¿Por qué cuestan miles de millones de dólares diseñar nuevos motores a reacción?

Incluso si ignoramos los salarios de todos los involucrados; ingenieros, personal de ventas, gerencia, equipos de Q/A, equipos de fabricación, más personal de ventas y luego algunos ingenieros de repuesto...

No entiendo. Si solo se trata de diseñar un motor a reacción, entonces las materias primas no pueden ser un factor importante, incluso si se trata de titanio o compuestos.

Si bien las materias primas por sí solas no son necesariamente costosas, los materiales, así como el mecanizado y el procesamiento , pueden ser bastante costosos. Esto puede agravarse aún más si el motor utiliza algún tipo de material nuevo para el que aún no existe un método de producción eficaz. Este fue el caso de toda la producción del SR-71 Blackbird , que necesitaba descubrir cómo trabajar con titanio antes de construir nada . Incluso una vez que se produzcan las piezas a medida para un nuevo motor, la empresa deberá descubrir cómo producir las piezas en cantidad suficiente para producir los motores para el mercado.

¿Cuántos prototipos podrías necesitar? Quiero decir, espero que no sea todo prueba y error.

No lo es, pero la FAA puede requerir varias demostraciones en las que destruyan el motor y puede apostar que el fabricante lo probará antes de realizar cualquier prueba oficial. Una vez superadas las pruebas iniciales, los prototipos voladores deberán construirse y probarse en fuselajes reales que cuestan dinero, utilizando combustible para aviones que cuesta dinero.

La otra cosa es el software de computadora, que pensé que haría las cosas más fáciles y económicas de diseñar. De acuerdo, no puede simplemente ingresar el empuje deseado y presionar un botón, pero seguramente existe un software de dinámica de fluidos decente que puede ayudarlo a diseñar algo mucho más fácil y rápido que antes.

Hace que algunas cosas sean más rápidas, como FEM , y seguramente facilita el enrutamiento complejo, pero como una buena llave inglesa, el software CAD es una herramienta que hace las cosas más rápidas y fáciles. No hace el trabajo por ti.

Los motores a reacción son algunas de las máquinas más complejas jamás creadas. Deben ser lo más ligeros, eficientes, seguros y fiables posible. Hay una razón por la que la mayoría de los aviones nuevos recientemente se han visto afectados por retrasos de los fabricantes de motores. Este es un equilibrio difícil de diseñar cuando se tiene un cronograma y un presupuesto.

Los motores a reacción ciertamente podrían ser más baratos de desarrollar y comprar. Puede obtenerlos a precios relativamente "asequibles" para aviones controlados a distancia. Pero el costo ciertamente aumenta con la escala, y el propietario de una aeronave espera que un motor funcione durante miles de horas con un mantenimiento mínimo mientras quema la menor cantidad de combustible posible y no daña a nadie. Cada nueva generación de motores ha sido más eficiente que la anterior, y esas mejoras no son gratuitas.

Si solo se trata de diseñar un motor a reacción, entonces las materias primas no pueden ser un factor importante, incluso si se trata de titanio o compuestos.

No son solo las materias primas, sino el procesamiento involucrado. Los motores modernos llevan los materiales al límite y más allá. Se deben desarrollar tecnologías de fabricación avanzadas.

Digamos que tiene un nuevo material o proceso que desea utilizar. Fácilmente puede tomar al menos cientos de miles de dólares solo para desarrollar uno, y un nuevo motor podría incluir muchos de estos. Incluso para una materia prima barata, la cantidad de mano de obra necesaria para crear artículos de prueba, configurar pruebas, ejecutarlas y documentar los resultados crece muy rápidamente. Desea asegurarse de comprender cómo funcionará el nuevo material o proceso antes de seguir adelante con él. Si las cosas salen mal , crea grandes problemas para sus clientes (fabricantes de aeronaves y sus clientes).

¿Cuántos prototipos podrías necesitar? Quiero decir, espero que no sea todo prueba y error.

