Como o peso foi reduzido no design de aeronaves comerciais e como esta tendência continuará?

Talvez a maior redução de peso na aeronave tenha sido o uso de materiais compostos sobre o alumínio. Isso se estende de pequenas aeronaves GA até os aviões de passageiros como Boeing Dreamliner . No jogo retro fit, alguns aviões mais antigos foram certificados para levar hélices compostas mais novas . Mesmo pequenas economias são importantes de acordo com este artigo

LED modules give on average a 40% weight saving over the incandescent modules they are replacing, which improves fuel economy

Cabines de vidro e aviônicos computadorizados modernos tendem a pesar menos e oferecem mais do que suas contrapartes anteriores. Mesmo no ônibus espacial

The system also provides greater backup capability, weighs less and uses less power than the original design.

Outra coisa que fez um dente justo em tirar o peso é como os motores eficientes em combustível conseguiram. Embora exista um limite prático para isso, à medida que os motores se tornam mais eficientes, a necessidade de transportar combustível caiu ou os aviões podem ir mais longe com o mesmo combustível. Na mesma linha do que o planejamento / previsão do tempo, a carga de combustível melhorou ( enquanto ainda estava em conformidade com os regulamentos de reservas da FAA ) pode ser um pouco mais leve, pois agora eles podem ser calculados com mais precisão.

A única coisa que tem heaver obtido é o passageiro ...

Além do uso de materiais compostos, outra técnica de redução de peso veio da criação de fios elétricos e cabos mais leves usados em todo o avião e da redução da quantidade de fio necessária em geral.

Isso foi abordado de várias maneiras diferentes.

1. Reduza o peso total do fio e do cabo por pé desenvolvendo um fio que use materiais leves ou que possam suportar temperaturas mais altas, para que seja necessário menos isolante ou condutor. O tamanho de encolhimento do cabo
2. Projete sistemas elétricos, de vôo e de dados que exigem menos fiação em primeiro lugar. Ao reduzir a quantidade de fio necessária, o peso total pode ser reduzido significativamente. Um exemplo é o Avionics Full-Duplex (AFDX) , que é usado para substituir redes de dados ARINC 429 em aeronaves de grande porte. O AFDX requer menos fiação do que o ARINC 429, reduzindo assim o peso total do fio.

Eu sei o que vou dizer não é exatamente o que foi perguntado, mas achei muito interessante da mesma forma :-)

Se você observar a tecnologia dos motores a jato da GE, provavelmente ficará impressionado com seus detalhes. Especialmente o material compósito de fibra de carbono é algo que permite à GE tornar as pás do ventilador mais compridas e mais finas. Veja: link

Eu tentei extrair algum conteúdo relevante, e aqui está:

Nick Kray works as a consulting engineer for composite design at GE Aviation. In the 1990s, he was part of a GE high-stakes gambit to make the front fan of its largest jet engine from epoxy and carbon fibers.

The blades from the material, called carbon-fiber composite, allowed GE’s aerospace engineers to design the GE90, still the world’s largest and most powerful jet engine. It’s also GE Aviation’s most profitable machine. “Our competitors make jet engine fans from titanium and steel and even some of our own people weren’t initially so hot about using composites,” Kray says. “Nobody had tried this before.”

The material allowed GE engineers to design blades that result in lighter and more efficient engines, allowing airlines to save fuel by shedding precious pounds.
Now Kray and his team are busy building the future. They are working on a fourth generation of the blade for the GE9X, GE’s largest engine yet, designed exclusively for Boeing’s next-generation wide-body jet, the 777X.

The blades will feature several new components, Kray says. They will use stiffer carbon fibers so GE can make them longer and thinner. Their trailing edge will be made from a special structural glass fiber composite that can better absorb impact energy.

Where the GE90 has 22 blades and the GEnx holds 18, the GE9X will have only 16, even though it is the largest of the three. Besides making the engine lighter, the fewer and thinner blades will also spin faster.

Existem várias medidas em que posso pensar. Tenho certeza de que alguns deles só economizam peso como efeito colateral, em vez de ser o principal motivador da mudança.

• Mude para materiais compostos. Isso definitivamente foi impulsionado pela economia de peso. Construir as asas e a fuselagem de materiais mais leves torna tudo mais barato.
• Novos designs de assentos. Há novos bancos mais finos, principalmente em aeronaves de curta distância. Os assentos são muito menores e um pouco mais leves. Isso provavelmente é impulsionado mais pela capacidade de adicionar mais linhas e ainda manter o tom decente, mas também é uma medida de economia de peso.
• Sistemas de entretenimento sem fio e BYOD. Mais uma vez, principalmente de curta distância. Eu tive aeronaves sem entretenimento em tudo, ou com sistemas de wi-fi de trazer seu próprio dispositivo. Estes economizam o peso dos dispositivos e, especialmente, da fiação.
• Design higiênico. Isto é principalmente para o peso dos próprios sistemas nos dias de hoje, embora também economize o peso da água. Eu acho que muitas das mudanças nesses designs eram relacionadas à segurança e ao conforto.

É possível que todas essas mudanças sejam superadas pela mudança no design do motor e na aerodinâmica (winglets / sharklets), que reduzem o arrasto e economizam o peso de transportar mais combustível a bordo, embora eu não tenha dados. / p>     

As outras respostas a esta pergunta são todas verdadeiras, boas e relevantes. No entanto, existem duas coisas importantes que não foram mencionadas até agora.

Uma é que as peças de aeronaves, especialmente as peças críticas, como as longarinas de asa, são cada vez menos projetadas em excesso do que costumavam ser.

Na ausência de conhecimento mais preciso sobre a carga, flexão e outros limites de estruturas importantes, engenheiros aeronáuticos calculariam para margens de segurança muito grandes, tornando essas estruturas muito mais strongs e resilientes (e mais pesadas) do que jamais precisariam ser.

Uma melhor compreensão dos limites - saber mais sobre como e quando as estruturas falharão - permitiu que essas margens de segurança fossem reduzidas com segurança, tornando as estruturas mais leves.

Note que reduzir as margens de segurança não significa necessariamente fazer algo menos seguro . Uma enorme margem de segurança no design das asas, que permite que uma asa suporte forças que possam danificar outras partes críticas ou matar todas as pessoas a bordo, não significa, na verdade, segurança aprimorada. Passado um certo ponto, significa apenas aumento de peso.

E a redução do peso desnecessário permite mais espaço para melhorias em outras áreas que, por sua vez, podem melhorar a segurança.

Em segundo lugar, novas técnicas de projeto auxiliadas por computador começaram a surgir e a explorar projetos que nenhum humano poderia ou faria, com base em modelos matemáticos e simulações que produzem resultados inesperados.

Por exemplo, algumas técnicas produziram projetos nos quais o material é cortado (por exemplo, de um cilindro ou viga) em padrões que parecem ser aleatórios. Para a mesma força / rigidez / resistência à falha, a peça pode ser muito mais leve.

Ambas as tendências, sem dúvida, continuarão, e porque podem se aplicar igualmente bem a estruturas como asas e bandejas, elas terão implicações para todos os aspectos do projeto e da engenharia de aeronaves.