Processo de design de aeronaves - Aircraft design process
O processo de projeto da aeronave é um método vagamente definido usado para equilibrar muitos requisitos concorrentes e exigentes para produzir uma aeronave que seja forte, leve, econômica e possa transportar uma carga útil adequada, sendo suficientemente confiável para voar com segurança durante a vida útil do projeto da aeronave. Semelhante, mas mais exigente do que o processo usual de projeto de engenharia , a técnica é altamente iterativa, envolvendo trocas de configuração de alto nível, uma mistura de análise e teste e o exame detalhado da adequação de cada parte da estrutura. Para alguns tipos de aeronaves, o processo de projeto é regulamentado pelas autoridades nacionais de aeronavegabilidade .
Este artigo trata de aeronaves motorizadas , como aviões e projetos de helicópteros .
Restrições de design
Propósito
O processo de design começa com o propósito pretendido da aeronave. Os aviões comerciais são projetados para transportar passageiros ou carga útil, longo alcance e maior eficiência de combustível, enquanto os jatos de combate são projetados para realizar manobras de alta velocidade e fornecer apoio próximo às tropas terrestres. Algumas aeronaves têm missões específicas, por exemplo, aviões anfíbios têm um design único que lhes permite operar tanto em terra quanto na água, alguns caças, como o Harrier Jump Jet , têm capacidade VTOL (decolagem e pouso vertical), os helicópteros têm a capacidade de pairar sobre uma área por um período de tempo.
O objetivo pode ser atender a um requisito específico, por exemplo, como no caso histórico de uma especificação do British Air Ministry , ou preencher uma "lacuna no mercado" percebida; ou seja, uma classe ou projeto de aeronave que ainda não existe, mas para a qual haveria uma demanda significativa.
Regulamentos de aeronaves
Outro fator importante que influencia o projeto são os requisitos para a obtenção de um certificado de tipo para um novo projeto de aeronave. Esses requisitos são publicados pelas principais autoridades nacionais de aeronavegabilidade, incluindo a US Federal Aviation Administration e a European Aviation Safety Agency .
Os aeroportos também podem impor limites às aeronaves, por exemplo, a envergadura máxima permitida para uma aeronave convencional é de 80 metros (260 pés) para evitar colisões entre aeronaves durante o taxiamento.
Fatores financeiros e mercado
Limitações orçamentárias, requisitos de mercado e concorrência estabelecem restrições no processo de projeto e incluem as influências não técnicas no projeto da aeronave, juntamente com fatores ambientais. A competição leva as empresas a buscarem maior eficiência no projeto, sem comprometer o desempenho e incorporando novas técnicas e tecnologias.
Nas décadas de 1950 e 60, metas de projetos inatingíveis eram regularmente definidas, mas depois abandonadas, enquanto hoje programas problemáticos como o Boeing 787 e o Lockheed Martin F-35 se mostraram muito mais caros e complexos de desenvolver do que o esperado. Ferramentas de design mais avançadas e integradas foram desenvolvidas. A engenharia de sistemas baseada em modelo prevê interações potencialmente problemáticas, enquanto a análise e otimização computacional permite que os designers explorem mais opções no início do processo. O aumento da automação em engenharia e manufatura permite um desenvolvimento mais rápido e barato. Os avanços tecnológicos dos materiais à fabricação permitem variações de design mais complexas, como peças multifuncionais. Antes impossíveis de projetar ou construir, agora podem ser impressos em 3D , mas ainda precisam provar sua utilidade em aplicações como o Northrop Grumman B-21 ou o A320neo com motor novamente e 737 MAX . A Airbus e a Boeing também reconhecem os limites econômicos, de que a próxima geração de aviões não pode custar mais do que as anteriores.
Fatores Ambientais
Um aumento no número de aeronaves também significa maiores emissões de carbono. Cientistas ambientais expressaram preocupação com os principais tipos de poluição associados às aeronaves, principalmente ruído e emissões. Os motores de aeronaves têm sido historicamente notórios por gerar poluição sonora e a expansão das vias aéreas sobre cidades já congestionadas e poluídas tem recebido fortes críticas, tornando necessária a existência de políticas ambientais para o ruído das aeronaves. O ruído também surge da estrutura da aeronave, onde as direções do fluxo de ar são alteradas. As regulamentações de ruído aprimoradas forçaram os projetistas a criar motores e fuselagens mais silenciosos. As emissões de aeronaves incluem partículas, dióxido de carbono (CO 2 ), dióxido de enxofre (SO 2 ), monóxido de carbono (CO), vários óxidos de nitratos e hidrocarbonetos não queimados . Para combater a poluição, a ICAO estabeleceu recomendações em 1981 para controlar as emissões das aeronaves. Novos combustíveis ecológicos foram desenvolvidos e o uso de materiais recicláveis na fabricação ajudou a reduzir o impacto ecológico causado pelas aeronaves. As limitações ambientais também afetam a compatibilidade do campo de aviação. Aeroportos em todo o mundo foram construídos para se adequar à topografia da região em particular. Limitações de espaço, projeto do pavimento, áreas de segurança da extremidade da pista e a localização exclusiva do aeroporto são alguns dos fatores do aeroporto que influenciam o projeto da aeronave. No entanto, as mudanças no projeto da aeronave também influenciam o projeto do aeródromo, por exemplo, a recente introdução de novas aeronaves grandes (NLAs), como o superjumbo Airbus A380 , levou os aeroportos em todo o mundo a redesenharem suas instalações para acomodar seu grande tamanho e requisitos de serviço.
Segurança
As altas velocidades, tanques de combustível, condições atmosféricas em altitudes de cruzeiro, riscos naturais (tempestades, granizo e colisão de pássaros) e erro humano são alguns dos muitos riscos que representam uma ameaça para as viagens aéreas.
A aeronavegabilidade é o padrão pelo qual as aeronaves são determinadas como aptas para voar. A responsabilidade pela aeronavegabilidade é dos órgãos reguladores nacionais da aviação , fabricantes , bem como proprietários e operadores.
A Organização de Aviação Civil Internacional estabelece padrões internacionais e práticas recomendadas nas quais as autoridades nacionais devem basear seus regulamentos. As autoridades reguladoras nacionais estabelecem padrões de aeronavegabilidade, emitem certificados para fabricantes e operadores e padrões de treinamento de pessoal. Cada país tem seu próprio órgão regulador, como a Federal Aviation Administration nos EUA, a DGCA (Diretoria Geral de Aviação Civil) na Índia, etc.
O fabricante da aeronave certifica-se de que a aeronave atende aos padrões de projeto existentes, define as limitações operacionais e cronogramas de manutenção e fornece suporte e manutenção durante toda a vida operacional da aeronave. Os operadores de aviação incluem aviões de passageiros e carga , forças aéreas e proprietários de aeronaves privadas. Eles concordam em cumprir os regulamentos estabelecidos pelos órgãos reguladores, entender as limitações da aeronave conforme especificado pelo fabricante, relatar defeitos e auxiliar os fabricantes na manutenção dos padrões de aeronavegabilidade.
A maioria das críticas de design hoje em dia baseia-se na resistência ao choque . Mesmo com a maior atenção à aeronavegabilidade, acidentes ainda ocorrem. Resistência ao choque é a avaliação qualitativa de como as aeronaves sobrevivem a um acidente. O objetivo principal é proteger os passageiros ou cargas valiosas dos danos causados por um acidente. No caso de aviões comerciais, a pele estressada da fuselagem pressurizada fornece esse recurso, mas no caso de um impacto no nariz ou na cauda, grandes momentos de flexão se acumulam em toda a fuselagem, causando fraturas na carcaça, fazendo com que a fuselagem se quebre em seções menores. Portanto, as aeronaves de passageiros são projetadas de forma que os assentos fiquem longe de áreas susceptíveis de serem invadidas em um acidente, como perto de uma hélice, trem de pouso da nacela do motor, etc. O interior da cabine também é equipado com recursos de segurança, como oxigênio máscaras que baixam em caso de perda de pressão da cabine, bagageiros com chave, cintos de segurança, coletes salva-vidas, portas de emergência e faixas de piso luminosas. As aeronaves às vezes são projetadas com o pouso de emergência na água em mente, por exemplo, o Airbus A330 tem um interruptor de 'fosso' que fecha as válvulas e aberturas abaixo da aeronave, retardando a entrada de água.
Otimização de design
Os projetistas de aeronaves normalmente fazem o esboço do projeto inicial levando em consideração todas as restrições de seu projeto. Historicamente, as equipes de design costumavam ser pequenas, geralmente chefiadas por um designer-chefe que conhecia todos os requisitos e objetivos do design e coordenava a equipe de acordo. Com o passar do tempo, a complexidade das aeronaves militares e aéreas também cresceu. Os projetos modernos de design militar e de linha aérea são de uma escala tão grande que cada aspecto do design é abordado por equipes diferentes e, em seguida, reunidos. Na aviação geral, um grande número de aeronaves leves são projetadas e construídas por amadores e entusiastas .
Projeto de aeronaves auxiliado por computador
Nos primeiros anos do projeto de aeronaves, os projetistas geralmente usavam a teoria analítica para fazer os vários cálculos de engenharia que fazem parte do processo de projeto, juntamente com muita experimentação. Esses cálculos eram trabalhosos e demorados. Na década de 1940, vários engenheiros começaram a buscar maneiras de automatizar e simplificar o processo de cálculo e muitas relações e fórmulas semi-empíricas foram desenvolvidas. Mesmo após a simplificação, os cálculos continuaram a ser extensos. Com a invenção do computador, os engenheiros perceberam que a maioria dos cálculos poderia ser automatizada, mas a falta de visualização do projeto e a grande quantidade de experimentação envolvida mantiveram o campo do projeto de aeronaves estagnado. Com o surgimento das linguagens de programação, os engenheiros agora podiam escrever programas adaptados para projetar uma aeronave. Originalmente, isso era feito com computadores mainframe e usava linguagens de programação de baixo nível que exigiam que o usuário fosse fluente na linguagem e conhecesse a arquitetura do computador. Com a introdução dos computadores pessoais, os programas de design começaram a empregar uma abordagem mais amigável.
Aspectos de design
Os principais aspectos do projeto de aeronaves são:
Todos os projetos de aeronaves envolvem o comprometimento desses fatores para cumprir a missão do projeto.
Design de asa
A asa de uma aeronave de asa fixa fornece a sustentação necessária para o vôo. A geometria da asa afeta todos os aspectos do voo de uma aeronave. A área da asa geralmente será ditada pela velocidade de estol desejada, mas a forma geral da forma do plano e outros aspectos de detalhes podem ser influenciados por fatores de layout da asa. A asa pode ser montada na fuselagem nas posições alta, baixa e média. O projeto da asa depende de muitos parâmetros, como seleção de proporção , proporção de conicidade, ângulo de varredura , proporção de espessura, perfil de seção, washout e diedro . A forma da seção transversal da asa é seu aerofólio . A construção da asa começa com a nervura que define a forma do aerofólio. As costelas podem ser feitas de madeira, metal, plástico ou mesmo compósitos.
A asa deve ser projetada e testada para garantir que possa suportar as cargas máximas impostas pelas manobras e por rajadas atmosféricas.
Fuselagem
A fuselagem é a parte da aeronave que contém a cabine, a cabine de passageiros ou o porão de carga.
Propulsão
A propulsão de aeronaves pode ser alcançada por motores de aeronaves especialmente projetados, motores adaptados de automóveis, motocicletas ou veículos para neve, motores elétricos ou até mesmo força muscular humana. Os principais parâmetros do projeto do motor são:
- Empuxo máximo do motor disponível
- Consumo de combustível
- Massa do motor
- Geometria do motor
O empuxo fornecido pelo motor deve equilibrar o arrasto na velocidade de cruzeiro e ser maior do que o arrasto para permitir a aceleração. Os requisitos do motor variam com o tipo de aeronave. Por exemplo, os aviões comerciais passam mais tempo em velocidade de cruzeiro e precisam de mais eficiência do motor. Os caças de alto desempenho precisam de uma aceleração muito alta e, portanto, têm requisitos de empuxo muito altos.
Peso
O peso da aeronave é o fator comum que une todos os aspectos do projeto da aeronave, como aerodinâmica, estrutura e propulsão. O peso de uma aeronave é derivado de vários fatores, como peso vazio, carga útil, carga útil, etc. Os vários pesos são usados para calcular o centro de massa de toda a aeronave. O centro de massa deve estar dentro dos limites estabelecidos pelo fabricante.
Estrutura
A estrutura da aeronave se concentra não apenas na resistência, aeroelasticidade , durabilidade , tolerância a danos , estabilidade , mas também na segurança contra falhas , resistência à corrosão , manutenção e facilidade de fabricação. A estrutura deve ser capaz de suportar as tensões causadas pela pressurização da cabine , se instalada, turbulência e vibrações do motor ou rotor.
Processo de design e simulação
O projeto de qualquer aeronave começa em três fases
Design conceptual
O projeto conceitual da aeronave envolve o esboço de uma variedade de configurações possíveis que atendem às especificações de projeto exigidas. Ao traçar um conjunto de configurações, os projetistas buscam alcançar a configuração do projeto que atenda satisfatoriamente a todos os requisitos, além de andar de mãos dadas com fatores como aerodinâmica, propulsão, desempenho de vôo, sistemas estruturais e de controle. Isso é chamado de otimização de design. Aspectos fundamentais como formato da fuselagem, configuração e localização da asa, tamanho e tipo do motor são todos determinados nesta fase. Restrições ao design como as mencionadas acima também são levadas em consideração neste estágio. O produto final é um layout conceitual da configuração da aeronave em papel ou tela de computador, a ser revisado por engenheiros e outros projetistas.
Fase de projeto preliminar
A configuração do projeto obtida na fase de projeto conceitual é então ajustada e remodelada para se ajustar aos parâmetros do projeto. Nesta fase, são feitos testes em túnel de vento e cálculos computacionais de dinâmica de fluidos do campo de fluxo ao redor da aeronave. As principais análises estruturais e de controle também são realizadas nesta fase. Falhas aerodinâmicas e instabilidades estruturais, se houver, são corrigidas e o projeto final é desenhado e finalizado. Então, após a finalização do projeto, cabe ao fabricante ou ao indivíduo que o projetou, a decisão principal de prosseguir com a produção da aeronave. Neste ponto, vários projetos, embora perfeitamente capazes de voar e desempenho, podem ter sido excluídos da produção por serem economicamente inviáveis.
Fase de projeto de detalhe
Esta fase trata simplesmente do aspecto de fabricação da aeronave a ser fabricada. Ele determina o número, projeto e localização de nervuras , longarinas , seções e outros elementos estruturais. Todos os aspectos aerodinâmicos, estruturais, de propulsão, controle e desempenho já foram cobertos na fase de projeto preliminar e apenas a fabricação permanece. Simuladores de vôo para aeronaves também são desenvolvidos nesta fase.
Atrasos
Algumas aeronaves comerciais experimentaram atrasos de cronograma significativos e estouro de custos na fase de desenvolvimento. Exemplos disso incluem o Boeing 787 Dreamliner com um atraso de 4 anos com estouros de custo massivos, o Boeing 747-8 com um atraso de dois anos, o Airbus A380 com um atraso de dois anos e US $ 6,1 bilhões em estouros de custo, o Airbus A350 com atrasos e estouros de custo, o Bombardier C Series , Global 7000 e 8000, o Comac C919 com um atraso de quatro anos e o Mitsubishi Regional Jet , que atrasou quatro anos e acabou com problemas de peso vazio.
Desenvolvimento de programa
Um programa de aeronave existente pode ser desenvolvido para ganhos de desempenho e economia alongando a fuselagem , aumentando o MTOW , melhorando a aerodinâmica, instalando novos motores , novas asas ou novos aviônicos. Para um longo alcance de 9.100 nmi a Mach 0,8 / FL360, um TSFC 10% menor economiza 13% de combustível, um aumento de 10% L / D economiza 12%, um OEW 10% menor economiza 6% e todos os combinados economizam 28%.
Re-motor
| Base | Motores anteriores | Primeiro voo | Re-motorizado | Novos motores | Primeiro voo |
|---|---|---|---|---|---|
| DC-8 Super 60 | JT3D | 30 de maio de 1958 | DC-8 Super 70 | CFM56 | 1982 |
| Boeing 737 Original | JT8D | 9 de abril de 1967 | Boeing 737 Classic | CFM56 | 24 de fevereiro de 1984 |
| Fokker F28 | Rolls-Royce Spey | 9 de maio de 1967 | Fokker 100/70 | Rolls-Royce Tay | 30 de novembro de 1986 |
| Boeing 747 | JT9D / CF6 -50 / RB211 -524 | 9 de fevereiro de 1969 | Boeing 747-400 | PW4000 / CF6-80 / RB211-524G / H | 29 de abril de 1988 |
| Douglas DC-10 | JT9D / CF6-50 | 29 de agosto de 1970 | MD-11 | PW4000 / CF6-80 | 10 de janeiro de 1990 |
| Douglas DC-9 / MD-80 | JT8D | 25 de fevereiro de 1965 | MD-90 | V2500 | 22 de fevereiro de 1993 |
| Boeing 737 Classic | CFM56-3 | 24 de fevereiro de 1984 | Boeing 737 NG | CFM56-7 | 9 de fevereiro de 1997 |
| Boeing 747-400 | PW4000 / CF6 / RB211 | 29 de abril de 1988 | Boeing 747-8 | GEnx -2b | 8 de fevereiro de 2010 |
| Airbus A320 | CFM56 / V2500 | 22 de fevereiro de 1987 | Airbus A320neo | CFM LEAP / PW1100G | 25 de setembro de 2014 |
| Boeing 737 NG | CFM56 | 9 de fevereiro de 1997 | Boeing 737 MAX | CFM LEAP | 29 de janeiro de 2016 |
| Embraer E-Jet | CF34 | 19 de fevereiro de 2002 | Embraer E-Jet E2 | PW1000G | 23 de maio de 2016 |
| Airbus A330 | CF6 / PW4000 / Trent 700 | 2 de novembro de 1992 | Airbus A330neo | Trent 7000 | 19 de outubro de 2017 |
| Boeing 777 | GE90 / PW4000 / Trent 800 | 12 de junho de 1994 | Boeing 777X | GE9X | 25 de janeiro de 2020 |
Trecho de fuselagem
| Base | Comprimento da base | Primeiro voo | Esticado | Comprimento esticado | Primeiro voo |
|---|---|---|---|---|---|
| Boeing 737-100 | 28,65 m (94,00 pés) | 9 de abril de 1967 | 737-200 | 30,5 m (100,2 pés) | 8 de agosto de 1967 |
| 737-500 / 600 | 31,00–31,24 m (101,71–102,49 pés) | ||||
| 737-300 / 700 | 33,4–33,63 m (109,6–110,3 pés) | ||||
| 737 MAX 7 | 35,56 m (116,7 pés) | ||||
| 737-400 | 36,40 m (119,4 pés) | ||||
| 737-800 / MAX 8 | 39,47 m (129,5 pés) | ||||
| 737-900 / MAX 9 | 42,11 m (138,2 pés) | ||||
| 737 MAX 10 | 43,80 m (143,7 pés) | plano. 2020 | |||
| Boeing 747 -100/200/300/400 | 70,66 m (231,8 pés) | 9 de fevereiro de 1969 | Boeing 747SP | 56,3 m (185 pés) | 4 de julho de 1975 |
| Boeing 747-8 | 76,25 m (250,2 pés) | 8 de fevereiro de 2010 | |||
| Boeing 757 | 47,3 m (155 pés) | 19 de fevereiro de 1982 | Boeing 757-300 | 54,4 m (178 pés) | |
| Boeing 767 -200 / ER | 48,51 m (159,2 pés) | 26 de setembro de 1981 | Boeing 767-300 / ER | 54,94 m (180,2 pés) | |
| Boeing 767-400ER | 61,37 m (201,3 pés) | ||||
| Boeing 777 -200 / ER / LR | 63,73 m (209,1 pés) | 12 de junho de 1994 | Boeing 777X -8 | 69,8 m (229 pés) | |
| Boeing 777-300 / ER | 73,86 m (242,3 pés) | 16 de outubro de 1997 | |||
| Boeing 777X-9 | 76,7 m (252 pés) | 25 de janeiro de 2020 | |||
| Boeing 787 -8 | 56,72 m (186,08 pés) | 15 de dezembro de 2009 | Boeing 787-9 | 62,81 m (206,08 pés) | 17 de setembro de 2013 |
| Boeing 787-10 | 68,28 m (224 pés) | 31 de março de 2017 | |||
| Airbus A300 | 53,61–54,08 m (175,9–177,4 pés) | 28 de outubro de 1972 | Airbus A310 | 46,66 m (153,1 pés) | 3 de abril de 1982 |
| Airbus A320 (neo) | 37,57 m (123,3 pés) | 22 de fevereiro de 1987 | Airbus A318 | 31,44 m (103,1 pés) | 15 de janeiro de 2002 |
| Airbus A319 (neo) | 33,84 m (111,0 pés) | 25 de agosto de 1995 | |||
| Airbus A321 (neo) | 44,51 m (146,0 pés) | 11 de março de 1993 | |||
| Airbus A330-300 / 900 | 63,67 m (208,9 pés) | 2 de novembro de 1992 | Airbus A330-200 / 800 | 58,82 m (193,0 pés) | 13 de agosto de 1997 |
| Airbus A340-300 | 63,69 m (209,0 pés) | 25 de outubro de 1991 | Airbus A340-200 | 59,40 m (194,9 pés) | 1 ° de abril de 1992 |
| Airbus A340-500 | 67,93 m (222,9 pés) | 11 de fevereiro de 2002 | |||
| Airbus A340-600 | 75,36 m (247,2 pés) | 23 de abril de 2001 | |||
| Airbus A350 -900 | 66,61 m (218,5 pés) | 14 de junho de 2013 | A350-1000 | 73,59 m (241,4 pés) | 24 de novembro de 2016 |
Veja também
Referências
links externos
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Re-motor
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