"Prueba y error" a veces también se llama "ciencia", que es lo que necesita para desarrollar nuevas tecnologías. Obviamente, a medida que avanzan las pruebas y aumentan los riesgos, le gustaría que la parte del "error" siguiera disminuyendo. Pero la parte de prueba es muy importante para comprender cómo funcionarán realmente las cosas (o no). Esto significa no solo prototipos a gran escala (que pasarán por varias iteraciones de diseño, incluso a través de la certificación del avión), sino también subsistemas y componentes. Y debe realizar suficientes pruebas para tener confianza estadística de que los resultados se pueden reproducir de manera confiable.

La otra cosa es el software de computadora, que pensé que haría las cosas más fáciles y económicas de diseñar.

Esto es ciertamente cierto y estas tecnologías han disminuido la cantidad de pruebas físicas que se deben realizar. Pero de cualquier manera te va a costar dinero.

Con productos como motores a reacción, mejores herramientas generalmente no significan "cuán barato podemos hacer este proceso", sino "cuánto más rendimiento podemos obtener por el mismo dinero".

Entonces, ¿qué lo hace tan caro? ¿Hay algún proceso de certificación súper costoso?

Sí. A la gente le gusta volar en aviones con motores que siguen funcionando y no explotan. Esto significa regulaciones y certificaciones rigurosas. Para la FAA, 14 CFR Parte 33 cubre los requisitos de certificación para motores a reacción, para intentar que los eventos de falla sean lo más raros posible. Estas son solo algunas de las pruebas requeridas por las regulaciones:

• Vibración
• sobretorque
• Calibración
• Resistencia
• Exceso de temperatura
• Rango operativo completo
• Pruebas de sistemas y componentes
• Bloqueo de rotor
• Desmontaje completo
• Contención de palas/desequilibrio del rotor
• Lluvia, granizo e ingestión de aves

Algunas de estas pruebas serán destructivas, ya sea por diseño o por accidente. Algunos de ellos van a tomar mucho tiempo y esfuerzo. Solo el papeleo relacionado con la comprensión de todos estos requisitos y la documentación a los reguladores que los ha cumplido fácilmente podría llevarse una buena parte de sus 100 personas.

Tal vez alguien pueda explicar el proceso general del diseño de motores a reacción en primer lugar porque estoy seguro de que sería útil. De la forma en que lo imagino, simplemente pasas etapa por etapa y tratas de obtener la forma y el diámetro correctos de cada hoja.

Parece que tienes la idea básica. Pero la ingeniería se trata del diablo en los detalles.

Primero, los motores modernos pueden tener 20 o más etapas, unidas a 2 o 3 carretes separados. Los ingenieros tienen que decidir el número óptimo de etapas y carretes para el diseño del motor. Esto significa analizar muchas configuraciones diferentes, la complejidad tiende a aumentar exponencialmente, ya que cada etapa afecta al resto del sistema.

Sí, el proceso es relativamente simple si se le dan condiciones estáticas para analizar. Por supuesto, es importante optimizar el consumo de combustible en crucero. Pero el motor todavía tiene que funcionar en una amplia gama de condiciones. Luego están las condiciones dinámicas de aceleración y desaceleración. El motor tiene que arrancar y ser estable tanto con viento cruzado como con viento de cola. Tiene que poder empezar en el suelo o en el aire después de hacer mucho frío. Pueden suceder cosas extrañas a medida que las cosas se expanden y contraen con la temperatura.

Si está buscando un análisis simple de cómo cambian la presión y la temperatura a través de un motor a reacción, probablemente haya muchas manos agitando una etapa llamada "combustor" donde mágicamente obtiene un aumento en la temperatura. El proceso de quemar el combustible en las condiciones extremas de un motor a reacción es extremadamente complejo. El aire que corre por el frente debe comprimirse y luego reducir la velocidad lo suficiente como para no extinguir la llama. La llama debe estar contenida en la sección del combustor durante toda la operación y no sobrecalentar las etapas de la turbina detrás de ella.

