¿Cuáles son los problemas con la construcción de aviones modulares?

Diseñar una parte mejorada y "mejor" es mucho trabajo. Y luego todo tiene que probarse a fondo para que funcione en conjunto, lo que es aún más trabajo. Es por eso que los fabricantes de aeronaves generalmente eligen actualizar la menor cantidad de piezas posible y solo aquellas en las que se espera un beneficio más significativo.

Tomemos, por ejemplo, el 737. El tipo se actualizó con nuevos motores varias veces, porque la evolución en la tecnología de los motores trajo ahorros significativos de combustible. Pero las alas solo tienen alerones, lo que fue menos trabajo que rediseñar el ala. Y el fuselaje no se modificó en absoluto , solo que ahora se construye más largo agregando algunos marcos.

Y la situación con A320 es similar. La designación "NEO" para la nueva serie que entra en producción significa "nueva opción de motor", porque de eso se trata la actualización. Más allá de los nuevos motores y winglets, básicamente no hay ningún otro cambio .

Y eso fue solo cambios de tipo como en los nuevos aviones que se construyen a partir de piezas mejoradas. Actualizar un fuselaje existente es otra lata de gusanos.

Básicamente, las uniones entre los componentes del fuselaje deben ser muy fuertes y ligeras. El método de unión más común que satisface esto es el remache, con el pegado ganando popularidad para los compuestos y en algunos casos aparece la soldadura (el aluminio es difícil de soldar, pero la soldadura por fricción y agitación parece funcionar satisfactoriamente).

Bueno, ninguno de estos métodos permite un fácil desmontaje. Para que los componentes sean reemplazables, tendrían que atornillarse. Sin embargo, los pernos tienen varias desventajas importantes. Pueden soltarse, no se ajustan bien (los remaches se expanden para encajar) y son considerablemente más pesados. Estas cosas los hacen totalmente inadecuados para la unión de alta tensión, especialmente para unir el fuselaje y las alas. Y taladrar los remaches y remacharlos en un reemplazo es demasiado trabajo y existe un alto riesgo de dañar las piezas, lo que fácilmente podría hacer que su uso no sea seguro.

Y luego está la cuestión de las partes eliminadas. Entonces reemplaza las alas después de la mitad de su vida útil, porque hay disponible un modelo nuevo y más eficiente. Pero las viejas alas aún podrían haber generado ingresos. Al descartarlos, ha perdido ese dinero. Entonces, para pagar, la diferencia en eficiencia debe compensar eso.

Bueno, es muy poco probable que lo haga. Los nuevos motores de 737MAX o A320NEO ahorran alrededor del 15 % de combustible, pero los motores son el componente en el que, con diferencia, se puede obtener el mayor beneficio. Rediseñar cualquier otro componente puede ahorrar como máximo un pequeño porcentaje.

Sí, algunos fuselajes obtuvieron mejoras estructurales (actualizar la aviónica u otros componentes pequeños es, por supuesto, más fácil y, por lo tanto, se hace con más frecuencia), pero generalmente se trataba de aviones militares en los que los cambios proporcionaron algún otro beneficio que valió la pena.

Y se reacondicionaron algunos fuselajes más a diferentes motores, pero los motores tienen una vida útil más corta, por lo que deben diseñarse para ser reemplazables. E incluso allí, por lo general, se trata de aviones militares y, por lo general, solo porque los fuselajes se usan por mucho más tiempo. Por ejemplo, se rediseñó el KC-135, pero ese fue el momento en que su contraparte civil, el B707, se desechó por completo.

Pero la mayoría de las veces, reemplazar partes de un avión no evitaría ningún desperdicio, sino que crearía una gran cantidad.

Actualizar la mayoría de los elementos enumerados en la pregunta se consideraría un cambio importante y requeriría la aprobación de los reguladores. Por ejemplo, consideremos las alas, el morro, la cola, el motor y el fuselaje. Son 5 secciones principales diferentes del avión. Incluso si solo hay 2 opciones para cada una de ellas, eso crea 32 configuraciones únicas. Incluso si algunos de estos pueden eliminarse, son muchas configuraciones. Cada uno tendría que ser aprobado por los reguladores. Los fabricantes también tendrían que almacenar piezas para las diferentes opciones, reduciendo el beneficio de diseñar, fabricar e instalar una mayor cantidad de una sola pieza.

Hay una buena razón para tener cada configuración principal certificada por separado. Los aviones, especialmente los de pasajeros, son máquinas complejas en las que todas las partes interactúan de muchas maneras que afectan el rendimiento y la seguridad de la aeronave. Se necesitan muchos análisis y pruebas para comprender completamente todas las interacciones y garantizar que la aeronave funcione como se espera.

