articol de cercetare

  • Articol complet
  • Cifre și date
  • Referințe
  • Citații
  • Valori
  • Licențierea
  • Reimprimări și permisiuni
  • PDF

Abstract

Această lucrare prezintă o metodă simplă de analiză a compromisului monetar între costul crescător al materialului aeronavei și costul redus al combustibilului pentru avioane pentru sprijinirea procesului decizional în proiectarea de materiale noi ușoare, dar scumpe. Metoda ia în considerare factorul de creștere a greutății, ecuația gamei Breguet, rezistența specifică, costul materialului, prețul combustibilului și gama aeronavelor. O analiză a modelului relevă faptul că prețul în creștere al combustibilului poate schimba drastic materialele optime ale cadrului aerian de la aliaje de aluminiu vechi la materiale plastice armate cu fibră de carbon.

metodă

Declarație de interes public

Materiale noi ușoare, dar scumpe, cum ar fi materialele plastice armate cu fibră de carbon (CFRP), sunt utilizate pe scară largă pentru cele mai noi căptușeli cu jet de economie de combustibil, cum ar fi Boeing B787 și Airbus A350. Cu toate acestea, în condițiile prețului scăzut al combustibilului după mijlocul anului 2014, sunt raportate vânzări constante pentru căptușelile de aluminiu vechi și mai puțin eficiente, la prețuri mai mici. Prin urmare, autorii au pus o întrebare dacă selectarea de noi materiale a contribuit la recompensarea afacerii și au propus o nouă metodă monetară de compromis care combină prețul combustibilului, gama aeronavelor, rezistența materialului și costul materialului pentru luarea deciziilor materiale pentru aeronave civile. O analiză model cu metoda relevă faptul că aliajele de aluminiu vechi sunt mai favorabile decât CFRP-urile pentru starea actuală, cu toate acestea, prețul mai ridicat al combustibilului, CFRP-urile cu costuri reduse și tehnologia îmbunătățită de fabricație aditivă (AM) pot aduce un avantaj drastic pentru CFRP-urile în viitoarele avioane proiecte.

1. Introducere

Prețurile țițeiului și combustibilului pentru avioane au atins un nivel maxim în 2008 și au rămas ridicate până la mijlocul anului 2014, datorită depășirii monetare și răspândirii tulburărilor în zonele de producție a țițeiului. Inginerii au fost astfel motivați să dezvolte o linie de zbor care să garanteze o eficiență excelentă a combustibilului prin schimbarea materialelor cadrelor aeriene de la aliaje de aluminiu vechi, cum ar fi Al-2024 și Al-7075, la noi materiale ușoare, dar mai scumpe, cum ar fi materialele plastice armate cu fibră de carbon (CFRP) . (United States Governmental Accountability Office, 2014, 2016a; US Energy Information Administration, 2016b) (Figura 1).

Publicat online:

Figura 1. Prețurile lunare ale țițeiului și combustibilului pentru avioane, 1990–2015. (a) Prețul țițeiului, 1990-2016 (US Energy Information Administration,). (b) Prețul combustibilului pentru jet, 1990-2016 (Administrația SUA pentru informații energetice).

Figura 1. Prețurile lunare ale țițeiului și combustibilului pentru avioane, 1990–2015. (a) Prețul țițeiului, 1990-2016 (US Energy Information Administration,). (b) Prețul combustibilului pentru jet, 1990-2016 (Administrația SUA pentru informații energetice).