Las temperaturas y presiones más altas proporcionan una mayor eficiencia, pero los materiales se llevan al límite. Se deben perfeccionar nuevas superaleaciones y técnicas de fabricación para crear materiales capaces de soportar temperaturas extremas mientras giran a miles de RPM. Tienen que hacer pequeños orificios y pasajes en las palas para expulsar el aire de refrigeración que cubre la superficie de la pala para que no entre en contacto directo con el aire extremadamente caliente de la turbina.

Luego, también se extrae energía mecánica mediante un generador y se extrae energía neumática para el sistema de purga de aire de la aeronave. El motor tiene que ser capaz de hacer frente a las distintas demandas de estos sistemas.

También existe el problema de que varios carretes giran y miles de RPM y no causan demasiado calor por fricción o desgaste prematuro. Los ingenieros deben comprender las temperaturas, la aerodinámica y el estrés rotacional en cada parte, a lo largo de todo el rango operativo del motor, y cómo afecta al resto del motor.

Y no basta con conseguir algo que funcione. Alguien siempre estará haciendo la pregunta, "¿Cómo podemos hacer que esto sea más eficiente?" Los motores modernos utilizan muchos trucos diferentes para exprimir toda la eficiencia posible. El aire se purga y las paletas se pueden ajustar para que el motor sea estable en todas las condiciones de funcionamiento. Se desarrollan nuevos conceptos y tecnologías. Los turboventiladores modernos tienen el problema de una turbina de baja presión en la parte trasera que necesita girar lo más rápido posible para ser eficiente, conectada a un ventilador en la parte delantera que necesita girar mucho más lento para ser eficiente. Para el ejemplo de Pratt & Whitney que das, su solución fue una caja de cambios para permitir que los dos giraran a diferentes velocidades. Este fue un desafío muy difícil que les llevó décadas llegar finalmente a un producto final.

Toda esta complejidad tiene que ser gestionada por un software que supervisa una serie de sensores en todo el motor y ajusta continuamente los numerosos parámetros para mantener un funcionamiento estable y eficiente. Este software debe ejecutarse en computadoras que operarán en un amplio rango de temperaturas y bajo vibración constante.

También debe tener en cuenta cómo se fabricarán y ensamblarán todas estas miles de piezas y luego se mantendrán durante la vida útil del motor. Necesita personas que planeen para asegurarse de que un mecánico tenga acceso a los componentes correctos con las herramientas que necesitan, y qué procesos deben seguirse para ensamblar y desensamblar las distintas partes.

Luego también hay efectos colaterales como el ruido y la contaminación. Habrá ingenieros encargados de comprender cómo se generan y cómo se pueden reducir a niveles aceptables con el menor costo posible.

Esta es solo una descripción general de las muchas áreas involucradas en el diseño de un motor a reacción. Ciertamente hay más, y cada detalle aquí fácilmente podría requerir un equipo especializado trabajando en él.

La última vez que lo comprobé, la mayoría de los científicos e ingenieros no ganan salarios millonarios. Creo que es más alrededor de 100 a 250k tops. Incluso si tuviera 100 de ellos trabajando durante 10 años, serían 250 millones, o un cuarto de billón de dólares.

Los salarios en la industria aeroespacial promedian menos de 100k, no es TI, pero no son el problema.

Puede desarrollar un motor a reacción experimental básico con 100 ingenieros y científicos. La cuestión es que no se puede diseñar y construir un motor turboventilador producido en masa con un equipo así.
Puedes con 1.000. Pero las aerolíneas y las autoridades quieren que sea confiable, y no se puede construir un turboventilador de derivación alta confiable con solo 1,000. Eso requiere miles debido a la minuciosidad con la que todo debe validarse y verificarse dos veces.

