Quais são os problemas com a construção de aeronaves modulares?

Projetar uma parte "melhor" e atualizada é um lote de trabalho. E então tudo tem que ser testado para trabalhar em conjunto, o que é ainda mais trabalho. É por isso que os fabricantes de aeronaves geralmente optam por atualizar o máximo possível de poucas partes e apenas aquelas onde o benefício mais significativo é esperado.

E a situação com o A320 é semelhante. A designação "NEO" para a nova série que entra na produção significa "nova opção de motor", porque é disso que trata a atualização. Além de novos motores e winglets há basicamente nenhuma outra mudança .

E isso foi apenas tipo muda como em nova aeronave sendo construída a partir de partes atualizadas. A atualização de uma estrutura existente é outra lata de worms.

Basicamente, as junções entre os componentes da estrutura precisam ser muito strongs e leves. O método de junção mais comum que satisfaz isso é fascinante, com a colagem ganhando popularidade para compósitos e, em alguns casos, a soldagem aparece (o alumínio é difícil de soldar, mas a soldagem por fricção parece funcionar satisfatoriamente).

Bem, nenhum desses métodos permite fácil desmontagem. Para tornar os componentes substituíveis, eles teriam que ser parafusados. No entanto, os parafusos têm várias desvantagens importantes. Eles podem se soltar, não se encaixam bem (os rebites se expandem para se ajustarem) e são consideravelmente mais pesados. Essas coisas os tornam totalmente inadequados para a junção de alto estresse, especialmente para unir a fuselagem e as asas. E perfurar os rebites e rebitagem em um substituto é muito trabalho e há um alto risco de danificar as peças, o que poderia facilmente torná-las inseguras de usar.

E depois há uma questão das partes removidas. Então você substitui as asas depois de metade de sua vida, porque um modelo novo e mais eficiente está disponível. Mas as velhas asas ainda poderiam gerar receita. Ao descartá-los, você perdeu esse dinheiro. Então, para pagar, a diferença de eficiência deve compensar isso.

Bem, é extremamente improvável que isso aconteça. Os novos motores do 737MAX ou A320NEO economizam cerca de 15% do combustível, mas os motores são o componente em que o maior benefício pode ser obtido. Redesenhar qualquer outro componente pode economizar no máximo alguns por cento.

Sim, algumas células receberam melhorias estruturais (modernizar aviônicos ou outros componentes pequenos é mais fácil e, portanto, mais frequente), mas geralmente eram aeronaves militares em que as mudanças ofereciam algum outro benefício que valesse o esforço.

E mais algumas estruturas de avião foram readequadas a diferentes mecanismos, mas os motores têm vida útil mais curta e, por isso, precisam ser projetados para serem substituíveis. E até lá geralmente é uma aeronave militar e geralmente só porque as células são usadas por muito mais tempo. Por exemplo, o KC-135 foi reenginado, mas foi mais ou menos a época em que o seu homólogo civil, o B707, foi totalmente descartado.

Mas a maior parte do tempo, a substituição de partes de uma aeronave não evita qualquer desperdício, mas cria muito dela.

Atualizar a maioria dos itens listados na pergunta seria considerado uma grande mudança e exigir a aprovação dos reguladores. Por exemplo, vamos considerar apenas asas, nariz, cauda, motor e fuselagem. São 5 seções principais diferentes do avião. Mesmo se houver apenas duas opções para cada uma delas, isso criará 32 configurações exclusivas. Mesmo que alguns deles possam ser eliminados, isso é um monte de configurações. Cada um teria que ser aprovado pelos reguladores. Os fabricantes também teriam que estocar peças para as diferentes opções, reduzindo o benefício de projetar, fabricar e instalar um número maior de apenas uma peça.

Há uma boa razão para ter todas as configurações principais certificadas separadamente. Aviões, especialmente aviões de passageiros, são máquinas complexas, onde todas as partes interagem de muitas maneiras que afetam o desempenho e a segurança da aeronave. É preciso muita análise e testes para entender completamente todas as interações e garantir que a aeronave funcionará conforme o esperado.

