¿Cuál es el ahorro de peso del fuselaje sin ventanas para aviones de carga?

Tomemos un Boeing 737 como ejemplo genérico y escupemos algunos números.
Haré el wiki de la comunidad de publicaciones para que alguien pueda venir y agregar números más precisos.

El aluminio tiene una densidad de 2,7 g/cm ³
(para nuestros propósitos, supongamos que la aleación de la piel está "lo suficientemente cerca del aluminio puro" porque soy demasiado perezoso para buscar la densidad adecuada de la aleación).

El plexiglás (simplemente eligiendo una variedad al azar) tiene una densidad de 1,18 g/cm ³ .

La piel de aluminio de un 737 tiene un grosor de aproximadamente 0,038 pulgadas (o 0,1 cm).
Sabemos que una ventana en un 737 es más gruesa que la piel. No pude encontrar el número, pero vamos con 0,25" (0,6 cm).

Si tuviéramos una hipotética ventana de un pie cuadrado (unos 930 cm ² ), la piel de aluminio que ocuparía esa superficie pesaría unos 251 gramos. El equivalente de plexiglás pesaría alrededor de 658 gramos (407 gramos más pesado, poco más de 2,5 veces más pesado).

Calcule que hay alrededor de 70 ventanas laterales en un 737 (recuento rápido de una foto de un avión de Southwest, sin incluir las ventanas de las puertas de salida), por lo que son 28,490 gramos o alrededor de 64 libras, solo por el plexiglás.

Además del plexiglás, también hay una estructura de soporte que debe agregarse alrededor de la ventana para mantenerla en su lugar, selladores para sellarla contra la piel, etc. Estos agregan peso adicional. No tengo idea de cuánto pesan estos componentes, pero supongamos que pesan el doble que el plexiglás, eso es alrededor de 1,5 libras por ventana de estructura adicional, o 105 libras, con lo que el ahorro de peso total es de poco menos de 170 libras.

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170 libras no es mucho peso (en términos de pasajeros no es ni siquiera una persona), pero es mucha más carga que puedes llevar. Además, cuando se combina con el hecho de que ya no tiene que mantener las ventanas (reparar fugas de presión en los sellos, reemplazar el plexiglás agrietado, etc.), los ahorros pueden acumularse durante la vida útil de un fuselaje.

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Un poco más de escupitajos aquí... por favor siéntase libre de corregir mis números:

Sobre el tema del ahorro de costos: un 737 puede transportar una carga útil de aproximadamente 27000 lb y quema aproximadamente 5500 lb de combustible por hora durante el crucero y aproximadamente 3000 lb durante un ascenso de 15 minutos. Suponiendo un vuelo promedio de 4 horas, se queman alrededor de 25000 libras de combustible, o casi 1 por libra de peso. Esto significa que el costo del combustible de 170 libras de peso es de aproximadamente 170 libras de combustible, que hoy cuesta (alrededor de $ 4 / galón y 6.5 libras / galón) alrededor de $ 100. Tenga en cuenta que el costo del combustible varía mucho según la ubicación. , por lo que esto es muy aproximado.

Ahora multiplique esto por la vida típica de la aeronave: ¿tres vuelos por día, 7 días a la semana, durante 30 años? Eso sería más de $ 3M de ahorro. Y todo porque tus paquetes no pueden mirar por la ventana.

La masa adicional debida a las ventanas se puede estimar mejor mediante métodos estadísticos. Al comparar la masa estructural de los fuselajes con y sin ventanas de aeronaves por lo demás idénticas y formular una ecuación numérica que se ajuste a todos los casos con el menor error, se obtienen fórmulas como

$$n_{Windows}\cdot 4.641\cdot S_{Window}^{0.976}\cdot(1.0 + \Delta p)^{4.945}$$ dónde $n_{Windows}$es el número de ventanas, $S_{Window}$es su superficie en m² y $\Delta p$es el diferencial de presión del fuselaje presurizado en bar. La masa resultante está en Kilos (kg). Esta fórmula es del LTH (Luftfahrttechnisches Handbuch) y se basa en 16 aviones. La desviación estándar es 20,3%.

Los valores reales por ventana oscilan entre 3,5 kg en el caso del DC-10-10 y más de 7 kg en el caso del Boeing 747-200. Lo siento, no tengo datos para las ventanas de tamaño XL del Boeing 787. Si suponemos 80 ventanas en total para un avión de la clase Boeing 737, la masa total de las ventanas es de unos 300 kg.

Jan Roskam cita una fórmula diferente (llamada método GD, originalmente de General Dynamics). Aquí la masa de la ventana es

$$109\cdot(n_{pax}\cdot\frac{1+\Delta p}{100})^{0.505}$$ Ahora el diferencial de presión está en psi, el resultado en libras y para un avión con $n_{pax}$= 150 pasajeros el valor es 437 lbs o 198 kg.

La masa de la ventana tiene en cuenta no solo el material transparente, sino también el refuerzo local del revestimiento del fuselaje. Se remachan dobladores alrededor del orificio de la ventana, o se graba químicamente toda la piel para reducir su grosor, y se enmascara el área alrededor de la ventana para mantener el grosor original. Como regla general, debe agregar alrededor de la circunferencia lo que quita al cortar el orificio. Por lo tanto, un fuselaje bien diseñado debería tener un aumento de masa neta aproximadamente equivalente a la masa de las propias ventanas.

La fórmula de Roskam es más antigua y el tamaño y la masa de la ventana han aumentado en las últimas décadas. Por lo tanto, cuanto más nuevo es el avión, más pesadas son sus ventanas.