Construir un motor de avión competitivo es aún más difícil. Sería realista hoy con 10,000 empleados, pero aún así es una hazaña. El trabajo no es solo el diseño de piezas de motor, la mayor parte del trabajo duro consiste en probar cientos de materiales en I+D, diseño de máquinas, desarrollo de tecnología, desarrollo de QM y QC. Todas las cosas que contribuyen a producir buenos motores y luego producirlos eficientemente.

Saturn, uno de los fabricantes de motores a reacción más pequeños en la actualidad, tiene ~23.000 empleados.
Pratt&Whitney, el más pequeño de los tres grandes del Oeste, tiene ~40.000.
Rolls-Royce, que en su mayoría fabrica motores aeroespaciales (la marca de automóviles se vendió hace mucho tiempo) tiene ~50,000 empleados.
También ~50.000 para GE Aviation, con otros 200.000 en General Electric en general.

No todos son ingenieros y científicos, pero más de la mitad del personal en industrias de alta tecnología está en investigación, diseño, ingeniería, administración y otros trabajos que contribuyen al costo del diseño.

El equipo de diseño real para un motor a reacción moderno estará formado por menos de 1000 personas. Pero eso es solo la gente que hace el trabajo de alto nivel, los diagramas de flujo, los cálculos FEA, los modelos de diseño.
Dependerán de miles para que les proporcionen los datos. A partir de sus modelos, miles más producirán dibujos detallados y programas CNC para cada pieza individual. Luego, para cada parte individual, se debe desarrollar un programa de control de calidad por separado.

No puede simplemente copiar y pegar desde dibujos de diseño a programas CNC. Tampoco puede copiar y pegar de esos a programas de máquinas de medición para control de calidad. Las bases de medición son diferentes, por lo que las tolerancias son diferentes, es un nivel de detalle diferente. Comete ese error solo una vez. para una parte minúscula y no especialmente crítica, y las consecuencias pueden ser notables .

Todas las respuestas son muy buenas porque detallan los costos potenciales, pero permítanme darles un ángulo diferente para analizar este tipo de preguntas. En un entorno altamente competitivo, las empresas invertirán tanto dinero en un problema como sea necesario para que lo resuelvan. En lenguaje económico: "el costo marginal es igual a la ganancia marginal".

Cuando se diseña un nuevo motor, uno comienza con todos los cambios que brindan una gran mejora en el rendimiento a un bajo costo. Con el tiempo, se exploran esos cambios "triviales", y si hay suficiente "ganancia" del ataque continuo al problema, se atacarán cambios más complicados con ganancias esperadas más pequeñas.

Ahora, piense qué tan alta es la ganancia de una mejora de un motor: durante los muchos miles de horas, ¿cuánto combustible se ahorra? ¿Cuál es el valor de mercado futuro esperado de ese combustible en un mundo con una escasez creciente y con impuestos esperados sobre el CO2?

Ahora, considere que implementará este nuevo motor no en un solo avión, sino en una gran flota de cientos, ¿quizás miles de aviones? Cualquier mejora que realice en el motor tiene un valor de mercado tan grande. Por último, tenga en cuenta que muchas de las mejoras de la próxima generación de motores pueden trasladarse a nuevos desarrollos más adelante, algo que se conoce como "estar sobre los hombros de gigantes".

Un ejemplo Tomemos un motor que cuesta alrededor de 30 millones de dólares. Una mejora de rendimiento que aumente el valor de cada motor en solo un 1% tendrá un valor de 300 millones de dólares si ese motor se vende 1000 veces. Si esa mejora en el rendimiento se puede reutilizar en las próximas 10 generaciones de motores, vale 3 mil millones de dólares. Este sencillo ejemplo muestra que el valor marginal de la I+D puede aumentar muy rápidamente y que, por lo tanto, las empresas están dispuestas a invertir mucho dinero en estos problemas.

Además de otras respuestas excelentes, me gustaría centrarme en la naturaleza de la investigación.

El trabajo involucrado en el desarrollo y exploración de ideas que no solo son capaces de resolverse a través de modelos informáticos, es enorme .

Como señalan otras respuestas, los motores a reacción se desarrollan a la vanguardia de la teoría y las nuevas ideas, además de impulsar las existentes.

Ejemplo típico concreto #1

Supongamos que creemos que el aspa de un ventilador se puede hacer más fuerte si se moldea de manera que crezca sin ciertos defectos cristalinos, o con una cierta estructura cristalina que, en teoría, debería ser posible. Llámelo "matriz cristalina de titanio-carbono en forma delta", o "delta-TCCM" para abreviar. Esto permitiría palas un 1,7 % más delgadas y ligeras, sin pérdida de resistencia o seguridad, o palas que pueden funcionar un 1,5 % más rápido sin aumentar la tensión. Si es correcto, esto podría ser un gran problema como parte de la próxima generación del motor actual.

El problema es que hasta ahí te lleva un modelo. Ahora necesita lograrlo de manera confiable como un problema de ciencia de materiales. Necesitas

• Diseñar un proceso para desarrollar delta-TCCM de manera confiable en un laboratorio, lo que puede ser un gran desafío. Es posible que deba explorar múltiples técnicas, considerar cómo escalan, su susceptibilidad a fallas y riesgos. Las condiciones para una producción confiable de delta-TCCM con baja tasa de fallas pueden ser muy precisas y difíciles de mantener durante el tiempo que lleva. Esto puede ser un gran problema, lejos de ser trivial. Si no desea que lleve años, es posible que deba enviar a 600 personas solo a la investigación delta-TCCM, para convertirlo de un concepto a un material utilizable con propiedades verificadas.

• Las propiedades pueden ser solo algo predecibles por teoría. Es posible que deba agregar pequeñas cantidades o pequeños cambios en el proceso, según su intuición, para resolver los problemas. Cada uno de estos es un mini proyecto en sí mismo.

• El material puede ser difícil de moldear una vez formado, por lo que es posible que deba volver a su laboratorio no solo para diseñar equipos para crearlo de manera confiable, sino también para crearlo de manera confiable para darle forma . Cuerpo perfecto.

• Necesita escalar de laboratorio a escala industrial. Es decir, crear suficiente para confirmar las propiedades y, en última instancia, construir cuchillas. Eso también está lejos de ser trivial. La industria está plagada de cosas que son fáciles de crear en pequeñas cantidades para la investigación, pero increíblemente difíciles de producir a escala en las mismas condiciones. Pasar de forma fiable de muestras de 2 mm ² sin defectos detectables de estructura atómica/cristalina a aspas de ventilador curvas de 1,5 m sin defectos detectables de estructura atómica/cristalina es exactamente tan difícil como parece en muchos casos.

• Necesita probar y evaluar diez mil muestras de mil maneras: de forma aislada y en mil escenarios en un motor. Este es un proceso muy intenso. ¿Cuál es su estructura atómica, cómo falla (cuáles son sus modos de falla y límites de seguridad), cómo responde su estructura atómica a cien mil combinaciones/tipos/patrones de factores estresantes, tanto a corto como a largo plazo? las propiedades reales para poder confiar en ellas para la seguridad de los aviones. Tal vez volver a lo básico si algo no es lo necesario. Después de todo, si solo falla un motory la falla se atribuye a un problema fundamental con el material, toda su reputación y gama de productos están en riesgo, y se deberán reembolsar los productos vendidos hasta el momento, además de los litigios. Todo su negocio de $ 500 mil millones podría estar en riesgo, en ese sentido, en el peor de los casos.

• También podría construir 2 o 3 plantas de producción de prototipos completos (fábricas) en diferentes ubicaciones, solo para delta-TCCM, para confirmar que, de hecho, puede reproducir su control de calidad de delta-TCCM de manera confiable a lo largo del tiempo y en diferentes establecimientos/ fuentes .

• Las aspas del ventilador generalmente están hechas de una combinación de diferentes materiales. Por ejemplo, el GE-9X, actualmente el motor turboventilador más grande que se fabrica, utiliza un compuesto de fibra de carbono con bordes de ataque de acero y bordes de salida de fibra de vidrio para la protección contra impactos de aves. No basta con hacer y dar forma a delta-TCCM, también se necesitan técnicas que le permitan ser parte de una hoja compuesta de manera confiable, lo suficientemente fuerte como para retener su estructura unificada bajo todas las tensiones, ciclos de calentamiento/enfriamiento y vibraciones que forman parte de la vida útil de las palas de los aviones. Si los componentes no se mueven, encogen y expanden juntos, la cuchilla eventualmente se debilitará.

• Si funciona, es posible que deba crear una cadena de herramientas completa solo para delta-TCCM. Herramientas de mecanizado, herramientas de producción, moldes de álabes (tal vez se moldean de forma destructiva y necesita un molde nuevo para cada pieza), láser especializado u otra soldadura, desarrollo de revestimientos y adhesivos delta-TCCM capaces de resistir en un entorno de motor, que son todos sus propios proyectos independientes. Los trabajos.

Y ese es solo el proyecto para comercializar delta-TCCM. $ 20-50 millones fácilmente, fuera de la cima (total de conjeturas de mi parte, pero da una idea). Es posible que tenga 50 o 200 proyectos de este tipo en curso y otros próximos en su flujo de I+D, todos relacionados con conceptos que explorará para su nueva generación de motores, y todos sus costos deben recuperarse mediante las ventas del motor. cuando finalmente esté completo.

Ejemplo concreto 2:

El transbordador espacial tuvo que resistir un calor intenso en el reingreso. Mucho más calor del que cualquier material podría soportar. La idea a la que se llegó fue simple: la ablación. El revestimiento se quemaría en lugar de derretirse, exponiendo gradualmente las capas inferiores, pero sin degradarse en su totalidad.

Crear el material fue un gran esfuerzo. No había mucha teoría de tales cosas, solo un objetivo para crear dicho material. Enorme investigación. Y cada vez, "Bien. Ahora encuentre una manera de hacer lo mismo pero con un 20% menos de peso".

Además de las otras respuestas:

Los motores a reacción no solo son complejos, sino que operan al límite de lo que es físicamente posible. Por ejemplo, los motores a reacción modernos funcionan a temperaturas internas que pueden ser más altas que el punto de fusión de los metales utilizados.

Cuando se diseña un nuevo motor a reacción, para que tenga éxito en el mercado, debe ser mejor que los motores disponibles actualmente: debe tener más empuje, menores niveles de ruido, menor consumo de combustible, mayor confiabilidad, menor funcionamiento. costos o una combinación de los mismos.

Esto significa que cada diseño mueve "el borde de lo que es físicamente posible", es decir, avanza el estado del arte. No se trata solo de un nuevo diseño de motor, debe desarrollar nuevos materiales, nuevos métodos de construcción, etc. Luego, debe demostrar que estos nuevos desarrollos suyos son seguros de usar. Aquí es donde va el costo: la investigación científica (que siempre conlleva el riesgo de que su nueva idea no funcione tan bien como esperaba), el desarrollo de la nueva tecnología hasta un nivel listo para el consumidor y la certificación.

Creo que la mayoría de las respuestas abordan los puntos bastante bien, los equipos son enormes y hay muchos equipos costosos involucrados. Añadiría tres puntos más:

• Hay un riesgo involucrado que debe tenerse en cuenta. No es como en Pharma, pero no todos los motores se venden igual de bien, por lo que debe administrar los costos en diferentes motores y diseños.

• Estas son máquinas altamente especializadas, por lo que, junto con un nuevo motor, está desarrollando nuevas herramientas, nuevas técnicas de medición y nuevo software. (Hay muchos efectos secundarios y beneficios resultantes de estos programas, por ejemplo: sonda de disparo táctil )

• Solo para ilustrar el punto de los materiales y los costos de fabricación, estos motores serían más baratos si estuvieran hechos de oro sólido.

