Процесс проектирования самолета — это нестрогий метод, используемый для балансировки многих конкурирующих и жестких требований, чтобы создать самолет, который будет прочным, легким, экономичным и может нести адекватную полезную нагрузку, будучи при этом достаточно надежным для безопасного полета в течение расчетного срока службы самолета. Похожий на обычный процесс инженерного проектирования , но более требовательный, этот метод является высоко итеративным, включая компромиссы конфигурации высокого уровня, смесь анализа и тестирования и детальное изучение адекватности каждой части конструкции. Для некоторых типов самолетов процесс проектирования регулируется гражданскими органами летной годности .
В данной статье рассматриваются конструкции воздушных судов с двигателем, таких как самолеты и вертолеты .
Процесс проектирования начинается с предполагаемого назначения самолета. Коммерческие авиалайнеры предназначены для перевозки пассажиров или грузов, большой дальности и большей топливной эффективности, тогда как истребители предназначены для выполнения высокоскоростных маневров и оказания непосредственной поддержки наземным войскам. Некоторые самолеты имеют определенные миссии, например, самолеты-амфибии имеют уникальную конструкцию, которая позволяет им действовать как с земли, так и с воды, некоторые истребители, такие как реактивный самолет Harrier Jump , имеют возможность VTOL (вертикальный взлет и посадка), вертолеты имеют возможность зависать над областью в течение определенного периода времени. [1]
Целью может быть соответствие определенным требованиям, например, как в историческом случае спецификации британского Министерства авиации , или заполнение предполагаемой «пустоты на рынке»; то есть класса или конструкции самолета, которые еще не существуют, но на которые будет значительный спрос.
Другим важным фактором, влияющим на проектирование, являются требования к получению сертификата типа для новой конструкции самолета. Эти требования публикуются основными национальными органами летной годности, включая Федеральное управление гражданской авиации США и Европейское агентство по безопасности полетов . [2] [3]
Аэропорты также могут налагать ограничения на воздушные суда, например, максимально допустимый размах крыльев для обычного самолета составляет 80 метров (260 футов) для предотвращения столкновений между самолетами во время руления. [4]
Бюджетные ограничения, требования рынка и конкуренция накладывают ограничения на процесс проектирования и включают нетехнические влияния на конструкцию самолета вместе с факторами окружающей среды. Конкуренция приводит к тому, что компании стремятся к повышению эффективности проектирования без ущерба для производительности и внедряют новые методы и технологии. [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 продвинутые и интегрированные инструменты проектирования. Системное проектирование на основе моделей предсказывает потенциально проблемные взаимодействия, в то время как вычислительный анализ и оптимизация позволяют проектировщикам исследовать больше вариантов на ранних этапах процесса. Повышение автоматизации в проектировании и производстве позволяет ускорить и удешевить разработку. Технологический прогресс от материалов до производства позволяет создавать более сложные вариации дизайна, такие как многофункциональные детали. Когда-то невозможные для проектирования или изготовления, теперь их можно печатать на 3D-принтере , но им еще предстоит доказать свою полезность в таких приложениях, как Northrop Grumman B-21 или переоборудованные A320neo и 737 MAX . Airbus и Boeing также признают экономические ограничения, что следующее поколение авиалайнеров не может стоить дороже, чем предыдущие. [6]
Увеличение количества самолетов также означает увеличение выбросов углерода. Ученые-экологи выразили обеспокоенность по поводу основных видов загрязнения, связанных с самолетами, в основном шума и выбросов. Авиационные двигатели исторически были печально известны тем, что создавали шумовое загрязнение, а расширение воздушных путей над уже перегруженными и загрязненными городами вызвало резкую критику, что сделало необходимым наличие экологической политики в отношении шума самолетов. [7] [8] Шум также возникает из-за планера самолета, где меняются направления воздушного потока. [9] Улучшенные правила по шуму заставили конструкторов создавать более тихие двигатели и планеры самолетов. [10] Выбросы от самолетов включают твердые частицы, диоксид углерода (CO2 ) , диоксид серы (SO2 ) , оксид углерода (CO), различные оксиды нитратов и несгоревшие углеводороды . [11] Для борьбы с загрязнением ИКАО в 1981 году установила рекомендации по контролю выбросов самолетов. [12] Были разработаны новые, экологически чистые виды топлива [13] , а использование перерабатываемых материалов в производстве [14] помогло снизить экологическое воздействие, вызванное самолетами. Экологические ограничения также влияют на совместимость с аэродромами. Аэропорты по всему миру были построены с учетом топографии конкретного региона. Ограничения пространства, конструкция покрытия, зоны безопасности на конце взлетно-посадочной полосы и уникальное расположение аэропорта — вот некоторые из факторов аэропорта, которые влияют на конструкцию самолета. Однако изменения в конструкции самолета также влияют на конструкцию аэродрома, например, недавнее введение новых больших самолетов (NLA), таких как суперджамбо Airbus A380 , привело к тому, что аэропорты по всему миру перепроектировали свои объекты для соответствия его большим размерам и требованиям к обслуживанию. [15] [16]
Высокие скорости, топливные баки, атмосферные условия на крейсерской высоте, стихийные бедствия (грозы, град и столкновения с птицами) и человеческие ошибки — вот лишь некоторые из многочисленных опасностей, которые представляют угрозу для авиаперелетов. [17] [18] [19]
