Как оставаться впереди конкурентов с помощью инноваций в проектировании авиационных деталей

В аэрокосмической отрасли гонка за доминирование в небе начинается с более интеллектуальных компонентов самолётов. Инновации в проектировании компонентов выходят на первый план среди производителей. Компании переосмысливают форму, вес, функции и конструкцию критически важных компонентов.

Повышенное внимание к проектированию деталей может значительно снизить затраты. Примерно от 70% до 80% стоимости жизненного цикла изделия определяется на этапе проектирования, что делает его самым экономичным этапом производства. Инженеры сокращают вес, преобразуют крылья в модульные салоны и проектируют самолёты нового поколения, ориентированные на производительность, эффективность и экологичность.

Почему проектирование деталей стало новым полем битвы инноваций в авиации

Руководители авиационной отрасли делают ставку на более стратегическое проектирование деталей для управления затратами инеопределенность в цепочке поставок.

Компании Delta и Airbus недавно расширили своё многолетнее партнёрство, чтобы ускорить внедрение инноваций в области деталей и систем. В лабораториях Airbus UpNext они тестируют всё: от передовых конструкций крыла до вспомогательных систем для самолётов, стремясь повысить топливную эффективность и управляемость конструкции как новых, так и существующих самолётов.

Delta принимает активное участие в инженерных процессах Airbus, участвуя в испытаниях и получая непрерывную обратную связь по вопросам проектирования.

В то же время Delta сотрудничает с JetZero, чтобы вывести на рынок принципиально новый планер самолёта. Новая конструкция представляет собой конструкцию со смешанным крылом и фюзеляжем (BWB), которая потенциально способна сократить расход топлива до 50%. Важно отметить, что эти BWB-конструкции используют современные двигатели — доказательство того, что для достижения улучшений не всегда требуется серьёзная модернизация силовой установки.

От наследия к взлету: выход за рамки традиционного дизайна

Большинство устаревших конструкций самолётов не были разработаны с учётом современных требований к стоимости топлива и выбросам. Самолёты вчера были оптимизированы для массового производства, но сегодня конструкция планера радикально переосмысливается.

В модели BWB от JetZero узкий трубчатый фюзеляж заменен широкофюзеляжной рамой, интегрированной непосредственно в крылья. Эта конструкция использует существующие двигатели и инфраструктуру аэропортов, обеспечивая при этом большую подъёмную силу, меньшее сопротивление и равномерное распределение веса.

Тем временем компания Airbus запустила проект «eXtra Performance Wing» для исследования новых крыльев с изменяемой формой, способных изменять форму в полёте для достижения максимальной аэродинамической эффективности. Поведение птиц в полёте послужило источником вдохновения для создания этих новых крыльев с высокими эксплуатационными характеристиками, сконструированных таким образом, чтобы динамически реагировать на условия воздушного потока.

В обоих примерах прорывы обусловлены не новыми материалами или двигательными системами, а свежим взглядом на то, что могут и должны делать детали.

Аддитивное производство меняет правила игры в производстве деталей

Теоретически аддитивное производство (АП) позволяет инженерам печатать практически всё, сокращая отходы, отказываясь от оснастки и ускоряя итерации. На практике Boeing уже напечатал более 70 000 деталей для своих самолётов с использованием АП, некоторые из которых уже летают, обладая лучшим соотношением прочности и веса, чем их аналоги, изготовленные методом механической обработки.

Эта технология предлагает преимущества, выходящие далеко за рамки веса и стоимости. Аддитивные технологии открывают новые возможности для функциональности конструкции, например, для создания сложных геометрических форм, таких как решетчатые конструкции, полые внутренние поверхности и внутренние каналы охлаждения, которые раньше считались невозможными при традиционной обработке. С аддитивным производством это стало реальностью. Эти инновации способствуют улучшению тепловых характеристик, гашения вибраций и усталостной долговечности, особенно в суровых условиях полета.

Яркий пример — напечатанные воздуховоды системы кондиционирования воздуха Boeing. Инженеры переработали внутреннюю структуру с помощью 3D-печати, что позволило сократить общее количество деталей с нескольких десятков до одной, сократить трудозатраты на сборку, снизить вес и повысить эффективность воздушного потока.

Широко распространенное аддитивное производство дает сегодняшним командам проектировщиков свободу переосмысления возможностей.

Аддитивные и гибридные технологии: рост многопроцессного производства деталей

Хотя аддитивное производство открыло широкие возможности для создания изделий сложной геометрии, оно не всегда является окончательным решением. Производители всё чаще сочетают аддитивные процессы с субтрактивными технологиями, такими как обработка на станках с ЧПУ, для достижения жёстких допусков, более гладкой поверхности или усиления конструкции.

Этот гибридный подход, иногда называемый «аддитивно-субтрактивным производством», применяется в деталях, которым требуются внутренние решётчатые структуры для снижения веса, но также требуется обработка поверхностей для болтовых соединений или стыковки с устаревшими компонентами. Эта модель обеспечивает гибкость проектирования.иточность посадки.

Boeing и другие производители оригинального оборудования уже инвестируют в гибридные станки, которые переключаются между лазерной наплавкой и фрезерованием в одной установке, что позволяет снизить процент брака и ускорить итерацию ранее неизготавливаемых деталей.

Команды разработчиков аэрокосмической техники, использующие гибридные методы, могут использовать производство как плацдарм для еще более смелых идей.

Роль моделирования в проектировании деталей нового поколения

Разработка более интеллектуальных деталей начинается с программного обеспечения для моделирования. Руководители аэрокосмической отрасли активно используют инструменты моделирования для виртуального стресс-тестирования деталей перед их запуском в производство. Эти цифровые оценки, будь то термические напряжения, гидродинамика или усталость с течением времени, дают инженерам больше возможностей для раннего выявления отказов, ускорения итераций и исключения дорогостоящих этапов физического прототипирования.

Такие компании, как Boeing и Airbus, уже используют инструменты Siemens NX, Ansys и Dassault Systèmes для проверки новых деталей, прогнозирования усталости материалов и моделирования производительности всей системы. Для сложных деталей, изготовленных методом аддитивного производства, такое моделирование критически важно. Команда Boeing, занимающаяся аддитивными технологиями, использует моделирование для тестирования деталей с оптимизированной топологией (высокоэффективной геометрией с уменьшенным весом), которые невозможно оценить с помощью традиционных методов.

Эти инструменты также необходимы для масштабирования. По мере усложнения деталей моделирование снижает необходимость в многочисленных дорогостоящих сборках и физических испытаниях, ускоряя и удешевляя внедрение инноваций без ущерба для безопасности и стандартов сертификации.

Экономичный, гибкий и проверенный в полете

Инновационная конструкция детали имеет смысл только при условии её масштабирования. Именно здесь современные команды разработчиков сочетают гибкую разработку, валидацию на основе моделирования и реальные циклы обратной связи для безопасного ускорения циклов.

Сотрудничество Delta и Airbus включает в себя лётные испытания технологии «fello’fly» — техники, имитирующей V-образное построение перелётных гусей. Ведущий самолёт создаёт восходящий поток воздуха, который может использовать замыкающий самолёт, чтобы уменьшить сопротивление и сэкономить топливо. Эта аэродинамическая оптимизация стала возможной благодаря тщательному проектированию систем и обширному моделированию ещё до начала испытательных полётов.

Тем временем такие компании, как JetZero, внедряют принципы бережливого производства во все процессы проектирования самолётов. Сосредоточившись на меньшем количестве многофункциональных деталей и создаваяцифровые близнецысвоих самолетов на ранних этапах они могут быстрее выполнять итерации и более тесно сотрудничать с такими партнерами, как Delta и ВВС США.

Такой подход — быстрое проектирование, частое тестирование и отработка отказов — все чаще становится стандартом в передовых аэрокосмических программах.

Межотраслевое вдохновение: заимствования из автомобильной и оборонной промышленности

Авиакосмическая отрасль, возможно, и расширяет границы в области полётов, но некоторые из её самых продуманных стратегий проектирования компонентов исходят из других областей. Опыт автомобильной и оборонной промышленности, давних пионеров в области лёгкости, модульности и проектирования с учётом производственных процессов, теперь проникает и в авиацию.

