Wie wurde das Gewicht im Verkehrsflugzeugdesign reduziert und wie wird sich dieser Trend fortsetzen?

Die vielleicht größte Gewichtsreduzierung bei Flugzeugen auf ganzer Linie war die Verwendung von Verbundwerkstoffen gegenüber Aluminium. Dies reicht von kleinen GA-Flugzeugen bis hin zu Verkehrsflugzeugen wie Boeing Dreamliner . Im Retro-Fit-Spiel wurden einige ältere Flugzeuge für neuere Composite-Propeller zertifiziert . Auch kleine Einsparungen sind laut diesem Artikel wichtig

LED-Module ermöglichen im Durchschnitt eine Gewichtsersparnis von 40 % gegenüber den Glühmodulen, die sie ersetzen, was den Kraftstoffverbrauch verbessert

Glascockpits und moderne computergesteuerte Avionik wiegen tendenziell weniger und bieten mehr als ihre früheren Gegenstücke mit Dampfmessern. Auch im Spaceshuttle.

Das System bietet außerdem eine größere Backup-Fähigkeit, wiegt weniger und verbraucht weniger Strom als das ursprüngliche Design.

Eine andere Sache, die das Startgewicht erheblich beeinträchtigt hat, ist, wie sparsam die Motoren geworden sind. Obwohl dies eine praktische Grenze hat, da die Motoren effizienter geworden sind, ist die Notwendigkeit, Kraftstoff zu transportieren, gesunken, oder Flugzeuge können mit demselben Kraftstoff weiter fliegen. In ähnlicher Weise wie die Wetterplanung/-vorhersage bessere Kraftstoffladungen erhalten hat ( während sie immer noch den FAA-Reservevorschriften entspricht ), können sie etwas leichter sein, da sie jetzt genauer berechnet werden können.

Das einzige, was schwerer geworden ist, sind die Passagiere ...

Neben der Verwendung von Verbundwerkstoffen ist eine weitere Technik zur Gewichtsreduzierung durch die Schaffung leichterer elektrischer Leitungen und Kabel entstanden, die im gesamten Flugzeug verwendet werden, und durch die Reduzierung der insgesamt benötigten Drahtmenge.

Dies wurde auf verschiedene Weise angegangen.

1. Reduzieren Sie das Gesamtgewicht von Drähten und Kabeln pro Fuß, indem Sie Drähte entwickeln, die leichte Materialien verwenden oder die höheren Temperaturen standhalten können, sodass weniger Isolatoren oder Leiter benötigt werden. Die schrumpfende Größe des Kabels
2. Entwerfen Sie Elektro-, Flug- und Datensysteme, die von vornherein weniger Verkabelung erfordern. Durch die Verringerung der benötigten Drahtmenge kann das Gesamtgewicht erheblich reduziert werden. Ein Beispiel ist Avionics Full-Duplex (AFDX) , das verwendet wird, um ARINC 429-Datennetzwerke in großen Flugzeugen zu ersetzen. AFDX erfordert weniger Verkabelung als ARINC 429, wodurch das Gesamtkabelgewicht reduziert wird.

Ich weiß, was ich sagen werde, ist nicht genau das, was gefragt wurde, aber ich fand es auf die gleiche Weise sehr interessant :-)

Wenn Sie sich die Technologie von GE-Düsentriebwerken ansehen, werden Sie wahrscheinlich von ihren Details beeindruckt sein. Besonders das Kohlefaser-Verbundmaterial ist etwas, das es GE ermöglicht, Lüfterflügel länger und dünner zu machen. Schauen Sie sich an: http://www.gereports.com/the-art-of-engineering-the-worlds-largest-jet-engine-shows-off-composite-curves/

Ich habe versucht, einige relevante Inhalte zu extrahieren, und hier ist es:

Nick Kray arbeitet als beratender Ingenieur für Composite Design bei GE Aviation. In den 1990er Jahren war er Teil eines High-Stakes-Gambits von GE, bei dem es darum ging, den vorderen Lüfter seines größten Düsentriebwerks aus Epoxid und Kohlefasern herzustellen.

Die Schaufeln aus dem Kohlefaser-Verbundstoff genannten Material ermöglichten es den Luft- und Raumfahrtingenieuren von GE, das GE90 zu konstruieren, das immer noch das größte und leistungsstärkste Düsentriebwerk der Welt ist. Es ist auch die profitabelste Maschine von GE Aviation. „Unsere Konkurrenten stellen Ventilatoren für Düsentriebwerke aus Titan und Stahl her, und sogar einige unserer eigenen Leute waren anfangs nicht so begeistert von der Verwendung von Verbundwerkstoffen“, sagt Kray. „Niemand hatte das zuvor versucht.“

Das Material ermöglichte es GE-Ingenieuren, Schaufeln zu entwickeln, die zu leichteren und effizienteren Triebwerken führen und es den Fluggesellschaften ermöglichen, Treibstoff zu sparen, indem sie wertvolle Pfunde verlieren.
Jetzt sind Kray und sein Team damit beschäftigt, die Zukunft zu bauen. Sie arbeiten an einer vierten Generation des Flügels für das GE9X, das bisher größte Triebwerk von GE, das exklusiv für Boeings Großraumjet der nächsten Generation, die 777X, entwickelt wurde.

