Varför finns det egentligen bara en grundläggande design för passagerarflygplan?

För de flesta transportflygplan är den aerodynamiska effektiviteten den viktigaste parametern eftersom det medger lägre bränsleförbrukning. De layouter du ser oftast är de mest effektiva kända:

• För jets låga svepade vingar med motorer monterade under och framför vingarna och konventionell svans är mest effektiva kända layout. Svansmonterade motorer brukade vara vanliga på mindre jetfly, men eftersom det sätter mycket bulk på vägen, är de värre med avseende på Whitcomb-området regel , värre för vikt och balans, och vingmonterade motorer hjälper också fuktig fladder. Så nya regioner växlar också till motorer på vingen.

• Propellerflygplan flyger långsammare, så de har raka vingar. Lågmonterade vingar är något effektivare, men då måste planet ha långa växlar för att upprätthålla tillräcklig markklarhet för propellrarna, så höga vingar är vanligare. T-tail används så enkelt för att sätta hissen ovanför den mest turbulenta vaken av vingen och motorerna.

De enda avvikelserna från dessa tre grundläggande layouter är på specialplan som har andra viktiga problem. Det mest anmärkningsvärda är militär lastplan är generellt högvinge så att de kan sitta låga på marken för enkel lastning och lossning med inbyggd ramp. Deras märkta anhedral är att undvika överbelastning av flygplanet i roll eftersom både högvinge och vingsvev ökar rullstabiliteten . Tidigare regiojet-konstruktioner använde svängmonterade motorer av samma anledning; att sitta lägre på marken så att de lätt kan laddas via inbyggda körstolar och de är inte för tunga och skrymmande.

Flygindustrin gjorde huvuddelen av sin forskning på 1920-talet och 1940-talet. Det var bokstavligen dussintals variationer av flygplan och vingar. Efter en del experimenterande och teoretiserande (vid NACA, Farnborough och på andra ställen) framkom för varje konstruktionsmål / marknadsniche en dominerande design som passar nyttolast till bränsle och andra begränsningar och minimerad kostnad.

Något i passagerarflygplanen bestämdes av DC-3-designen, och i jaktiden, av Komeet .

EDIT: Jan Hudec pekar på två betydande förbättringar som kometen inte hade:

• anti-chock-kroppar , introducerades först i denna design ;
• Flytta motorer fram och till naceller.

Som en sido finns det ett annat utbrett tillägg till mönster - winglets .

Referenser:

• länk
• Bernie MacIsaac och Roy Langton. (2011) Gassturbin Framdrivningssystem, John Wiley & Sons.

Om du tittar runt en relativt aktiv navflygplats ser du faktiskt många olika designval för passagerarflygplan, som alla produceras idag:

• Vissa har höga vingar (ovanför fönstren), vissa har låga.
• Vissa har svepade vingar, vissa har raka.
• Vissa har motorer monterade under vingarna, andra har dem fästade på skrovet.
• Vissa har turbofanmotorer, andra har propellrar.
• Vissa har konventionella tailplanes, andra har T-svansar.
• Vissa har två motorer, vissa har fyra.
• De flesta har en lång ungefär cylindrisk rörelse; vissa har andra former (överväg 747, vars korsningsprofil förändras dramatiskt halvvägs ner i planet).

Om du tittar på plan som är optimerade för att flyga liknande avstånd med liknande antal passagerare (jämför exempelvis Airbus A320 med Boeing 737) kommer de att ha samma val i de flesta av dessa kategorier. Det beror på att valen gör skillnad, och för den specifika användningen visar en viss kombination ekonomiskt fördelaktigt.

Men när du tittar på plan med olika roller ändras saker. En 70-sitsig regional som ATR 72 ser inte ut som en nedskalad A320 alls .

(Förutom mycket grovt i nivå med "lång smal skrok, ett par huvudvingar nära centrum, en grupp stabilisatorer hela vägen bakåt, trehjuling").

Varje gång ett nytt flygplan introduceras hävdar respektive tillverkares marknadsavdelning att nu har en ny era av flygresor påbörjats. Kom ihåg de påståenden som gjordes vid den tidpunkt då Boeing lanserade 747: Vi skulle njuta av en storskärmsbiograf och en bar på himlen, och mycket likadant (plus möjligheten till ett flygande spa) hände med A-380.

I slutändan röstar kunderna med sina plånböcker, och flygbolagen behöver tjäna pengar, så alla de extravaganta alternativen vinner och alla kommer tillbaka till det som fungerar bäst. Flygplansdesign har mognat, och alla de påståenden av blandade vingekroppsformationer håller bara marknadsföring och pressen upptagen.

Lägg till detta begränsningar av befintlig infrastruktur och överdriven reglering (tack vare vilken vi njuter av oöverträffad säkerhet i flygresor, btw.), och den potentiella fördelen med nya konfigurationer kommer snabbt att försvinna. Försök bara hitta ett sätt att snabbt evakuera en av dessa blandade vingehuskonfigurationer med 20 platser i rad, och vilken som helst påstådd aerodynamisk fördel (som den inte har) kommer att bli mögel.

Designen är populär eftersom det råkar vara det bästa hittills för subsonisk stor kapacitet flygresor. Andra mönster skulle antingen vara mindre säkra eller ha mer drag, plus det finns ingen anledning att fixa det som inte är trasigt.

Boeing har flirtat med olika flygplansdesign de senaste åren, men det verkar som för tillfället De mest extravaganta mönster vi kommer att ha kommer att vara Boeing 787 och Airbus A380.

Den kallas "konvergent evolution". Om du har en uppgift att utföra, och den uppgiften har fysiska krav, ser alla designer så småningom ut och fungerar lika. Det finns många sidoutresor längs vägen, och de här sidorna har en tendens att hålla sig runt om att betjäna sitt hörn av arten.

Exempel:

• Stort flygplan är lågvinge. Undantag är tung last och kort / grov fält rekvisita som Dash-8 (stora rekvisita passar inte på låga vingar) (en 747 är inte ett tungt lastflygplan. Varje bit är liten)

• Alla lägger sina motorer på vingarna. De som inte sitter mycket låga på marken och inte har tillräckligt med clearance. Nästa bästa plats: svansen. Lycka till att hänga en Trent 900 på vardera sidan av svansen. Och hissen måste gå ur vägen. Antalet motorer du har är enbart en funktion av nödvändig mot tillgänglig tryckkraft. Lägg märke till hur trijet-konfigurationen utrotades, eftersom kraftigare (och pålitliga) motorer utvecklades.

• Alla trycksatta flygplan har cirkulära tvärsnitt och rundade fönster, lättare att blåsa upp. Icke-trycksatta plan använder fortfarande massor av plana paneler.

• Fiskevaror använder en enda stor fin för framdrivning. Sann fisk vinklar den sida vid sida, vattenlevande däggdjur som återvände till havet vifta upp och ner, som benen som de brukade ha.

Saker som vinglar, kanter och andra utskjutningar är bult-fixar för aerodynamiska problem som upptäckts efter det att den ursprungliga konstruktionen var klar. De kommer sannolikt inte att vara där nästa gång en blank-sidedesign startas.

Det skulle vara en risk att prova något nytt. Luftfartygsbyggarens mål är att tjäna pengar och de kan göra det genom att förbättra effektiviteten jämfört med den tidigare generationen och uppta lite olika nischer på marknaden jämfört med tävlingen.

Vad är alternativen till röret och lågmonterad svepad vinge?

Boeing Honeydew-konceptet använder en deltavinge. Det är uppenbart att låg hastighetshantering / säkerhetsproblem anses vara för stort problem.