Летная годность — это стандарт, по которому определяется пригодность воздушного судна к полету. [20] Ответственность за летную годность лежит на национальных органах регулирования гражданской авиации, производителях , а также владельцах и операторах. [ необходима цитата ]
Международная организация гражданской авиации устанавливает международные стандарты и рекомендуемые практики, на которых национальные органы власти должны основывать свои правила. [21] [22] Национальные регулирующие органы устанавливают стандарты летной годности, выдают сертификаты производителям и эксплуатантам, а также стандарты обучения 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 обеспечивает соответствие самолета существующим стандартам проектирования, определяет эксплуатационные ограничения и графики технического обслуживания, а также обеспечивает поддержку и техническое обслуживание на протяжении всего срока эксплуатации самолета. К эксплуатантам авиации относятся пассажирские и грузовые авиалайнеры , военно-воздушные силы и владельцы частных самолетов. Они соглашаются соблюдать правила, установленные регулирующими органами, понимать ограничения самолета, указанные производителем, сообщать о дефектах и помогать производителям в поддержании стандартов летной годности. [ необходима цитата ]
Большинство критических замечаний по поводу дизайна в наши дни основаны на ударопрочности . Даже при самом большом внимании к летной годности аварии все еще происходят. Ударопрочность — это качественная оценка того, как самолет выдерживает аварию. Основная цель — защитить пассажиров или ценный груз от повреждений, вызванных аварией. В случае авиалайнеров напряженная обшивка герметичного фюзеляжа обеспечивает эту функцию, но в случае удара носом или хвостом большие изгибающие моменты накапливаются по всему фюзеляжу, вызывая трещины в оболочке, заставляя фюзеляж распадаться на более мелкие секции. [24] Поэтому пассажирские самолеты спроектированы таким образом, что расположение сидений находится вдали от зон, которые могут быть затронуты в случае аварии, таких как рядом с пропеллером, гондолой двигателя, шасси и т. д. [25] Интерьер салона также оснащен функциями безопасности, такими как кислородные маски, которые выпадают в случае потери давления в салоне, запирающиеся багажные отделения, ремни безопасности, спасательные жилеты, аварийные двери и светящиеся напольные полосы. Иногда самолеты проектируются с учетом возможности аварийной посадки на воду , например, у Airbus A330 есть выключатель «приземления на воду», который закрывает клапаны и отверстия под самолетом, замедляя поступление воды. [26]
Проектировщики самолетов обычно делают черновой вариант первоначального проекта с учетом всех ограничений на их проект. Исторически проектные группы были небольшими, обычно возглавляемыми главным конструктором, который знал все требования и цели проекта и координировал команду соответствующим образом. Со временем сложность военных и авиационных самолетов также росла. Современные военные и авиационные проекты имеют такой большой масштаб, что каждый аспект дизайна решается разными командами, а затем объединяется. В авиации общего назначения большое количество легких самолетов проектируется и строится любителями и энтузиастами . [27]
В ранние годы проектирования самолетов конструкторы обычно использовали аналитическую теорию для выполнения различных инженерных расчетов, которые входят в процесс проектирования, а также много экспериментов. Эти расчеты были трудоемкими и отнимали много времени. В 1940-х годах несколько инженеров начали искать способы автоматизировать и упростить процесс расчета, и было разработано много соотношений и полуэмпирических формул. Даже после упрощения расчеты продолжали быть обширными. С изобретением компьютера инженеры поняли, что большинство расчетов можно автоматизировать, но отсутствие визуализации дизайна и огромное количество экспериментов удерживали сферу проектирования самолетов в застое. С появлением языков программирования инженеры теперь могли писать программы, которые были адаптированы для проектирования самолета. Первоначально это делалось с помощью мэйнфреймовых компьютеров и использовали низкоуровневые языки программирования, которые требовали от пользователя свободного владения языком и знания архитектуры компьютера. С появлением персональных компьютеров программы проектирования начали использовать более удобный для пользователя подход. [28] [ не удалось проверить ]
Основными аспектами проектирования самолетов являются:
Все конструкции самолетов предполагают компромиссы этих факторов для достижения проектной миссии. [29]
Крыло самолета с фиксированным крылом обеспечивает подъемную силу, необходимую для полета. Геометрия крыла влияет на каждый аспект полета самолета. Площадь крыла обычно определяется желаемой скоростью сваливания , но общая форма плана и другие аспекты деталей могут зависеть от факторов компоновки крыла. [30] Крыло может быть установлено на фюзеляже в высоком, низком и среднем положениях. Конструкция крыла зависит от многих параметров, таких как выбор соотношения сторон , коэффициент конусности, угол стреловидности , соотношение толщины, профиль сечения, вымывание и двугранный угол . [31] Форма поперечного сечения крыла — это его аэродинамический профиль . [32] Конструкция крыла начинается с ребра , которое определяет форму аэродинамического профиля. Ребра могут быть изготовлены из дерева, металла, пластика или даже композитных материалов. [33]
Крыло должно быть спроектировано и испытано таким образом, чтобы гарантировать, что оно выдержит максимальные нагрузки, возникающие при маневрировании и порывах атмосферного ветра.
Фюзеляж — часть самолета, в которой находится кабина экипажа , 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 мускульной силы человека. Основные параметры конструкции двигателя: [35]
Тяга, обеспечиваемая двигателем, должна уравновешивать сопротивление на крейсерской скорости и быть больше сопротивления, чтобы обеспечить ускорение. Требования к двигателю различаются в зависимости от типа самолета. Например, коммерческие авиалайнеры проводят больше времени на крейсерской скорости и нуждаются в большей эффективности двигателя. Высокопроизводительные истребители нуждаются в очень высоком ускорении и, следовательно, имеют очень высокие требования к тяге. [36]
Вес самолета является общим фактором, который связывает все аспекты конструкции самолета, такие как аэродинамика, структура и тяга, все вместе. Вес самолета выводится из различных факторов, таких как пустой вес, полезная нагрузка, полезная нагрузка и т. д. Различные веса используются для последующего расчета центра масс всего самолета. [37] Центр масс должен соответствовать установленным производителем пределам.
Конструкция самолета фокусируется не только на прочности, аэроупругости , долговечности , устойчивости к повреждениям , стабильности , но и на отказоустойчивости , коррозионной стойкости, ремонтопригодности и простоте изготовления. Конструкция должна выдерживать напряжения, вызванные герметизацией салона , если таковая установлена, турбулентностью и вибрациями двигателя или ротора. [38]
Проектирование любого самолета начинается в три этапа [39]
Концептуальное проектирование самолета включает в себя эскизирование различных возможных конфигураций, которые соответствуют требуемым спецификациям дизайна. Рисуя набор конфигураций, проектировщики стремятся достичь конфигурации проекта, которая удовлетворительно соответствует всем требованиям, а также идет рука об руку с такими факторами, как аэродинамика, двигательная установка, летные характеристики, структурные и управляющие системы. [40] Это называется оптимизацией дизайна. На этом этапе определяются такие фундаментальные аспекты, как форма фюзеляжа, конфигурация и расположение крыла, размер и тип двигателя. Ограничения для проектирования, подобные упомянутым выше, также принимаются во внимание на этом этапе. Конечный продукт представляет собой концептуальный макет конфигурации самолета на бумаге или экране компьютера, который должен быть рассмотрен инженерами и другими проектировщиками.
Конфигурация проекта, полученная на этапе концептуального проектирования, затем корректируется и переделывается, чтобы соответствовать параметрам проекта. На этом этапе проводятся 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 структурная нестабильность, если таковые имеются, исправляются, а окончательный проект рисуется и завершается. Затем, после завершения проекта, ключевое решение принимается производителем или отдельным лицом, проектирующим его, о том, продолжать ли производство самолета. [41] На этом этапе несколько проектов, хотя и вполне пригодных для полета и производительности, могли быть сняты с производства из-за их экономической нерентабельности.
Эта фаза просто касается аспекта изготовления самолета, который будет изготовлен. Она определяет количество, конструкцию и расположение нервюр , лонжеронов , секций и других структурных элементов. [42] Все аэродинамические, структурные, двигательные, контрольные и эксплуатационные аспекты уже были охвачены на этапе предварительного проектирования, и осталось только производство. На этом этапе также разрабатываются летные тренажеры для самолетов.
Некоторые коммерческие самолеты столкнулись со значительными задержками графика и перерасходами средств на этапе разработки. Примерами этого являются 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 млрд 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 закончился проблемами с пустым весом. [43]
Существующая программа самолета может быть разработана для повышения производительности и экономичности путем удлинения фюзеляжа , увеличения MTOW , улучшения аэродинамики, установки новых двигателей , новых крыльев или новой авионики. Для дальности 9100 морских миль на скорости Маха 0,8/FL360 снижение TSFC на 10% экономит 13% топлива, увеличение L/D на 10% экономит 12%, снижение OEW на 10% экономит 6%, а все вместе экономит 28%. [44]
{{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )