Процесс проектирования самолета - это широко определенный метод, используемый для балансирования многих конкурирующих и жестких требований для создания самолета, который будет прочным, легким, экономичным и сможет нести достаточную полезную нагрузку, но при этом будет достаточно надежным, чтобы безопасно летать в течение расчетного срока службы самолета. Подобный, но более требовательный, чем обычный процесс инженерного проектирования , этот метод является высокоитеративным, включающим компромиссы в конфигурации высокого уровня, сочетание анализа и тестирования, а также детальное изучение адекватности каждой части конструкции. Для некоторых типов самолетов процесс проектирования регулируется органами гражданской летной годности .
В этой статье рассматриваются летательные аппараты с двигателями , такие как самолеты и вертолеты .
Процесс проектирования начинается с определения целевого назначения самолета. Коммерческие авиалайнеры предназначены для перевозки пассажирской или грузовой нагрузки, имеют большую дальность полета и большую топливную экономичность, тогда как истребители предназначены для выполнения высокоскоростных маневров и оказания непосредственной поддержки наземным войскам. Некоторые самолеты имеют конкретные задачи, например, самолеты-амфибии имеют уникальную конструкцию, которая позволяет им действовать как с суши, так и с воды, некоторые истребители, такие как прыжковый реактивный самолет Harrier , имеют возможность вертикального взлета и посадки (вертикальный взлет и посадка), вертолеты имеют возможность зависать над областью в течение определенного периода времени. [1]
Цель может заключаться в том, чтобы соответствовать конкретному требованию, например, как в историческом случае со спецификацией Министерства авиации Великобритании , или заполнить предполагаемый «пробел на рынке»; то есть класс или конструкция самолетов, которых еще не существует, но на которые будет значительный спрос.
Еще одним важным фактором, влияющим на проектирование, являются требования по получению сертификата типа на новую конструкцию самолета. Эти требования публикуются ведущими национальными органами по летной годности, включая Федеральное управление гражданской авиации США и Европейское агентство по авиационной безопасности . [2] [3]
Аэропорты также могут налагать ограничения на самолеты: например, максимальный размах крыльев, разрешенный для обычного самолета, составляет 80 метров (260 футов), чтобы предотвратить столкновения между самолетами во время руления. [4]
Бюджетные ограничения, требования рынка и конкуренция накладывают ограничения на процесс проектирования и включают в себя нетехнические воздействия на конструкцию самолета наряду с факторами окружающей среды. Конкуренция приводит к тому, что компании стремятся повысить эффективность проектирования без ущерба для производительности и внедрения новых методов и технологий. [5]
В 1950-х и 60-х годах недостижимые цели проектов регулярно ставились, но затем от них отказывались, тогда как сегодня проблемные программы, такие как Boeing 787 и Lockheed Martin F-35, оказались гораздо более дорогостоящими и сложными в разработке, чем ожидалось. Были разработаны более совершенные и интегрированные инструменты проектирования. Системное проектирование на основе моделей прогнозирует потенциально проблемные взаимодействия, а вычислительный анализ и оптимизация позволяют проектировщикам изучить больше вариантов на ранних этапах процесса. Рост автоматизации в проектировании и производстве позволяет ускорить и удешевить разработку. Технологические достижения от материалов до производства позволяют создавать более сложные варианты конструкции, например, многофункциональные детали. Когда-то их было невозможно спроектировать или изготовить, теперь их можно напечатать на 3D-принтере , но им еще предстоит доказать свою полезность в таких приложениях, как Northrop Grumman B-21 или модернизированные A320neo и 737 MAX . Airbus и Boeing также осознают экономические ограничения: следующее поколение авиалайнеров не может стоить дороже, чем предыдущие. [6]
