¿Cómo se ha reducido el peso en el diseño de aviones comerciales y cómo continuará esta tendencia?

Quizás la mayor reducción de peso en los aviones en todos los ámbitos ha sido el uso de materiales compuestos sobre el aluminio. Esto se extiende desde pequeños aviones GA hasta aviones como Boeing Dreamliner . En el juego de ajuste retro, algunos aviones más antiguos han sido certificados para llevar hélices compuestas más nuevas . Incluso los pequeños ahorros importan según este artículo

Los módulos LED brindan un ahorro de peso promedio del 40 % en comparación con los módulos incandescentes que están reemplazando, lo que mejora la economía de combustible

Las cabinas de vidrio y la aviónica computarizada moderna tienden a pesar menos y ofrecen más que sus contrapartes de medidores de vapor anteriores. Incluso en el transbordador espacial.

El sistema también brinda una mayor capacidad de respaldo, pesa menos y usa menos energía que el diseño original.

Otra cosa que ha hecho mella en el peso de despegue es cómo se han vuelto los motores eficientes en combustible. Si bien existe un límite práctico para esto, ya que los motores se han vuelto más eficientes, la necesidad de transportar combustible ha disminuido o los aviones pueden llegar más lejos con el mismo combustible. Del mismo modo que la planificación/predicción del tiempo ha mejorado, las cargas de combustible ( si bien aún cumplen con las regulaciones de reserva de la FAA ) pueden ser un poco más ligeras, ya que ahora se pueden calcular con mayor precisión.

Lo único que se ha vuelto más pesado son los pasajeros ...

Además del uso de materiales compuestos, otra técnica de reducción de peso proviene de la creación de cableado y cables eléctricos más ligeros que se utilizan en todo el avión y de la reducción de la cantidad de cable necesaria en general.

Esto se ha abordado de varias maneras diferentes.

1. Reduzca el peso total de alambre y cable por pie desarrollando alambre que use materiales livianos o que puedan soportar temperaturas más altas para que se necesite menos aislante o conductor. El tamaño de contracción del cable
2. Diseñe sistemas eléctricos, de vuelo y de datos que requieran menos cableado en primer lugar. Al reducir la cantidad de cable necesaria, el peso total puede reducirse significativamente. Un ejemplo es Avionics Full-Duplex (AFDX) , que se utiliza para reemplazar las redes de datos ARINC 429 en aviones grandes. AFDX requiere menos cableado que ARINC 429, lo que reduce el peso total del cable.

Sé que lo que diré no es exactamente lo que se preguntó, pero encontré muy interesante de la misma manera :-)

Si observa la tecnología del motor a reacción de GE, probablemente quedará impresionado con sus detalles. Especialmente el material compuesto de fibra de carbono es algo que permite a GE fabricar aspas de ventilador más largas y delgadas. Mire: http://www.gereports.com/the-art-of-engineering-the-worlds-largest-jet-engine-shows-off-composite-curves/

Intenté extraer contenido relevante y aqui esta:

Nick Kray trabaja como ingeniero consultor de diseño compuesto en GE Aviation. En la década de 1990, formó parte de una táctica de alto riesgo de GE para fabricar el ventilador delantero de su motor a reacción más grande con epoxi y fibras de carbono.

Las palas del material, llamado compuesto de fibra de carbono, permitieron a los ingenieros aeroespaciales de GE diseñar el GE90, que sigue siendo el motor a reacción más grande y potente del mundo. También es la máquina más rentable de GE Aviation. “Nuestros competidores fabrican ventiladores para motores a reacción con titanio y acero, e incluso algunos de nuestros propios empleados inicialmente no estaban tan entusiasmados con el uso de compuestos”, dice Kray. “Nadie había probado esto antes”.

El material permitió a los ingenieros de GE diseñar álabes que resultan en motores más livianos y eficientes, lo que permite a las aerolíneas ahorrar combustible al deshacerse de preciosos kilos.
Ahora Kray y su equipo están ocupados construyendo el futuro. Están trabajando en una cuarta generación de palas para el GE9X, el motor más grande de GE hasta el momento, diseñado exclusivamente para el jet de fuselaje ancho de próxima generación de Boeing, el 777X.

Las palas contarán con varios componentes nuevos, dice Kray. Usarán fibras de carbono más rígidas para que GE pueda hacerlas más largas y delgadas. Su borde posterior estará hecho de un compuesto de fibra de vidrio estructural especial que puede absorber mejor la energía del impacto.

Donde el GE90 tiene 22 hojas y el GEnx tiene 18, el GE9X tendrá solo 16, aunque es el más grande de los tres. Además de hacer que el motor sea más liviano, las cuchillas menos y más delgadas también girarán más rápido.

Las otras respuestas a esta pregunta son todas verdaderas, buenas y relevantes. Sin embargo, hay dos cosas importantes que no se han mencionado hasta ahora.

Una es que las piezas de los aviones, especialmente las piezas críticas como los largueros de las alas, están cada vez menos sobrediseñadas de lo que solían estar.

A falta de un conocimiento más preciso sobre la capacidad de carga, la flexión y otros límites de las estructuras importantes, los ingenieros aeronáuticos calcularían márgenes de seguridad muy grandes, lo que haría que esas estructuras fueran mucho más fuertes y resistentes (y más pesadas) de lo que deberían ser.

Una mejor comprensión de los límites, saber más sobre cómo y cuándo fallarán las estructuras, ha permitido reducir esos márgenes de seguridad de manera segura, aligerando las estructuras.

Tenga en cuenta que reducir los márgenes de seguridad no significa necesariamente hacer algo menos seguro . Un gran margen de seguridad en el diseño del ala que permite que un ala resista fuerzas que dañarían otras partes críticas o matarían a todas las personas a bordo en realidad no significa una mayor seguridad. Más allá de cierto punto, solo significa aumento de peso.

Y, la reducción del peso innecesario permite un mayor margen de mejora en otras áreas que, a su vez, podrían mejorar la seguridad.

En segundo lugar, las nuevas técnicas de diseño asistido por computadora han comenzado a idear y explorar diseños que ningún ser humano podría o querría, basados ​​en modelos matemáticos y simulaciones que producen resultados inesperados.

Por ejemplo, algunas técnicas han producido diseños en los que el material se corta (de, por ejemplo, un cilindro o una viga) en patrones que parecen aleatorios. Para la misma fuerza/rigidez/resistencia al fallo, la pieza puede hacerse sustancialmente más ligera.

Sin duda, ambas tendencias continuarán y, dado que pueden aplicarse igualmente bien a estructuras como alas y bandejas, tendrán implicaciones para todos los aspectos del diseño y la ingeniería de aeronaves.

Hay varias medidas que se me ocurren. Estoy seguro de que algunos de ellos solo ahorran peso como un efecto secundario, en lugar de ser el principal impulsor del cambio.

• Cambiar a materiales compuestos. Esto definitivamente ha sido impulsado por el ahorro de peso. Construir las alas y el fuselaje con materiales más ligeros hace que todo sea más barato.
• Nuevos diseños de asientos. Hay nuevos asientos más delgados, principalmente en aviones de corta distancia. Los asientos son mucho más pequeños y un poco más ligeros. Probablemente esto se deba más a la capacidad de agregar más filas y aún así mantener un paso decente, pero también es una medida de ahorro de peso.
• Sistemas de entretenimiento inalámbricos y BYOD. Una vez más, sobre todo de corta distancia. He tenido aviones sin ningún tipo de entretenimiento, o con sistemas wifi para traer su propio dispositivo. Éstos ahorran el peso de los dispositivos, y especialmente del cableado.
• Diseño de baños. Esto se debe principalmente al peso de los sistemas en estos días, aunque también ahorra el peso del agua. Sin embargo, creo que muchos de los cambios en estos diseños estaban relacionados con la seguridad y la comodidad.

Es posible que todos estos cambios se vean superados por cambios en el diseño del motor y la aerodinámica (winglets/sharklets), que reducen la resistencia y ahorran el peso de llevar más combustible a bordo, aunque no tengo datos.