Fabricarea aditivă (AM) este o tehnologie care ajută la rezolvarea problemei de stagnare prin controlul muncii excesive, precum și oferind potențialul libertății de proiectare, fără necesitatea procesului de prelucrare a timpului și a operațiunilor la cerere pentru a permite un timp de inactivitate mai mic. Recenzii sistematice (Costabile, Fera, Fruggiero, Lambiase și Pham, 2017; Fera, Fruggiero, Lambiase și Maccharoli, 2016) și standardizarea (ASTM, 2012) sunt active pentru domeniile largi ale potențialelor aplicații AM, inclusiv CFRP (Kliftk, Koga, Todoroki, Ueda, Hirano și Matsuzaki, 2016), sugerând că reducerea drastică a costului ciclului de viață al aeronavei (CFCP) fabricat din CFRP a redus atât costul de producție, cât și cel de întreținere, reparații și revizie (MRO). Costul tipic de întreținere al unei aeronave CFRP a fost estimat la șapte procente din costul total de funcționare, cu intervale de trei ani pentru inspecția de bază (C-Check) și de 12 ani pentru întreținerea grea (D-Check) (Khwaja, 2006) . O astfel de întreținere nu va fi necesară în viitorul apropiat din cauza întreținerii la cerere bazate pe AM în timpul verificării de rutină după zbor. Astfel, metoda de analiză a compromisului pentru selectarea materialelor aeronavei trebuie să fie flexibilă în luarea în considerare a beneficiilor din punct de vedere al costului noilor tehnologii în evoluție rapidă legate de AM.

În această lucrare, studiem compromisul dintre costul combustibilului economisit saved C combustibil și creșterea costului structural structure Structura C, presupunând o schimbare a materialului structural al carcasei de la metale vechi la materiale noi, păstrând în același timp conceptul de design vechi. Aceasta a fost denumită abordarea „Black Metal”, în care componentele cadrelor au fost schimbate în CFRP tipice negre, păstrând în același timp conceptul de design al metalului din aluminiu de culoare argintie. Noile concepte de proiectare, cum ar fi ambarcațiunile „corpului aripii amestecate” (BWB), pot realiza pe deplin excelența CFRP-urilor în inovația aeronavei dincolo de designul convențional „tub și aripă”. Astfel, utilizarea abordării Black Metal poate fi o piatră de hotar în istoria proiectării aeronavelor. Cu toate acestea, deducem că conceptul Black Metal va continua cu proiectarea mainline a avioanelor pentru următoarele decenii, deoarece durata dezvoltării avioanelor comerciale folosind conceptul black metal este lungă. Începând cu subcomponenți mici din anii 1970, cum ar fi ușile de la trenul de aterizare, suprafețele de control și avioanele din spate, conceptul a progresat în anii 2010 către principalele componente ale aeronavelor cu rază lungă de acțiune, cum ar fi aripile principale și fuselajul.

Schimbarea de la metale vechi la materiale noi, păstrând în același timp conceptul de design vechi, este analizată după cum urmează. În primul rând, factorul de creștere este utilizat pentru a estima economia greutății brute la decolare Δ W TOGW prin schimbarea materialului unei componente imaginare dintr-un aliaj de aluminiu vechi într-un material nou și ușor. Apoi, ecuația gamei Breguet este modificată pentru a estima economia de greutate a combustibilului Δ W combustibil pentru un anumit interval R și Δ W TOGW. În cele din urmă, se propune un nou instrument de compensare a costurilor modificat din structura fuel C combustibil - Δ C pentru a analiza superioritatea costurilor materialelor noi în condițiile date de costul greutății unitare, rezistența specifică, gama aeronavelor și prețul combustibilului.

2. Metodologie

2.1. Factor de creștere

Importanța controlului greutății structurale a devenit bine cunoscută prin lecția conform căreia adăugarea chiar și a celei mai mici greutăți fixe duce la aripi mai mari, motoare mai puternice, dar mai grele și la nevoia de mai mult combustibil. Acest lucru revine la nevoia de structuri mai puternice și, astfel, mai grele pentru a susține creșterea factorilor de greutate. „Efectul de ghiocel” al creșterii în greutate duce astfel la un raport drastic mai mare între greutatea structurală fixă ​​adăugată și creșterea greutății brute la decolare. Raportul factorului de creștere G.F. este definit în articole (Ando, ​​1958a, 1958b, 1958c; Driggs, 1952; Yamana, 1953) după cum urmează.