Som andra har noterat är den nuvarande generella utformningen av passagerarflygplan resultatet av årtionden av teknik och forskning. När alla krav analyseras är denna grundläggande layout den som ger bästa balans mellan fördelar och nackdelar. Infrastrukturen har också byggts kring denna konfiguration, vilket introducerar en annan begränsning som en ny design skulle behöva arbeta runt. Medan flygplatser var villiga att göra ändringar för att rymma A380, skulle en helt annan design troligen innebära en mer drastisk förändring som skulle vara svårare att sälja till flygplatser.

Under de många år som denna design har utvecklats har många bra lektioner lärt sig. Dagens säkerhetsrekord i luftfart är ett resultat av att dessa lektioner införs för att förbättra designen. För en radikal ny design, måste mycket av detta kasseras eller åtminstone djupt granskas. Forskning och testning måste göras på många områden för att säkerställa att de viktiga aspekterna av konstruktionen är korrekt förstådda.

Ett annat viktigt element är certifiering. För att FAA, EASA, etc. ska ge ett typcertifikat på ett flygplan, finns det en lång certifieringsprocess. För en helt annan design skulle certifieringen också vara helt annorlunda. Inte bara skulle konstruktörerna vara övertygade om den nya konfigurationen, men de skulle också behöva övertyga dessa myndigheter. Det skulle innebära att man introducerar mycket ny information. Nya nya flygplan har redan tagit längre tid för att certifiera. Att introducera en helt ny konfiguration kan ta ännu längre tid.

Jag har sett andra svar på frågan om varför denna form (aerodynamisk effektivitet) men inte varför är aerodynamiskt effektiv.

Nyckeln till att producera ett flygplan med hög aerodynamisk effektivitet (lägsta drag) är lägsta möjliga vätskeområde och frontareal samtidigt som maximal lyft genereras. Frontalområdet är precis vad du tycker, det lägsta möjliga tvärsnittet som du försöker trycka genom luften. Området är dock det område som blir "vått", dvs flygplanets totala ytarea. Det betyder att den bästa möjliga formen är en lång cigarr: ju tunnare desto bättre. Alla områden som du lägger till i "röret" är slösad energi.

Samtidigt är vingeformen som genererar maximal lyft med lägsta drag en lång tunn form. Detta beror på att vingarna orsakar lyft i första hand genom att skapa negativt lufttryck genom att luftflödet snabbare över toppen än botten. Denna effekt förstörs genom att ha en bred, fet vinge eftersom vingen inte kan skapa samma täta ficka av luftskillnad mellan topp och botten som en tunn vinge kan. Det här dödar Delta vingar och lyftkroppar.
länk
länk

När luftfartygets hastighet går till en större andel av ljudets hastighet kommer dock andra faktorer till spel. Vingen måste svepas och vingen måste vara starkare för att hantera krafterna i spel så det måste vara tjockare.

Den sista delen är svansen i ryggen. Detta mimar bara pilen: att sätta fliken i pilens baksida skapar naturlig stabilitet genom att se till att framsidan av flygplanet stannar spetsigt framåt.

Det finns många fördelar med andra konstruktioner, Canards har bra stallbeteende, lyftkropparna har enastående styrka och därför har säkerhet och tandemvingar med strutar stor styrka och stora lyftegenskaper. Men flygbolaget är en högvolym med låg marginal, så att en liten bit av dra blir röstad när beslut fattas.

Från 30-talet till 60-talet var standarden för transoceanisk resa ett 4-motorflygplan. Om du hade bett vissa flygbolag om de skulle köpa en 3-motor Lockheed eller Douglas airliner, skulle de säga "NEJ" eftersom deras kunder skulle vägra att flyga med mindre än fyra motorer!

Men gradvis 3 motorer blev standard för oceanisk resa.

I början av 80-talet kom ETOPS samman eftersom motorerna blivit extremt tillförlitliga.

Så designprocessen är evolutionär; De flesta förändringar sker ganska långsamt, och designers kopierar ofta framgångarna hos andra designers.