Какие проблемы со строительством модульных самолетов?

Разработка «лучшей», модернизированной детали — это большой труд. И тогда все должно быть тщательно проверено, чтобы работать вместе, что еще больше работы. Вот почему производители самолетов обычно предпочитают модернизировать как можно меньше деталей и только те, от которых ожидается наиболее значительная выгода.

Возьмем, к примеру, 737. Этот тип несколько раз модернизировали новыми двигателями, потому что развитие технологии двигателей привело к значительной экономии топлива. Но крылья получили только законцовки, что было меньше работы, чем переделка крыла. И фюзеляж вообще не изменился , только теперь он сделан длиннее за счет добавления шпангоутов.

И с А320 ситуация аналогичная. Обозначение «NEO» для новой серии, поступающей в производство, означает «новый вариант двигателя», потому что это то, о чем идет речь в обновлении. Помимо новых двигателей и винглетов, других изменений практически нет .

И это были именно изменения типа , как в новых самолетах, строящихся из модернизированных деталей. Модернизация существующего планера — еще одна проблема.

В основном соединения между компонентами планера должны быть очень прочными и легкими. Наиболее распространенным методом соединения, который удовлетворяет этому, является клепка, при этом склеивание становится все более популярным для композитов, а в некоторых случаях появляется сварка (алюминий трудно сваривается, но сварка трением с перемешиванием, кажется, работает удовлетворительно).

Ну, ни один из этих методов не позволяет легко разобрать. Чтобы сделать компоненты заменяемыми, вместо этого их пришлось бы скреплять болтами. Однако болты имеют несколько существенных недостатков. Они могут расшататься, они не плотно прилегают (заклепки расширяются), и они значительно тяжелее. Эти особенности делают их совершенно непригодными для соединения с высокими нагрузками, особенно для соединения фюзеляжа и крыльев. А высверливать заклепки и расклепывать при замене слишком трудоемко и велик риск повредить детали, что запросто может сделать их небезопасными в использовании.

И тут встает вопрос о снятых частях. Таким образом, вы заменяете крылья через половину их срока службы, потому что доступна новая, более эффективная модель. Но старые крылья все еще могли приносить доход. Отказавшись от них, вы потеряли эти деньги. Таким образом, чтобы окупиться, разница в эффективности должна компенсировать это.

Ну, это крайне маловероятно. Новые двигатели самолетов 737MAX или A320NEO экономят около 15% топлива, но двигатели являются компонентом, который может принести наибольшую выгоду. Редизайн любого другого компонента может сэкономить не более нескольких процентов.

Да, некоторые планеры подверглись конструктивным модернизациям (модернизация авионики или других мелких компонентов, конечно, проще и поэтому проводится чаще), но обычно это были военные самолеты, где изменения давали какие-то другие преимущества, которые стоили затраченных усилий.

И еще несколько планеров переоборудовали под другие двигатели, но двигатели имеют меньший ресурс, поэтому их приходится делать сменными. Да и там это обычно боевые самолеты и обычно только потому, что планеры служат намного дольше. Например, KC-135 был модернизирован, но примерно в то же время его гражданский аналог B707 был полностью списан.

Но в большинстве случаев замена частей самолета не предотвратит потери, а скорее приведет к их увеличению.

Модернизация большинства элементов, перечисленных в вопросе, будет считаться серьезным изменением и потребует одобрения регулирующих органов. Для примера давайте просто рассмотрим крылья, нос, хвост, двигатель и фюзеляж. Это 5 различных основных секций самолета. Даже если есть только 2 варианта для каждого из них, это создает 32 уникальные конфигурации. Даже если некоторые из них можно устранить, это очень много конфигураций. Каждый из них должен быть одобрен регулирующими органами. Производителям также придется иметь запас деталей для различных вариантов, что снизит выгоду от проектирования, производства и установки большего количества всего одной детали.

Есть веская причина для того, чтобы каждая основная конфигурация была сертифицирована отдельно. Самолеты, особенно авиалайнеры, представляют собой сложные машины, в которых все части взаимодействуют разными способами, что влияет на характеристики и безопасность самолета. Требуется много анализов и испытаний, чтобы полностью понять все взаимодействия и убедиться, что дрон будет работать так, как ожидалось.