Увеличение количества самолетов также означает увеличение выбросов углекислого газа. Ученые-экологи выразили обеспокоенность по поводу основных видов загрязнения, связанных с самолетами, главным образом шума и выбросов. Авиационные двигатели исторически были известны тем, что создавали шумовое загрязнение, а расширение воздушных путей через и без того перегруженные и загрязненные города вызвало резкую критику, что привело к необходимости принятия экологической политики в отношении авиационного шума. [7] [8] Шум также возникает от планера, где изменяются направления воздушного потока. [9] Улучшение норм по шуму вынудило конструкторов создавать более тихие двигатели и планеры. [10] Выбросы самолетов включают твердые частицы, диоксид углерода (CO 2 ), диоксид серы (SO 2 ), оксид углерода ( CO), различные оксиды нитратов и несгоревшие углеводороды . [11] Для борьбы с загрязнением воздуха ИКАО в 1981 году разработала рекомендации по контролю выбросов самолетов. [12] Были разработаны новые, экологически чистые виды топлива [13] , а использование перерабатываемых материалов в производстве [14] помогло снизить воздействие самолетов на окружающую среду. Экологические ограничения также влияют на совместимость аэродромов. Аэропорты по всему миру построены с учетом топографии конкретного региона. Ограничения по пространству, конструкция покрытия, зоны безопасности в конце взлетно-посадочной полосы и уникальное расположение аэропорта — вот некоторые из факторов аэропорта, влияющих на конструкцию самолетов. Однако изменения в конструкции самолетов также влияют на проектирование аэродромов, например, недавнее появление новых больших самолетов (NLA), таких как супергигант Airbus A380 , привело к тому, что аэропорты по всему миру перепроектировали свои объекты, чтобы приспособить их большие размеры и требования к обслуживанию. [15] [16]
Высокие скорости, топливные баки, атмосферные условия на крейсерских высотах, стихийные бедствия (грозы, град и столкновения с птицами) и человеческие ошибки — вот лишь некоторые из многих опасностей, которые представляют угрозу для авиаперелетов. [17] [18] [19]
Летная годность – это стандарт, по которому самолеты считаются пригодными к полетам. [20] Ответственность за летную годность лежит на национальных регулирующих органах гражданской авиации, производителях , а также владельцах и эксплуатантах. [ нужна ссылка ]
Международная организация гражданской авиации устанавливает международные стандарты и рекомендуемую практику, на которых национальные власти должны основывать свои правила. [21] [22] Национальные регулирующие органы устанавливают стандарты летной годности, выдают сертификаты производителям и эксплуатантам, а также стандарты подготовки персонала. [23] В каждой стране есть свой собственный регулирующий орган, такой как Федеральное управление гражданской авиации в США, DGCA (Генеральное управление гражданской авиации) в Индии и т. д.
Производитель самолета следит за тем, чтобы самолет соответствовал существующим стандартам проектирования, определяет эксплуатационные ограничения и графики технического обслуживания, а также обеспечивает поддержку и техническое обслуживание на протяжении всего срока эксплуатации самолета. В число операторов авиации входят пассажирские и грузовые авиалайнеры , военно-воздушные силы и владельцы частных самолетов. Они соглашаются соблюдать правила, установленные регулирующими органами, понимать ограничения воздушного судна, указанные производителем, сообщать о дефектах и помогать производителям поддерживать стандарты летной годности. [ нужна ссылка ]
Большая часть критики дизайна в наши дни основана на ударопрочности . Даже при самом большом внимании к летной годности происшествия все равно случаются. Ударопрочность — это качественная оценка того, насколько самолет выживет в аварии. Основная цель – защитить пассажиров или ценный груз от ущерба, нанесенного в результате аварии. В случае авиалайнеров эту функцию обеспечивает напряженная обшивка фюзеляжа под давлением, но в случае удара носом или хвостом по всему фюзеляжу возникают большие изгибающие моменты, вызывающие трещины в оболочке, что приводит к разрушению фюзеляжа. на более мелкие секции. [24] Таким образом, пассажирские самолеты спроектированы таким образом, что места для сидения расположены вдали от зон, которые могут быть затронуты в случае аварии, например, возле воздушного винта, ходовой части мотогондолы и т. д. [25] Также оборудована внутренняя часть салона. с функциями безопасности, такими как кислородные маски, которые опускаются в случае потери давления в кабине, запираемые багажные отделения, ремни безопасности, спасательные жилеты, аварийные двери и светящиеся напольные полосы. Иногда самолеты проектируются с учетом аварийной посадки на воду , например, у Airbus A330 есть переключатель «канальности», который закрывает клапаны и отверстия под самолетом, замедляя попадание воды. [26]