Conozco al tipo que diseña el perfil del ventilador para uno de los grandes fabricantes. Él es solo el académico que contribuye a ese diseño, y ese es el único problema en el que trabaja. Pero eso implicó desarrollar un nuevo software para calcular el flujo.

El problema no es fundamentalmente sobre los motores a reacción, sino sobre la construcción de cosas complejas en general.

Las razones son las mismas que para construir un software complejo. Solo hay diferencias graduales.

La pregunta puede verse como "¿Por qué cuesta tanto crear sistemas complejos de alta calidad?"

El problema principal es la complejidad. El diseño de los motores a reacción existentes es complejo, y sabemos que diseñar una alternativa es un proceso más complejo que eso. Lo mismo de nuevo para construir uno en serie.

Queremos crear un artefacto complejo, llamémoslo "nuevo motor a reacción".

Para hacer esto,

Necesitamos un diseño para ello.

Como base de eso, necesitamos una especificación de diseño.

Para verificarlo, necesitamos construir al menos una instancia.

En la práctica, queremos poder crear varios ejemplares por un costo limitado por instancia.

Eso significa que también necesitamos crear muchos otros artefactos:

Necesitamos crear uno o más prototipos sin limitar el costo.

Necesitamos crear un conjunto completo de herramientas para producir múltiples instancias del artefacto.

También necesitamos construir herramientas para probar el artefacto.

Necesitamos probar uno o más prototipos y múltiples instancias producidas en función de la especificación de diseño.

Necesitamos hacer que una organización externa pruebe la especificación de diseño según las reglas de certificación.

Necesitamos hacer que una organización externa pruebe instancias basadas en reglas de certificación.

Necesitamos crear documentación, incluidas instrucciones confiables para múltiples variantes de servicio.

Tenga en cuenta que todo esto es independiente de la complejidad de lo que queremos crear. Ni siquiera depende de si construimos un artefacto físico, se aplica igual para construir una simulación del mismo, produciendo instancias al integrarlo en la simulación del avión del cliente.

Muchos de los pasos son algo complejos en sí mismos. Cuando los pasos interactúan, la complejidad tiende a multiplicarse en lugar de sumarse. Por ejemplo, un error menor en la especificación de diseño provoca cambios menores en la mayoría de los pasos, y cada uno de ellos tiene una sobrecarga significativa. Cambiar el tamaño de un tornillo y la resistencia de una soldadura requiere prácticamente el mismo esfuerzo que cambiar solo el tamaño del tornillo, porque dominan los gastos generales.

Si estamos construyendo algo complejo, hay algunos aspectos contrarios a la intuición en términos de complejidad. Una importante es que la complejidad y el esfuerzo de las pruebas aumentan muy rápidamente para aumentar los requisitos de calidad. Eso se debe en parte a que hay muchos más errores pequeños que grandes. Significa que se deben manejar muchos más errores únicos, lo que requiere más prototipos. La sobrecarga para manejar un error pequeño es casi la misma que para un error grande.

Para ilustrar el efecto de aumentar los requisitos de calidad, piense en construir un avión con base en un plano que especifique la forma y el tamaño de sus partes. Compare eso con un requisito adicional de la longitud total con una tolerancia de unos pocos centímetros. Ahora, debe tener en cuenta la variación de las conexiones de los componentes, como la distancia de los tornillos a los bordes de las piezas, y también la expansión térmica de las piezas. Ahora, refine los requisitos para especificar la longitud con una tolerancia de algunos milímetros según una curva de temperatura. Ahora, algunas pruebas deben realizarse varias veces, después de averiguar cuántas veces son suficientes. Y las diferencias en la expansión térmica de diferentes materiales y piezas de diferentes proveedores se vuelven relevantes. Tú entiendes. Y en caso de que parezca irrelevante preocuparse por la expansión térmica: El Lockheed SR-71 Blackbird en realidad perdía combustible cuando estaba frío en tierra, pero no cuando volaba a Mach 3,2 y a una temperatura del casco de unos 300 °C, según los límites de precisión aceptados. El Concorde se hizo 17 cm más largo en vuelo a unos 100 °C. Se divirtieron mucho al colocar las líneas hidráulicas.