Greutatea brută la decolare, W TOGW, este definită pentru avioanele civile după cum urmează: (1) W TOGW = structura W + W propulsie + W combustibil + W sarcină utilă + W sisteme, (1)

unde indicele reprezintă, respectiv, structura, propulsia sau motorul, combustibilul, sarcina utilă și sistemele, inclusiv alimentarea cu ulei și combustibil auxiliar. Ecuația (1) se modifică după cum urmează: (2) W TOGW = W sarcină utilă + W sisteme 1 - W structură + W propulsie + W combustibil W TOGW. (2)

Sarcina utilă și greutățile sistemului sunt parametri fixi; structura, propulsia și greutățile combustibilului privesc proiectarea și funcționarea, astfel încât aceste greutăți sunt parametri variabili după cum urmează: (3) W sarcină utilă + W sisteme ≡ W structură W fixă ​​+ W propulsie + W combustibil ≡ W variabilă. (3)

Ecuațiile (2) și (3) conduc la următoarea expresie: (4) W TOGW = W fixă ​​1 - W variabilă W TOGW. (4)

Ecuația (4) arată că greutatea fixă ​​afectează greutatea brută la decolare cu o rată de (1 - W variabilă/W TOGW) - 1. Prin urmare, factorul de creștere G.F. este definit ca (5) G. F. ≡ 1 1 - W variabilă W TOGW. (5)

Când greutatea fixă ​​a structurii este redusă prin trecerea de la un aliaj de aluminiu vechi la un material nou, reducerea greutății brute la decolare este exprimată prin combinarea ecuațiilor (4) și (5) după cum urmează: F. × Δ W fixat. (6)

Valorile tipice ale factorului de creștere sunt G. F. >> 1; astfel, inginerii de proiectare se pot aștepta ca impactul economiilor de greutate să fie drastic mai mare decât cel al economisirii directe a greutății componentei. De exemplu, cazul tipic al propulsiei W/W TOGW ≈ 1,0 × 10 - 1, W combustibil/W TOGW ≈ 3,5 × 10 - 1 și structură W/W TOGW ≈ 3,0 × 10 - 1 oferă factorul de creștere G. F. ≈ 4.0, ceea ce implică faptul că reducerea greutății fixe folosind un material nou este recompensată de o reducere de patru ori a greutății brute la decolare.

2.2. Descrierea gamei de aeronave

Un caz de „croazieră-urcare” se presupune cu accelerația motorului fixă ​​și altitudine variabilă peste 11 km, unde temperatura atmosferică este aproximativ constantă. Astfel, tracțiunea motorului cu reacție T este aproximativ proporțional cu densitatea aerului și raportul de ridicare-tracțiune C L/C D, consumul de combustibil specific motorului (SFC) E SFC și viteza reală a aerului V TAS sunt, de asemenea, aproximativ constante. O unitate de greutate a combustibilului asigură un timp de funcționare cu un singur motor de 1/(E SFC × T); astfel, creșterea intervalului Δ R este V TAS/(E SFC × T), sau (7) Δ R = (V TAS/E SFC) × (C L/C D) × (1/W cruise), (7)

deoarece greutatea aeronavei la croaziera W este egală cu T × C L/C D. Prin urmare, gama R cu o greutate de combustibil W combustibilul se exprimă după cum urmează: (8) R = (V TAS/E SFC) × (C L/C D) × ln (1 1 - W combustibil/W croazieră). (8)

Ecuația (8) este cunoscută sub numele de ecuația intervalului Breguet. În cazul bimotorului, E SFC în ecuația (8) devine 2 · E SFC, întrucât o greutate unitară a combustibilului asigură timpul de funcționare bimotor de 1/(2 E SFC × T) .

2.3. Reducerea costului combustibilului utilizând material ușor

Cazul zborului cu rază lungă de acțiune permite aproximarea croazieră W >> (W TOGW - W cruise) sau W TOGW ≈ W cruise. Astfel, ecuația intervalului Breguet (8) se modifică după cum urmează: (9) Р ≈ (V TAS/E SFC) × (C L/C D) × ln (1 1 - W combustibil/W TOGW). (9)

Rearanjarea ecuației (9) produce (10) Δ W combustibil ≈ Δ W TOGW × 1 - exp - R (V TAS/E SFC) × (C L/C D). (10)

Reducerea costului combustibilului fuel C combustibil este dată astfel prin combinarea ecuațiilor (6) și (10), prețul combustibilului pentru greutatea unitară a combustibilului P și numărul de zboruri N după cum urmează: (11) fuel C combustibil ≈ N × P combustibil × G. F. × Δ Structura W × 1 - exp - R (V TAS/E SFC) × (C L/C D). (11)

Când structura W este modificată din cauza condiției de rezistență, structura W este dată după cum urmează: (12) structure Structura W = structura W × 1 - S Al S NM, (12)

unde S Al și S NM sunt punctele forte ale aliajului de aluminiu vechi și respectiv noului material. Rigidități specifice, în loc de rezistențe specifice, sunt aplicate în ecuația (12) pentru componentele condiționate de rigiditate, cum ar fi panourile de aripi ale secțiunilor sensibile la flutter. Ecuațiile (11) și (12) conduc la următoarea expresie: (13) Δ C f u e l ≈ N × P f u e l × G. F. × W s t r u c t u r e × 1 - S A l S N M × 1 - exp - R (V T A S/E S F C) × (C L/C D). (13)

2.4. Avantajul monetar al utilizării de noi materiale

Creșterea costurilor structurii Δ structura C este dată după cum urmează: (14) structure structura C = structura W × P NM × S Al S NM - P A l, (14)

unde P Al și P NM sunt prețurile de greutate unitară ale aliajului de aluminiu vechi și respectiv al noului material. Astfel, beneficiul costului utilizării noului material Δ C combustibil - Δ Structura C este exprimat ca (15) Δ C combustibil - Δ Structura C = W s t r u c t u r e × N × P combustibil × G. F. × 1 - S Al S NM × 1 - exp - R (V TAS/E SFC) × (C L/C D) - P NM × S Al S NM - P Al. (15)

2.5. O nouă metodă de compromis pentru selectarea materialelor

Investiția în utilizarea unui material nou este rațională numai când Δ C combustibil - Δ Structură C> 0; astfel, o relație se obține modificând ecuația (15) după cum urmează: (16) P NM P Al (1 + F) × S NM S Al - F F = N × G. F. × 1 - exp - R (V TAS/E SFC) × (C L/C D) × P combustibil P Al. (16)

Ecuația (16) reprezintă compromisul dintre beneficiul costurilor între utilizarea aliajului de aluminiu vechi și a unui material nou conform specificațiilor date ale prețului aeronavelor și al combustibilului, așa cum se ilustrează în Figura 2. Aliajul de aluminiu vechi este superior noului material atunci când costul depășește beneficiu de forță, așa cum se arată în regiune „Eu."Cazul ecuației (16) este prezentat în regiune"II,”În cazul în care noul material este superior din punct de vedere al raportului cost-beneficiu al aliajului de aluminiu vechi. Regiunea „I I I - A” este un subset al ecuației (16) din partea mai sigură, astfel încât P NM/P Al S NM/S Al, adică (17) P Al S Al> P NM S NM. (17)

Regiunea „I I I - B” este banală, deoarece aici noul material este superior atât în ​​ceea ce privește rezistența, cât și costul, decât aliajul de aluminiu vechi. Prețul mai mare al combustibilului, zborul cu rază mai lungă de acțiune etc. poate crește cantitatea F pentru a extinde regiunea II așa cum se arată în Figura 3. Mare N duce, de asemenea, la mare F; astfel, durata lungă de recuperare a investițiilor îmbunătățește, de asemenea, profitabilitatea materialului nou. Prin urmare, o rată a dobânzii scăzută, care prelungește durata de recuperare, este, de asemenea, un factor important în selectarea materialelor noi.