Por que existe realmente apenas um projeto básico para aviões de passageiros?

Para a maioria das aeronaves de transporte, a eficiência aerodinâmica é o parâmetro chave, pois permite menor consumo de combustível. Os layouts que você vê com mais frequência são os mais eficientes conhecidos:

• Para jatos baixos varreram as asas com motores montados sob e à frente das asas e a cauda convencional é o layout conhecido mais eficiente. Motores montados na cauda costumavam ser comuns em jatos menores, mas como isso empurra muito para trás, eles são piores em relação à área de Whitcomb regra , pior para peso e equilíbrio, e motores montados nas asas também ajudam a atenuar a vibração. Então, novos regiojets estão mudando para motores sob as asas também.

• Aeronaves de hélice voam mais devagar, então elas têm asas retas. As asas montadas baixas são um pouco mais eficientes, mas o avião precisa ter uma engrenagem longa para manter uma distância ao solo suficiente para as hélices, de modo que as asas altas são mais comuns. A cauda em T é então usada simplesmente para colocar o elevador acima da esteira mais turbulenta das asas e dos motores.

Os únicos desvios desses três layouts básicos estão no plano de propósito especial que tem outra preocupação mais importante. O mais notável é que os aviões de carga militares são geralmente de asa alta, para que possam sentar-se no chão para facilitar o carregamento e o descarregamento usando a rampa embutida. Sua marcada anhedral é para evitar a superestabilização da aeronave em rolo, pois tanto a asa alta quanto a varredura da asa aumentam a estabilidade do rolamento . Projetos anteriores da regiojet usavam motores montados na cauda pelo mesmo motivo; sentar-se mais baixo no chão, para que possam ser facilmente carregados através do andar de baixo incorporado e não sejam muito pesados e volumosos.

A indústria aeronáutica realizou a maior parte de sua pesquisa nas décadas de 1920 e 1940. Havia literalmente dezenas de variações de fuselagem e asas. Depois de algumas experiências e teorizações (na NACA, Farnborough e em outros lugares), para cada objetivo de design / nicho de mercado surgiu um design dominante que se encaixam na carga para combustível e outras restrições e minimizam o custo.

Praticamente nos aviões de passageiros foi decidido pelo design do DC-3, e na era do jato, pelo Cometa .

EDIT: Jan Hudec aponta duas melhorias significativas que o Cometa não tinha:

• corpos anti-choque , introduzidos pela primeira vez em este design ;
• movendo os motores para a frente e para dentro das naceles.

Como um aparte, há outra adição generalizada aos designs - winglets .

Referências:

• link
• Bernie MacIsaac e Roy Langton. (2011) Sistemas de Propulsão de Turbinas a Gás, John Wiley & Filhos.

Se você olhar em volta de um aeroporto de hub razoavelmente ativo, verá muitas opções de design diferentes para aeronaves de passageiros, todas sendo produzidas hoje:

• Alguns têm asas altas (acima das janelas), alguns têm baixa.
• Alguns varreram as asas, alguns têm linha reta.
• Alguns têm motores montados sob as asas, outros estão ligados à fuselagem.
• Alguns têm motores turbofan, outros têm propulsores.
• Alguns têm tailplanes convencionais, outros têm t-shirts.
• Alguns têm dois mecanismos, alguns têm quatro.
• A maioria tem uma fuselagem longa e cilíndrica; alguns têm outras formas (considere o 747 cuja seção transversal da fuselagem muda dramaticamente na metade do plano).

Se você olhar para aviões otimizados para voar em distâncias semelhantes com números semelhantes de passageiros (compare, por exemplo, o Airbus A320 com o Boeing 737), eles terão as mesmas opções na maioria dessas categorias. Isso porque as escolhas fazem a diferença e, para esse uso específico, uma combinação específica acaba sendo economicamente vantajosa.

No entanto, uma vez que você olha para os planos com papéis diferentes , as coisas mudam. Um regional de 70 lugares, como o ATR 72, não se parece em nada com um A320 menor .

(Exceto muito grosseiramente ao nível da "fuselagem estreita e comprida, um par de asas principais perto do seu centro, um grupo de estabilizadores por toda a parte, equipamento de triciclo").