Конструкторы самолетов обычно разрабатывают первоначальный проект с учетом всех ограничений конструкции. Исторически сложилось так, что проектные группы были небольшими, их обычно возглавлял главный конструктор, который знал все требования и цели проектирования и соответствующим образом координировал работу команды. Со временем сложность военных и авиационных самолетов также росла. Современные военные и авиационные проекты настолько масштабны, что каждый аспект проектирования решается разными командами, а затем объединяется. В авиации общего назначения большое количество легких самолетов проектируется и строится любителями и энтузиастами . [27]
На заре проектирования самолетов конструкторы обычно использовали аналитическую теорию для выполнения различных инженерных расчетов, которые входят в процесс проектирования, а также для большого количества экспериментов. Эти расчеты были трудоемкими и длительными. В 1940-х годах несколько инженеров начали искать способы автоматизировать и упростить процесс вычислений, и было разработано множество соотношений и полуэмпирических формул. Даже после упрощения расчеты продолжали оставаться обширными. С изобретением компьютера инженеры поняли, что большинство расчетов можно автоматизировать, но отсутствие визуализации конструкции и огромное количество экспериментов привели к застою в области проектирования самолетов. С появлением языков программирования инженеры теперь могли писать программы, специально предназначенные для проектирования самолетов. Первоначально это делалось с помощью мейнфреймов и языков программирования низкого уровня, которые требовали от пользователя свободного владения языком и знания архитектуры компьютера. С появлением персональных компьютеров программы проектирования стали использовать более удобный для пользователя подход. [28] [ не удалось проверить ]
Основными аспектами проектирования самолетов являются:
Все конструкции самолетов предполагают компромисс этих факторов для достижения проектной задачи. [29]
Крыло самолета обеспечивает подъемную силу, необходимую для полета. Геометрия крыла влияет на каждый аспект полета самолета. Площадь крыла обычно определяется желаемой скоростью сваливания , но на общую форму формы в плане и другие аспекты деталей могут влиять факторы компоновки крыла. [30] Крыло может крепиться к фюзеляжу в верхнем, нижнем и среднем положениях. Конструкция крыла зависит от многих параметров, таких как выбор удлинения , коэффициента конусности, угла стреловидности , соотношения толщины, профиля сечения, размыва и двугранности . [31] Форма поперечного сечения крыла является его аэродинамическим профилем . [32] Конструкция крыла начинается с ребра , которое определяет форму аэродинамического профиля. Ребра могут быть изготовлены из дерева, металла, пластика или даже композитов. [33]
Крыло должно быть спроектировано и испытано таким образом, чтобы гарантировать, что оно способно выдерживать максимальные нагрузки, возникающие при маневрировании и атмосферных порывах.
Фюзеляж — часть самолета, содержащая кабину , пассажирский салон или грузовой отсек. [34]
Движение самолета может быть достигнуто с помощью специально разработанных авиационных двигателей, адаптированных двигателей автомобилей, мотоциклов или снегоходов, электродвигателей или даже с помощью мускульной силы человека. Основными параметрами конструкции двигателя являются: [35]
Тяга, обеспечиваемая двигателем, должна уравновешивать сопротивление на крейсерской скорости и 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. Высокопроизводительным истребителям требуется очень высокое ускорение и, следовательно, требования к очень высокой тяге. [36]
Вес самолета является общим фактором, который объединяет все аспекты конструкции самолета, такие как аэродинамика, конструкция и силовая установка. Вес самолета определяется на основе различных факторов, таких как вес пустого самолета, полезная нагрузка, полезная нагрузка и т. д. Различные веса используются для расчета центра масс всего самолета. [37] Центр масс должен находиться в пределах, установленных изготовителем.
