¿Por qué en realidad solo hay un diseño básico para los aviones de pasajeros?

Para la mayoría de los aviones de transporte, la eficiencia aerodinámica es el parámetro clave, ya que permite un menor consumo de combustible. Los diseños que ve con más frecuencia son los más eficientes que se conocen:

• Para los aviones a reacción, las alas de barrido bajo con motores montados debajo y delante de las alas y la cola convencional es el diseño conocido más eficiente. Los motores montados en la cola solían ser comunes en aviones más pequeños, pero como eso pone mucho volumen en la popa, son peores con respecto a la regla del área de Whitcomb , peores para el peso y el equilibrio, y los motores montados en las alas también ayudan a amortiguar el aleteo. Entonces, los nuevos regiojets también están cambiando a motores bajo el ala.

• Los aviones de hélice vuelan más despacio, por lo que tienen alas rectas. Las alas de montaje bajo son un poco más eficientes, pero el avión debe tener un tren largo para mantener suficiente distancia al suelo para las hélices, por lo que las alas altas son más comunes. Luego, la cola en T simplemente se usa para colocar el elevador por encima de la estela más turbulenta de las alas y los motores.

Las únicas desviaciones de estos tres diseños básicos están en el plano de propósito especial que tiene otra preocupación más importante. El más notable es que los aviones de carga militares son generalmente de ala alta, por lo que pueden sentarse bajos en el suelo para facilitar la carga y descarga utilizando una rampa incorporada. Su anédrico marcado es para evitar sobreestabilizar la aeronave en balanceo, ya que tanto el ala alta como el barrido del ala aumentan la estabilidad del balanceo. Los diseños anteriores de regiojet usaban motores montados en la cola por la misma razón; para sentarse más abajo en el suelo para que puedan cargarse fácilmente a través de las escaleras de aire integradas y no sean demasiado pesados ​​ni voluminosos.

La industria aeronáutica realizó la mayor parte de su investigación en las décadas de 1920 y 1940. Había literalmente docenas de variaciones de fuselajes y alas. Después de algunos experimentos y teorías (en NACA, Farnborough y otros lugares), para cada objetivo de diseño/nicho de mercado surgió un diseño dominante que se ajustaba a la carga útil para combustible y otras restricciones y minimizaba el costo.

Prácticamente en los aviones de pasajeros se decidió por el diseño del DC-3, y en la era de los jets, por el Comet .

EDITAR: Jan Hudec señala dos mejoras significativas que el Comet no tenía:

• cuerpos antichoque , introducidos por primera vez en este diseño ;
• mover los motores hacia adelante y hacia las góndolas.

Aparte, hay otra adición generalizada a los diseños: los winglets .

Referencias:

• http://people.bu.edu/fsuarez/Fernando_Suarez_Website/Publications_files/1995_SMJ_Dominant%20Design%20Survival_Suarez_Utterback.pdf
• Bernie MacIsaac y Roy Langton. (2011) Sistemas de propulsión de turbinas de gas, John Wiley & Sons.

Si mira alrededor de un aeropuerto central razonablemente activo, en realidad verá muchas opciones de diseño diferentes para aviones de pasajeros, todos producidos hoy:

• Algunos tienen alas altas (por encima de las ventanas), algunos tienen alas bajas.
• Algunos tienen alas en flecha, otros las tienen rectas.
• Algunos tienen motores montados debajo de las alas, otros los tienen unidos al fuselaje.
• Algunos tienen motores turbofan, otros tienen hélices.
• Algunos tienen planos de cola convencionales, otros tienen colas en T.
• Algunos tienen dos motores, algunos tienen cuatro.
• La mayoría tiene un fuselaje largo y aproximadamente cilíndrico; algunos tienen otras formas (considere el 747 cuya sección transversal del fuselaje cambia dramáticamente a la mitad del avión).

Si observa aviones optimizados para volar distancias similares con un número similar de pasajeros (compare, por ejemplo, el Airbus A320 con el Boeing 737), tendrán las mismas opciones en la mayoría de estas categorías. Esto se debe a que las elecciones marcan la diferencia, y para ese uso en particular, una combinación en particular resulta ser económicamente ventajosa.

Sin embargo, una vez que miras los aviones con diferentes roles, las cosas cambian. Un regional de 70 plazas como el ATR 72 no parece en absoluto un A320 a escala reducida .

(Excepto muy toscamente al nivel de "fuselaje largo y estrecho, un par de alas principales cerca de su centro, un grupo de estabilizadores en toda la popa, engranaje de triciclo").

Cada vez que se presenta un nuevo avión, el departamento de marketing del fabricante respectivo afirma que ahora ha comenzado una nueva era en los viajes aéreos. Recuerde las afirmaciones hechas en el momento en que Boeing lanzó el 747: disfrutaríamos de un cine de pantalla grande y un bar en el cielo, y casi lo mismo (más la opción de un spa volador) sucedió con el A-380.

Al final, los clientes votan con sus billeteras y las aerolíneas necesitan ganar dinero, por lo que todas esas opciones extravagantes se marchitan y todos regresan a lo que funciona mejor. El diseño de aeronaves ha madurado, y todas esas afirmaciones de configuraciones combinadas de ala y fuselaje solo mantendrán ocupados al marketing y la prensa.

Agregue a esto las limitaciones de la infraestructura existente y la regulación excesiva (gracias a la cual disfrutamos de una seguridad incomparable en los viajes aéreos, por cierto), y la ventaja potencial de las nuevas configuraciones se desvanecerá rápidamente. Solo intente encontrar una manera de evacuar rápidamente una de estas configuraciones combinadas de ala y cuerpo con 20 asientos en fila, y cualquier ventaja aerodinámica reclamada (que no tiene) será discutible.

Se llama "evolución convergente". Si tiene una tarea que realizar y esa tarea tiene requisitos físicos, todos los diseños eventualmente se verán y funcionarán de la misma manera. Hay muchos viajes secundarios en el camino y esos viajes secundarios tienden a quedarse sirviendo a su rincón de la especie.

Ejemplos:

• Los aviones grandes son de ala baja. Las excepciones son la carga pesada y los accesorios de campo cortos/ásperos como el Dash-8 (los accesorios grandes no caben en las alas bajas) (un 747 no es un avión de carga pesada. Cada pieza es pequeña)

• Todo el mundo pone sus motores en las alas. Los que no se sientan muy cerca del suelo y no tienen suficiente espacio libre. Siguiente mejor lugar: la cola. Buena suerte colgando un Trent 900 a cada lado de la cola. Y el ascensor tiene que apartarse. La cantidad de motores que tiene es puramente una función del empuje necesario frente al disponible. Observe cómo la configuración trijet se extinguió a medida que evolucionaron motores más potentes (y confiables).

• todos los aviones presurizados tienen secciones transversales circulares y ventanas redondeadas, más fáciles de inflar. Los aviones no presurizados todavía usan muchos paneles planos.

• las criaturas de tipo pez usan una sola aleta grande para la propulsión. Los verdaderos peces la mueven de un lado a otro, los mamíferos acuáticos que regresaron al mar la mueven de arriba abajo, como las patas que tenían.

Cosas como winglets, canards y otras protuberancias son soluciones adicionales para problemas aerodinámicos descubiertos después de que se completó el diseño inicial. Es probable que no estén allí la próxima vez que se inicie un diseño de página en blanco.

El diseño es popular porque resulta ser el mejor hasta ahora para viajes aéreos subsónicos de gran capacidad. Otros diseños serían menos seguros o tendrían más resistencia, además, no hay razón para arreglar lo que no está roto.

Boeing ha coqueteado con diferentes diseños de aviones de pasajeros en los últimos años, pero parece que por el momento los diseños más extravagantes que tendremos serán el Boeing 787 y el Airbus A380.

Sería un riesgo probar algo nuevo. El objetivo del fabricante de fuselajes es ganar dinero y puede hacerlo mejorando la eficiencia en comparación con la generación anterior y ocupando nichos de mercado ligeramente diferentes en comparación con la competencia.

¿Cuáles son las alternativas al tubo y al ala en flecha de montaje bajo?

1. Ala alta. Esto a menudo requiere una cola en T que tiene una seguridad inferior. Con el ala baja, el ala y el tren de aterrizaje se pueden montar en puntos fuertes del fuselaje.

2. Ala media. Los cazas lo usan porque es más eficiente, pero reduciría el volumen de carga en un avión comercial.

3. Cuerpo y ala combinados (BWB). Este diseño tiene muchos pasajeros alejados de las ventanas y presenta problemas de evacuación. También es más fácil presurizar una esfera o un cilindro que la forma BWB.

4. Ala delta. http://seattletimes.com/html/businesstechnology/2002973147_boeingconcepts05.html

El concepto Boeing Honeydew utiliza un ala delta. Evidentemente, el problema de manejo/seguridad a baja velocidad se considera un problema demasiado grande.

5. Bulo. El Boeing Kermit Kruiser. El avión obtendría elevación del canard en lugar de la carga aerodinámica, pero IIRC la decisión del área es más difícil.