Toda vez que uma nova aeronave é introduzida, o departamento de marketing do respectivo fabricante afirma que agora uma nova era de viagens aéreas já começou. Lembre-se das alegações feitas no momento em que a Boeing lançou o 747: Gostaríamos de desfrutar de um cinema de tela grande e um bar no céu, e muito o mesmo (mais a opção de um spa voador) aconteceu com o A-380. p>

No final, os clientes votam com suas carteiras, e as companhias aéreas precisam ganhar dinheiro, então todas essas opções extravagantes murcham e todos voltam ao que funciona melhor. O design da aeronave amadureceu, e todas essas alegações de configurações de corpo de asa misturadas só manterão o marketing e a imprensa ocupada.

Acrescente a isso as limitações da infraestrutura existente e a regulamentação excessiva (graças à qual desfrutamos de uma segurança incomparável em viagens aéreas, a propósito) e a vantagem potencial de novas configurações desaparecerá rapidamente. Apenas tente encontrar uma forma de evacuar rapidamente uma dessas configurações combinadas de asa-corpo com 20 assentos seguidos, e qualquer vantagem aerodinâmica (que não tenha) será discutível.

O design é popular porque é o melhor até agora para viagens aéreas de grande capacidade subsônicas. Outros designs seriam menos seguros ou mais resistentes, além disso, não há razão para consertar o que não está quebrado.

A Boeing flertou com diferentes projetos de aviões nos últimos anos, mas parece que, por enquanto os modelos mais extravagantes que teremos serão o Boeing 787 e o Airbus A380.

É chamado de "evolução convergente". Se você tiver uma tarefa para executar e essa tarefa tiver requisitos físicos, todos os designs acabarão aparecendo e funcionando da mesma forma. Há muitas viagens secundárias ao longo do caminho e essas viagens secundárias tendem a ficar por perto servindo seu canto da espécie.

Exemplos:

• As grandes aeronaves são de asa baixa. Exceções são cargas pesadas e adereços de campo curtos / irregulares como o Dash-8 (grandes adereços não cabem em asas baixas) (um 747 não é um avião de carga pesada. Cada peça é pequena)

• Todos colocam seus mecanismos nas asas. Os que não ficam muito baixos no chão e não têm espaço suficiente. Próximo melhor lugar: a cauda. Boa sorte pendurando um Trent 900 em ambos os lados da cauda. E o elevador tem que sair do caminho. O número de mecanismos que você tem é puramente uma função do impulso necessário versus o disponível. Observe como a configuração trijet foi extinta à medida que os mecanismos mais potentes (e confiáveis) evoluíram.

• todas as aeronaves pressurizadas têm seções transversais circulares e janelas arredondadas, mais fáceis de inflar. Planos não pressurizados ainda usam muitos painéis planos.

• criaturas do tipo peixe usam uma única aleta grande para propulsão. Os verdadeiros peixes mexem de lado a lado, os mamíferos aquáticos que retornam ao mar o balançam para cima e para baixo, como as pernas que costumavam ter.

Coisas como winglets, canardas e outras protuberâncias são fixações aparafusadas para problemas aerodinâmicos descobertos depois que o projeto inicial foi concluído. Eles provavelmente não estarão lá na próxima vez que um design de página em branco for iniciado.

Seria um risco tentar algo novo. O objetivo do construtor de estruturas é ganhar dinheiro e eles podem fazer isso melhorando a eficiência em relação à geração anterior e ocupando nichos ligeiramente diferentes no mercado em comparação com a concorrência.

Quais são as alternativas para o tubo e a asa baixa montada?

1. Ala alta. Isso muitas vezes exige uma cauda em T que tenha segurança inferior. Com a asa baixa, a asa e o trem de pouso podem ser montados em pontos strongs da fuselagem.

2. asa média. Os combatentes usam isso porque é mais eficiente, mas reduziria o volume de carga em um avião comercial.

3. Asa e corpo misturados (BWB). Este projeto tem muitos passageiros longe de janelas e apresenta problemas de evacuação. Também é mais fácil pressurizar uma esfera ou cilindro do que a forma BWB.

4. Asa delta. link

O conceito de Honeydew da Boeing usa uma asa delta. Evidentemente, o problema de segurança / manuseio de baixa velocidade é considerado um problema muito grande.

5. Canard. O Boeing Kermit Kruiser. O avião seria levantado do canard em vez de downforce mas IIRC a área dominante é mais difícil.