В конструкции самолета основное внимание уделяется не только прочности, аэроупругости , долговечности , устойчивости к повреждениям , устойчивости , но и отказоустойчивости , коррозионной стойкости, ремонтопригодности и простоте изготовления. Конструкция должна выдерживать напряжения, вызванные герметизацией кабины (если она установлена), турбулентностью и вибрациями двигателя или несущего винта. [38]
Проектирование любого самолета начинается в три этапа [39]
Концептуальное проектирование самолета включает в себя создание эскизов различных возможных конфигураций, соответствующих требуемым проектным характеристикам. Рисуя набор конфигураций, конструкторы стремятся достичь проектной конфигурации, которая удовлетворяет всем требованиям, а также учитывает такие факторы, как аэродинамика, двигательная установка, летные характеристики, конструктивные системы и системы управления. [40] Это называется оптимизацией дизайна. На этом этапе определяются фундаментальные аспекты, такие как форма фюзеляжа, конфигурация и расположение крыла, размер и тип двигателя. Ограничения проектирования, подобные упомянутым выше, также принимаются во внимание на этом этапе. Конечный продукт представляет собой концептуальный макет конфигурации самолета на бумаге или на экране компьютера, который будет проверен инженерами и другими дизайнерами.
Конфигурация проекта, полученная на этапе концептуального проектирования, затем корректируется и переделывается, чтобы соответствовать параметрам проекта. На этом этапе выполняются испытания в аэродинамической трубе и вычислительные гидродинамические расчеты поля потока вокруг самолета. На этом этапе также проводится основной структурный и контрольный анализ. Аэродинамические недостатки и структурные нестабильности, если таковые имеются, исправляются, а окончательный проект рисуется и дорабатывается. Затем, после завершения проектирования, ключевое решение остается за производителем или отдельным проектировщиком, стоит ли продолжать производство самолета. [41] На данный момент несколько проектов, хотя и вполне пригодных к полету и характеристикам, могли быть сняты с производства из-за их экономической нежизнеспособности.
Этот этап просто касается аспекта изготовления самолета, который будет изготовлен. Он определяет количество, конструкцию и расположение нервюр , лонжеронов , секций и других элементов конструкции. [42] Все аспекты аэродинамики, конструкции, силовой установки, управления и производительности уже были рассмотрены на этапе предварительного проектирования, осталось только производство. На этом этапе также разрабатываются авиасимуляторы для самолетов.
Некоторые коммерческие самолеты столкнулись со значительными задержками графика и перерасходом средств на этапе разработки. Примеры этого включают Boeing 787 Dreamliner с задержкой на 4 года и огромным перерасходом средств, Boeing 747-8 с двухлетней задержкой, Airbus A380 с двухлетней задержкой и перерасходом средств на 6,1 миллиарда долларов США, Airbus A350 с задержками и перерасходом средств, Bombardier C Series , Global 7000 и 8000, Comac C919 с четырехлетней задержкой и Mitsubishi Regional Jet , который был задержан на четыре года и в итоге столкнулся с проблемами пустого веса. [43]
Существующую программу самолетов можно развивать с целью повышения производительности и экономии за счет удлинения фюзеляжа , увеличения взлетной массы , улучшения аэродинамики, установки новых двигателей , новых крыльев или новой авионики. Для дальности полета 9100 морских миль при скорости 0,8 Маха/FL360 снижение TSFC на 10 % экономит 13 % топлива, увеличение L/D на 10 % экономит 12 %, снижение OEW на 10 % экономит 6 %, а все вместе — 28 %. [44]
{{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь )