4 Tem 1975
Boeing 747-8 76,25 m (250,2 ft) 8 Şub 2010
Boeing 757 47,3 m (155 ft) 19 Şubat 1982 Boeing 757-300 54,4 m (178 ft)
Boeing 767 -200/ER 48,51 m (159,2 ft) 26 Eylül 1981 Boeing 767-300/ER 54,94 m (180.2 ft)
Boeing 767-400ER 61,37 m (201.3 ft)
Boeing 777 -200/ER/LR 63,73 m (209.1 ft) 12 Haz 1994 Boeing 777X- 8 69,8 m (229 ft)
Boeing 777-300/ER 73,86 m (242,3 ft) 16 Ekim 1997
Boeing 777X-9 76,7 m (252 ft) 25 Oca 2020
787 Boeing -8 56,72 m (186,08 ft) 15 Ara 2009 Boeing 787-9 62,81 m (206,08 ft) 17 Eylül 2013
Boeing 787-10 68,28 m (224 ft) 31 Mart 2017
Airbus A300 53,61–54,08 m (175,9–177.4 ft) 28 Ekim 1972 Airbus A310 46,66 m (153.1 ft) 3 Nisan 1982
Airbus A320 (yeni) 37,57 m (123.3 ft) 22 Şubat 1987 Airbus A318 31,44 m (103,1 ft) 15 Ocak 2002
Airbus A319 (yeni) 33,84 m (111.0 ft) 25 Ağu 1995
Airbus A321 (yeni) 44,51 m (146.0 ft) 11 Mart 1993
Airbus A330-300 /900 63,67 m (208,9 ft) 2 Kasım 1992 Airbus A330-200 /800 58,82 m (193.0 ft) 13 Ağu 1997
Airbus A340-300 63,69 m (209.0 ft) 25 Ekim 1991 Airbus A340-200 59,40 m (194,9 ft) 1 Nisan 1992
Airbus A340-500 67,93 m (222.9 ft) 11 Şubat 2002
Airbus A340-600 75,36 m (247.2 ft) 23 Nis 2001
Airbus A350 -900 66,61 m (218.5 ft) 14 Haz 2013 A350-1000 73,59 m (241,4 ft) 24 Kasım 2016

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar

Yeniden motor