He visto a otros responder a la pregunta de por qué esta forma (eficiencia aerodinámica) pero no por qué es aerodinámicamente eficiente.

La clave para producir un avión con alta eficiencia aerodinámica (la menor resistencia) es el área mojada y el área frontal más bajas posibles, al tiempo que se genera la máxima sustentación. El área frontal es justo lo que piensas, la sección transversal más baja posible que intentas empujar por el aire. Sin embargo, el área afilada es el área que se "moja", es decir, el área de superficie total de la aeronave. Esto significa que la mejor forma posible es un cigarro largo: cuanto más delgado, mejor. Cualquier área que agregue al "tubo" es energía desperdiciada.

Al mismo tiempo, la forma del ala que genera la máxima sustentación con la menor resistencia es una forma alargada y delgada. Esto se debe a que las alas provocan sustentación principalmente al crear una presión de aire negativa al hacer que el aire fluya más rápido por la parte superior que por la inferior. Este efecto se destruye al tener un ala ancha y gorda porque el ala no puede crear la misma bolsa apretada de diferencial de aire entre la parte superior e inferior que puede crear un ala delgada. Esto es lo que mata las alas Delta y los cuerpos elevadores.
http://www.discoverhover.org/infoinstructors/guide8.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Lift_(force)

Una vez que la velocidad de la aeronave pasa a un porcentaje mayor de la velocidad del sonido, sin embargo, entran en juego otros factores. El ala debe estar barrida y debe ser más fuerte para manejar las fuerzas en juego, por lo que debe ser más gruesa.

La última porción es la cola en la espalda. Esto es simplemente imitar la flecha: colocar las plumas en la parte posterior de la flecha crea una estabilidad natural al asegurarse de que la parte delantera de la aeronave permanezca apuntando hacia adelante.

Hay muchas ventajas con respecto a otros diseños, los Canard tienen un gran comportamiento de pérdida, los cuerpos de sustentación tienen una excelente resistencia y, por lo tanto, la seguridad y las alas en tándem con puntales tienen una gran resistencia y excelentes características de sustentación. Pero el negocio de las aerolíneas es un negocio de alto volumen y bajo margen, por lo que cualquier pequeña resistencia se rechaza cuando se toman decisiones.

Como han señalado otros, el diseño general actual de los aviones de pasajeros es el resultado de décadas de ingeniería e investigación. Cuando se analizan todos los requisitos, este diseño básico es el que proporciona el mejor equilibrio de ventajas y desventajas. La infraestructura también se construyó en torno a esta configuración, lo que introduce otra limitación que un nuevo diseño tendría que solucionar. Si bien los aeropuertos estaban dispuestos a realizar cambios para acomodar el A380, un diseño completamente diferente probablemente implicaría un cambio más drástico que sería más difícil de vender a los aeropuertos.

Durante los muchos años en los que este diseño ha evolucionado, se han aprendido muchas buenas lecciones. El historial actual de seguridad en la aviación es el resultado de la puesta en práctica de estas lecciones para mejorar el diseño. Para un nuevo diseño radical, gran parte de esto tendría que descartarse o al menos revisarse profundamente. Habría que realizar investigaciones y pruebas en muchas áreas para garantizar que los aspectos importantes del diseño se entiendan correctamente.

Otro elemento clave es la certificación. Para que la FAA, EASA, etc., otorguen un certificado de tipo en una aeronave, hay un largo proceso de certificación. Para un diseño completamente diferente, la certificación también sería completamente diferente. Los diseñadores no solo tendrían que tener confianza en la nueva configuración, sino que también tendrían que convencer a estas autoridades. Esto implicaría introducir mucha información nueva. Los aviones nuevos recientes ya han tardado más y más en certificarse. La introducción de una configuración completamente nueva podría llevar incluso más tiempo.

Desde los años 30 hasta los 60, el estándar para los viajes transoceánicos era un avión de 4 motores. Si le hubiera preguntado a ciertas aerolíneas si comprarían un avión Lockheed o Douglas de 3 motores, dirían "NO" porque sus clientes se negarían a volar con menos de cuatro motores.

Pero gradualmente, los 3 motores se convirtieron en el estándar para los viajes oceánicos.

Y a principios de los años 80, apareció ETOPS porque los motores se habían vuelto extremadamente confiables.

Entonces, el proceso de diseño es evolutivo; la mayoría de los cambios ocurren con bastante lentitud y los diseñadores suelen copiar los éxitos de otros diseñadores.