Básicamente, agregar partes individuales es mucho más complejo de lo que esperaría la intuición. Agregar una pieza a un motor a reacción no solo implica la estabilidad de la pieza, sino también la estabilidad y el cambio de forma durante los ciclos térmicos y la determinación del número aceptable de ciclos antes del servicio.

Fíjate que todo esto, aparte de ilustrar ejemplos, no tiene nada que ver con los motores a reacción, ni siquiera si queremos construir algo físico.

Los elementos de diseño específicos para un motor a reacción se pueden encontrar en otras respuestas, y se puede usar una estimación de complejidad de ellos para derivar el esfuerzo general aquí.

Las respuestas existentes hacen un gran trabajo al responder por qué los motores a reacción son costosos de desarrollar: porque son muy complicados. Déjame intentar responder, ¿por qué los motores a reacción son tan complicados? Para entender eso, tenemos que examinar la economía de los motores a reacción, y todo se reduce a la eficiencia del combustible.

Digamos que usted va a comprar un auto nuevo, y un auto obtiene un 1% más de consumo de gasolina que el otro. Quizás 30 mpg y 30.3 mpg. Dirías que están tan cerca que apenas importa. También podría ser idéntico y comenzar a ver cuál tiene el mejor sistema de sonido o los asientos más elegantes. Pero cuando las aerolíneas van a comprar nuevos aviones, el 1% de diferencia en eficiencia de combustible es ENORME.

Las aerolíneas son grandes y el combustible para aviones es caro. Una aerolínea de tamaño modesto (digamos el tamaño de Jet Blue) gastará entre $ 1 y 2 mil millones por año solo en combustible para aviones. Y, cuando compras un avión nuevo, generalmente durará 30 años. Entonces, durante la vida útil de la flota, la aerolínea está gastando alrededor de $ 45 mil millones en combustible. Si un motor a reacción es un 1% peor en eficiencia de combustible, eso le costará a la aerolínea ~ $ 450 millones durante 30 años. Eso es por una diferencia del uno por ciento en la eficiencia del combustible.

Ahora bien, hay otras cosas que podrían compensar eso, como el precio de compra del motor, el costo del servicio y las piezas de repuesto, etc. Por lo tanto, un motor a reacción que es un 1% peor en eficiencia de combustible podría seguir siendo competitivo en general si compensa en otras áreas. Pero más allá de un pequeño porcentaje, la diferencia es tan grande que ni siquiera podría regalarlos.

Entonces, lo que termina es esta intensa competencia de "carrera armamentista" entre los principales fabricantes de equipos originales (OEM) de motores a reacción. Una empresa hace que su motor sea un poco más complicado, de modo que pueden mejorar la eficiencia del combustible en una pequeña fracción, y luego todos los demás corren para ponerse al día. Esto continúa año tras año, modelo de motor tras modelo de motor, y antes de que te des cuenta, lo que comenzó como una máquina bastante simple se ha vuelto extremadamente complicado y, por lo tanto, costoso de fabricar.

Esta es solo una parte de la respuesta, pero no quería publicarla en un comentario después de que los moderadores dijeron que no se incluyeran las respuestas en los comentarios:

Mire el concepto contable de una "tasa cargada". Es útil recordar que no solo necesita la colaboración de 100 ingenieros. Necesita 100 ingenieros en un edificio que tiene que mantener las luces encendidas y la calefacción y/o el aire acondicionado, con conserjes y asistentes administrativos, y todas las demás personas maravillosas que mantienen a los ingenieros productivos. Cuando se tienen en cuenta todos estos otros costos comerciales, la tarifa por hora que la empresa tiene que pagar (a diferencia de lo que recibe el ingeniero) es bastante diferente.