При этом некоторые варианты имеют достаточный спрос, чтобы их могли предложить производители. Большинство самолетов имеют различные варианты фюзеляжа, которые различаются по длине, что позволяет варьировать пассажировместимость в соответствии с потребностями операторов. Однако врезаться в фюзеляж, чтобы изменить это, было бы намного дороже, чем просто продать самолет и купить нужный размер. Многие самолеты также предлагают варианты двигателей от разных производителей. Хотя совместимость, как правило, ограничивается одним типом двигателя, двигатели могут быть относительно легко удалены, и могут быть доступны улучшения производительности. Хотя авионика обычно является стандартной, существуют варианты модернизации по мере появления новых технологий. Сиденья уже представляют собой модульный компонент, который можно переставлять и заменять, и обычно они выбираются каждой авиакомпанией.

Крылья должны нести полную нагрузку самолета и часто объединять двигатели, шасси и топливные баки. Они, как правило, более эффективны с большим размахом, но самолеты также ограничены в размахе крыла, поэтому даже разные размеры одного и того же типа могут использовать одни и те же крылья . Добавление винглетов — это вариант, который требует гораздо меньше работы, чем замена всего крыла для небольшого улучшения характеристик.

Могут быть разные опции, связанные с шасси, например, разные типы тормозов или контроль давления в шинах. Кроме этого, есть не так много вариантов, которые будут предложены. Однако у шасси есть жесткий предел срока службы, поэтому оно спроектировано так, чтобы его можно было заменить.

Хвост, как правило, проектируется и соответствует размеру самолета и имеет решающее значение для устойчивости и управляемости самолета, поэтому обычно он одинаков для всех версий модели.

Что касается обновления основных компонентов, преимущества такого обновления обычно не перевешивают больших затрат на его предложение .

Одна из причин того, что самолеты не являются модульными, заключается в том, что многие аспекты проектирования самолетов рассматриваются в целом, а не только в его частях. Некоторые примеры:

• Существуют различные аэродинамические взаимодействия, такие как центр тяжести и центр давления, подъемная сила хвоста и подъемная сила крыла, подъемная сила и вес, сцепление по крену и рысканию и т. д., и они должны быть скоординированы по всему самолету, чтобы обеспечить желаемую устойчивость самолета.
• Конструктивно самолет должен быть достаточно прочным. Что-то столь же простое, как более тяжелая, чем ожидалось, платформа авионики, может потребовать изменения конструкции, что может потребовать изменения конструкции крыльев и других частей, чтобы поддерживать более тяжелую конструкцию.
• Уровни безопасности рассчитываются как сумма частей, а не только для каждой части в отдельности. Вероятность повреждения конструкции зависит не только от одной структурной «части», и существует баланс между надежностью датчиков и проверкой ошибок авионики, поверхностями управления и дублирующими поверхностями управления и т. д. для достижения желаемых уровней безопасности.
• Аэродинамика, реакция двигателя и структурный резонанс используются в авионике для обеспечения достижения желаемых характеристик.
• Авионика очень зависит от платформы, и такие вещи, как дисплеи, должны быть запрограммированы специально для каждой возможной конфигурации датчиков, поверхностей управления, средств управления пилотом, радио и т. д.
• Электрическая система должна обеспечивать достаточное количество энергии для всего, возможно, по нескольким отдельным каналам для резервирования.
• Анализ человеческого фактора обычно выполняется как сумма различных взаимодействующих частей по всей кабине, особенно для сложного анализа, такого как определение возможности работы с одним пилотом.

При этом вещи, которые можно легко добавить или удалить, такие как целые платформы авионики, законцовки крыльев, сиденья или датчики, иногда так и есть, как указано в ответе fooot. Модульность самолета больше похожа на сборку, чем на настольный компьютер.

Центр тяжести собранного и загруженного самолета должен находиться в правильном положении относительно места соединения крыльев. Установка другого хвостового оперения, передней опоры, двигателей повлияет на переднее и заднее положение центра тяжести.

Поэтому нам нужен фюзеляж, в котором положение крыла можно было бы менять в соответствии с выбранной конфигурацией.

Проблема: фюзеляж нужно максимально облегчить в большинстве мест, и усилить в месте соединения крыльев. Таким образом, нам в конечном итоге потребуется другой фюзеляж для каждой конфигурации.

(Существует много других причин, по которым полностью гибкий модульный подход нецелесообразен, но я привел самую простую инженерную из возможных.)