Como outros já observaram, o projeto geral atual de aeronaves de passageiros é o resultado de décadas de engenharia e pesquisa. Quando todos os requisitos são analisados, esse layout básico é o que oferece o melhor equilíbrio de vantagens e desvantagens. A infraestrutura também foi construída em torno dessa configuração, o que introduz outra limitação que um novo design teria que solucionar. Embora os aeroportos estivessem dispostos a fazer mudanças para acomodar o A380, um projeto completamente diferente provavelmente envolveria uma mudança mais drástica, que seria mais difícil de vender aos aeroportos.

Durante os muitos anos em que esse design evoluiu, muitas boas lições foram aprendidas. O histórico de segurança de hoje na aviação é o resultado dessas lições sendo colocadas em prática para melhorar o design. Para um novo design radical, muito disso teria que ser descartado ou pelo menos profundamente revisado. Pesquisas e testes teriam que ser feitos em muitas áreas para garantir que os aspectos importantes do projeto sejam entendidos corretamente.

Outro elemento-chave é a certificação. Para que a FAA, a EASA, etc., concedam um certificado de tipo a uma aeronave, há um longo processo de certificação. Para um design completamente diferente, a certificação também seria completamente diferente. Não só os designers teriam que ter confiança na nova configuração, mas também teriam que convencer essas autoridades. Isso envolveria a introdução de muitas informações novas. Aeronaves novas e recentes já estão demorando mais e mais para serem certificadas. A introdução de uma configuração completamente nova pode demorar ainda mais.

Eu já vi outros responderem à pergunta sobre por que essa forma (eficiência aerodinâmica), mas não por que ela é aerodinamicamente eficiente.

A chave na produção de uma aeronave com alta eficiência aerodinâmica (menor arrasto) é a menor área molhada possível e a área frontal, gerando ao mesmo tempo a sustentação máxima. A área frontal é exatamente o que você pensa, a menor seção transversal possível que você tenta empurrar pelo ar. No entanto, a área afiada é a área que fica "molhada", isto é, a área total da superfície da aeronave. Isso significa que a melhor forma possível é um longo charuto: quanto mais fino melhor. Qualquer área que você adicionar ao "tubo" é energia desperdiçada.

Simultaneamente, a forma da asa que gera elevação máxima com menor arrasto é uma forma longa e fina. Isso ocorre porque as asas causam elevação principalmente pela criação de pressão de ar negativa, fazendo com que o fluxo de ar seja mais rápido na parte superior do que na parte inferior. Esse efeito é destruído por ter uma asa larga e gordurosa, porque a asa não pode criar a mesma bolsa apertada de diferencial de ar entre a parte superior e a inferior que uma asa fina pode. Isso é o que mata asas Delta e levantar corpos.
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Quando a velocidade da aeronave atinge uma porcentagem maior da velocidade do som, outros fatores entram em jogo. A asa deve ser varrida e a asa deve ser mais strong para lidar com as forças em jogo, por isso deve ser mais espessa.

A última porção é a cauda atrás. Isso é apenas imitar a flecha: colocar a flecha na parte de trás da flecha cria estabilidade natural, certificando-se de que a frente da aeronave permaneça apontada para a frente.

Existem muitas vantagens para outros designs, os Canards têm um excelente comportamento de stall, os corpos de levantamento têm uma resistência soberba e, portanto, a segurança e as asas tandem com struts têm grande resistência e excelentes características de elevação. Mas o negócio de companhias aéreas é um negócio de alta margem de baixo volume, de modo que qualquer pequena quantidade de arrasto é rejeitada quando as decisões são tomadas.

Dos anos 30 aos 60, o padrão para viagens transoceânicas era uma aeronave de quatro motores. Se você perguntasse a certas companhias aéreas se elas comprariam um avião da Lockheed ou da Douglas, eles diriam "NÃO" porque seus clientes se recusariam a voar com menos de quatro motores!

Mas gradualmente 3 motores tornaram-se padrão para viagens oceânicas.

E no início dos anos 80, o ETOPS surgiu porque os motores se tornaram extremamente confiáveis.

Portanto, o processo de design é evolutivo; a maioria das mudanças acontece muito lentamente, e os designers geralmente copiam os sucessos de outros designers.