Dito isto, algumas opções têm demanda suficiente para ser oferecida pelos fabricantes. A maioria das aeronaves tem diferentes opções de fuselagem que variam em comprimento, permitindo que diferentes capacidades de passageiros correspondam às necessidades dos operadores. No entanto, cortar a fuselagem para mudar isso seria muito mais caro do que apenas vender o avião e comprar o tamanho desejado. Muitas aeronaves também oferecem opções de motor de diferentes fabricantes. Embora a compatibilidade seja geralmente limitada a um tipo de motor, os motores podem ser removidos com relativa facilidade e as atualizações de desempenho podem estar disponíveis. Embora os aviônicos sejam normalmente padrão, existem opções de atualização à medida que surgem novas tecnologias. Os assentos já são um componente modular que pode ser reorganizado e trocado e geralmente são escolhidos por cada companhia aérea.

As asas devem carregar toda a carga do avião e, muitas vezes, integrar motores, trem de pouso e tanques de combustível. Eles tendem a ser mais eficientes com um alcance maior, mas as aeronaves também são limitadas no alcance das asas, por isso, mesmo diferentes tamanhos do mesmo tipo podem use as mesmas asas . Adicionar winglets é uma opção que requer muito menos trabalho do que substituir a asa inteira por uma pequena melhoria no desempenho.

Pode haver diferentes opções associadas ao trem de pouso, como diferentes tipos de freios ou monitoramento da pressão dos pneus. Fora isso, não há muitas opções a serem oferecidas. O trem de pouso tem um limite rígido de vida útil, por isso é projetado para ser substituível.

A cauda tende a ser projetada e dimensionada para a aeronave e é fundamental para a estabilidade e controle da aeronave, portanto, é geralmente a mesma em todas as versões de um modelo.

No que diz respeito a oferecer atualizações para os principais componentes, os benefícios de tal atualização geralmente não superam os grandes custos de oferecê-lo. .

O centro de gravidade de um plano montado e carregado deve estar na posição correta, em relação à posição onde as asas estão conectadas. Montar uma cauda diferente, nosegear, motores afetaria a posição anterior e posterior do cg.

Portanto, precisaríamos de uma fuselagem em que a posição da asa pudesse ser variada de acordo com a configuração escolhida.

Problema: a fuselagem precisa ser a mais leve possível na maioria dos lugares, e reforçada no local onde as asas estão conectadas. Então, acabaríamos precisando de uma fuselagem diferente para cada configuração.

(Existem muitas outras razões pelas quais uma abordagem modular totalmente flexível é impraticável, mas eu dei o mais básico baseado em engenharia que eu posso pensar.)

Um dos motivos pelos quais as aeronaves não são modulares é que muitos aspectos do projeto de aeronaves são feitos olhando para o avião inteiro, não apenas para suas partes. Alguns exemplos são:

• Existem várias interações aerodinâmicas, como centro de gravidade vs centro de pressão, elevação da asa versus sustentação da asa, elevação versus peso, acoplamento roll-yaw, etc. e devem ser coordenadas em toda a aeronave para garantir que a aeronave estabilidade desejada.
• Estruturalmente, a aeronave precisa ser strong o suficiente. Algo tão simples quanto uma plataforma aviônica mais pesada do que o esperado pode forçar um redesenho da estrutura, o que pode forçar um redesenho das asas e de outras partes, além de suportar a estrutura mais pesada.
• Os níveis de segurança são calculados como a soma das partes, não apenas para cada parte individualmente. As chances de danos estruturais dependem de mais do que apenas uma "parte" estrutural, e há equilíbrios entre a confiabilidade do sensor e a verificação de erros aviônicos, superfícies de controle e superfícies de controle de backup, etc. para atingir os níveis de segurança desejados.
• A aerodinâmica, a resposta do motor e a ressonância estrutural são usadas na aviônica para garantir que o desempenho desejado seja alcançado.
• A aviônica é muito específica da plataforma e coisas como telas precisam ser programadas especificamente para cada configuração possível de sensores, superfícies de controle, controles de piloto, rádios, etc.
• O sistema elétrico precisa ser capaz de fornecer energia suficiente para tudo, possivelmente em vários canais separados para redundância.
• A análise de fatores humanos geralmente é feita como a soma de diferentes partes que interagem ao longo do cockpit, especialmente para análises complicadas, como determinar se as operações de piloto único são possíveis.

Dito isso, coisas que podem ser adicionadas ou removidas facilmente, como plataformas de aviônicos, pontas das asas, assentos ou sensores, às vezes são, como observado na resposta do fooot. A modularidade de uma aeronave é mais como construir e menos como um computador de mesa.