Die Klingen werden mehrere neue Komponenten enthalten, sagt Kray. Sie werden steifere Kohlefasern verwenden, damit GE sie länger und dünner machen kann. Ihre Hinterkante besteht aus einem speziellen strukturellen Glasfaserverbundstoff, der die Aufprallenergie besser absorbieren kann.

Wo das GE90 22 Klingen und das GEnx 18 hat, wird das GE9X nur 16 haben, obwohl es das größte der drei ist. Abgesehen davon, dass der Motor leichter wird, drehen sich die weniger und dünneren Blätter auch schneller.

Die anderen Antworten auf diese Frage sind alle wahr, gut und relevant. Es gibt jedoch zwei wichtige Dinge, die bisher nicht erwähnt wurden.

Einer davon ist, dass Flugzeugteile, insbesondere kritische Teile wie Flügelholme, immer weniger überarbeitet sind als früher.

In Ermangelung genauerer Kenntnisse über die Tragfähigkeit, Biegung und andere Grenzen wichtiger Strukturen würden Luftfahrtingenieure mit sehr großen Sicherheitsmargen rechnen, wodurch diese Strukturen viel stärker und widerstandsfähiger (und schwerer) werden, als sie jemals sein müssten.

Ein besseres Verständnis der Grenzen - mehr darüber zu wissen, wie und wann Strukturen versagen - hat es ermöglicht, diese Sicherheitsmargen sicher zu reduzieren und die Strukturen leichter zu machen.

Beachten Sie, dass das Reduzieren von Sicherheitsmargen nicht unbedingt bedeutet, etwas weniger sicher zu machen . Ein riesiger Sicherheitsspielraum im Flügeldesign, der es einem Flügel ermöglicht, Kräften standzuhalten, die andere kritische Teile beschädigen oder alle Personen an Bord töten würden, bedeutet nicht wirklich eine verbesserte Sicherheit. Ab einem bestimmten Punkt bedeutet es nur mehr Gewicht.

Und die Reduzierung unnötigen Gewichts ermöglicht mehr Spielraum für Verbesserungen in anderen Bereichen, die wiederum die Sicherheit verbessern könnten.

Zweitens haben neue computergestützte Designtechniken begonnen, Designs zu entwickeln und zu erforschen, die kein Mensch könnte oder würde, basierend auf mathematischer Modellierung und Simulationen, die zu unerwarteten Ergebnissen führen.

Beispielsweise haben einige Techniken Designs erzeugt, bei denen Material (beispielsweise von einem Zylinder oder Balken) in zufällig erscheinenden Mustern weggeschnitten wird. Bei gleicher Festigkeit/Steifigkeit/Bruchfestigkeit kann das Teil wesentlich leichter gemacht werden.

Beide Trends werden sich zweifellos fortsetzen, und da sie sich gleichermaßen gut auf Strukturen wie Flügel und Ablagetische anwenden lassen, werden sie Auswirkungen auf alle Aspekte des Designs und der Konstruktion von Flugzeugen haben.

Da fallen mir mehrere Maßnahmen ein. Ich bin mir sicher, dass einige von ihnen Gewicht nur als Nebeneffekt einsparen, anstatt dass dies der Hauptgrund für die Änderung ist.

• Wechseln Sie zu Verbundwerkstoffen. Dies ist definitiv durch Gewichtseinsparung getrieben worden. Der Bau der Flügel und des Rumpfes aus leichteren Materialien macht alles billiger.
• Neue Sitzdesigns. Es gibt neue schlankere Sitze, meist in Kurzstreckenflugzeugen. Die Sitze sind viel kleiner und um einiges leichter. Dies liegt wahrscheinlich eher an der Möglichkeit, mehr Reihen hinzuzufügen und dennoch eine anständige Tonhöhe beizubehalten, ist aber auch eine Maßnahme zur Gewichtseinsparung.
• Drahtlose und BYOD-Unterhaltungssysteme. Auch hier meist Kurzstrecke. Ich hatte Flugzeuge ohne jegliche Unterhaltung oder mit WLAN-Systemen zum Mitbringen eigener Geräte. Diese sparen das Gewicht der Geräte und insbesondere der Verkabelung.
• Toilettendesign. Das liegt heute vor allem am Eigengewicht der Anlagen, spart aber auch das Gewicht des Wassers ein. Ich denke jedoch, dass viele der Änderungen an diesen Designs tatsächlich sicherheits- und komfortbezogen waren.

Es ist möglich, dass all diese Änderungen durch Änderungen im Motordesign und in der Aerodynamik (Winglets / Sharklets) übertroffen werden, die den Luftwiderstand verringern und das Gewicht sparen, wenn mehr Kraftstoff an Bord transportiert wird, obwohl ich keine Daten habe.