Dicho esto, algunas opciones tienen suficiente demanda para ser ofrecidas por los fabricantes. La mayoría de las aeronaves tienen diferentes opciones de fuselaje que varían en longitud, lo que permite diferentes capacidades de pasajeros para satisfacer las necesidades de los operadores. Sin embargo, cortar el fuselaje para cambiar esto sería mucho más costoso que simplemente vender el avión y comprar el tamaño deseado. Muchos aviones también ofrecen opciones de motor de diferentes fabricantes. Aunque la compatibilidad generalmente se limita a un tipo de motor, los motores se pueden eliminar con relativa facilidad y las actualizaciones de rendimiento pueden estar disponibles. Aunque la aviónica suele ser estándar, existen opciones de actualización a medida que surgen nuevas tecnologías. Los asientos ya son un componente modular que se puede reorganizar e intercambiar y, por lo general, los elige cada aerolínea.

Las alas deben transportar la carga completa del avión y, a menudo, integran motores, tren de aterrizaje y tanques de combustible. Tienden a ser más eficientes con una envergadura mayor, pero los aviones también tienen una envergadura limitada, por lo que incluso diferentes tamaños del mismo tipo pueden usar las mismas alas . Agregar winglets es una opción que requiere mucho menos trabajo que reemplazar el ala completa para una pequeña mejora en el rendimiento.

Puede haber diferentes opciones asociadas con el tren de aterrizaje, como diferentes tipos de frenos o monitoreo de la presión de los neumáticos. Aparte de eso, no hay muchas opciones que ofrecer. Sin embargo, el tren de aterrizaje tiene un límite estricto de vida útil, por lo que está diseñado para ser reemplazable.

La cola tiende a estar diseñada y dimensionada para la aeronave, y es fundamental para la estabilidad y el control de la aeronave, por lo que suele ser la misma en todas las versiones de un modelo.

En cuanto a ofrecer actualizaciones a los componentes principales, los beneficios de dicha actualización generalmente no compensan los grandes costos de ofrecerla .

Una de las razones por las que las aeronaves no son modulares es que muchos aspectos del diseño de aeronaves se realizan teniendo en cuenta la totalidad del avión, no solo sus partes. Algunos ejemplos son:

• Hay varias interacciones aerodinámicas, como el centro de gravedad frente al centro de presión, la elevación de la cola frente a la elevación del ala, la elevación frente al peso, el acoplamiento de balanceo y guiñada, etc., y deben coordinarse en toda la aeronave para garantizar que la aeronave tenga la estabilidad deseada.
• Estructuralmente, la aeronave debe ser lo suficientemente fuerte. Algo tan simple como una plataforma de aviónica más pesada de lo esperado puede forzar un rediseño de la estructura, lo que puede forzar un rediseño de las alas y otras partes también para soportar la estructura más pesada.
• Los niveles de seguridad se calculan como la suma de las partes, no solo para cada parte individualmente. Las probabilidades de daño estructural dependen de más de una sola "parte" estructural, y existen equilibrios entre la confiabilidad del sensor y la verificación de errores de aviónica, superficies de control y superficies de control de respaldo, etc. para lograr los niveles de seguridad deseados.
• La aerodinámica, la respuesta del motor y la resonancia estructural se utilizan en la aviónica para garantizar que se logre el rendimiento deseado.
• La aviónica es muy específica de la plataforma y cosas como las pantallas deben programarse específicamente para cada configuración posible de sensores, superficies de control, controles de piloto, radios, etc.
• El sistema eléctrico debe poder proporcionar suficiente energía para todo, posiblemente a través de varios canales separados para redundancia.
• El análisis de factores humanos generalmente se realiza como la suma de diferentes partes que interactúan en toda la cabina, especialmente para análisis complicados como determinar si las operaciones con un solo piloto son posibles.

Dicho esto, las cosas que se pueden agregar o quitar fácilmente, como las plataformas de aviónica completas, las puntas de las alas, los asientos o los sensores, a veces lo son, como se indica en la respuesta de fooot. La modularidad de un avión es más como construir y menos como una computadora de escritorio.

El centro de gravedad de un avión ensamblado y cargado debe estar en la posición correcta, en relación con la posición donde se conectan las alas. La instalación de una cola, tren de proa y motores diferentes afectaría la posición delantera y trasera del centro de gravedad.

Por lo tanto necesitaríamos un fuselaje donde se pudiera variar la posición del ala según la configuración elegida.

Problema: el fuselaje debe ser lo más liviano posible en la mayoría de los lugares y reforzado en el lugar donde se conectan las alas. Entonces terminaríamos necesitando un fuselaje diferente para cada configuración.

(Hay muchas otras razones por las que un enfoque modular totalmente flexible no es práctico, pero he dado el más básico basado en ingeniería que se me ocurre).