Например, использование программного обеспечения для генеративного проектирования в автомобильной промышленности проложило путь к созданию деталей для самолетов, в которых приоритет отдается эффективности материалов. Напечатанный на 3D-принтере кронштейн ремня безопасности GM — одна деталь, заменившая восемь компонентов, — концептуально аналогичен тому, как Boeing сократил десятки деталей воздуховода до одной детали, изготовленной методом AM.

Между тем, долгая история модульного вооружения и беспилотных систем в оборонном секторе вдохновила на переосмысление интерьеров самолётов и протоколов технического обслуживания. Исследования Airbus в области модульных грузовых и пассажирских зон напрямую заимствованы из оборонного проектирования, где требуется быстрая переконфигурация задач.

Эти кроссоверные стратегии показывают, что инновации в проектировании деталей не обязательно изобретать с нуля. Иногда преимущество достигается за счёт адаптации того, что уже проверено в условиях высоких рисков.

Как обеспечить будущее вашему процессу проектирования деталей

Чтобы модернизировать свой подход, не обязательно быть Airbus или Delta. Достаточно просто использовать комплексный подход к проектированию. Самые прогрессивные команды в аэрокосмической отрасли с самого начала рассматривают проектирование, испытания, производство и устойчивое развитие как единое целое.

Это означает:

Человеческий фактор: как операторы и специалисты по обслуживанию формируют дизайн

Самые интеллектуальные конструкции деталей в авиации отличаются аэродинамикой, экономичностью и учитывают потребности человека. Производители всё чаще при проектировании компонентов учитывают потребности ремонтников, пилотов и операторов, поскольку даже самая передовая деталь выходит из строя, если её слишком сложно использовать или ремонтировать в реальных условиях.

Инженеры подразделения TechOps компании Delta тесно сотрудничали с партнёрами-проектировщиками, чтобы сократить количество крепёжных элементов и упростить точки доступа к критически важным системам. Незначительное на первый взгляд изменение, например, изменение положения защёлки или добавление визуальных индикаторов, может сэкономить тысячи рабочих часов в год для всего парка транспортных средств.

Пилоты тоже влияют на дизайн. Внедрение Airbus боковых ручек управления и индикаторов на лобовом стекле стало результатом обратной связи с кабиной, направленной на снижение когнитивной нагрузки и улучшение времени реакции в стрессовых ситуациях.

По мере того, как салоны становятся всё более модульными и технологичными, к сотрудникам авиакомпаний всё чаще обращаются за консультациями по вопросам пользовательского опыта. Участие Delta в планировке интерьера JetZero было связано не только с эстетикой. Благодаря вкладу сотрудников, обслуживающий персонал мог эффективно пользоваться хранилищами, оказывать помощь пассажирам с ограниченной подвижностью и безопасно передвигаться по самолётам.

Компании, которые взаимодействуют со своими конечными пользователями, выходят за рамки теоретических характеристик и проектируют решения, учитывающие реальные условия. Эта обратная связь, которую часто упускают из виду, часто становится решающим конкурентным преимуществом.

Проектирование альтернативных двигателей

Переход на водород, электроэнергию и экологически чистое авиационное топливо (SAF) меняет то, что проектировщикам следует планировать с первого дня.

Например, водородные двигатели требуют криогенного хранения и изоляции под высоким давлением. Это меняет всё: от центра тяжести до места расположения элементов усиления конструкции. Программа Airbus ZEROe, включающая в себя коммерческий самолёт на водородном топливе, стимулировала инновации на ранних этапах проектирования деталей — от тепловой защиты до материалов, устойчивых к разрушению при интенсивных циклах охлаждения.

Электросамолёты влекут за собой различные компромиссы. Аккумуляторы тяжёлые и подвержены перегреву, поэтому необходимы более лёгкие компоненты и более продуманная конструкция воздушного потока. Требования к терморегулированию и резервированию также заставляют конструкторов переосмысливать традиционное расположение двигателей, воздуховодов и даже оборудования салона.

В целом, проектирование более экологичных двигателей подразумевает перепроектирование всего, что их окружает, и это начинается на уровне деталей.

Вывод для конкурентоспособных производителей

Если вы все еще рассматриваете проектирование детали как фиксированный этап линейного процесса, у вас есть прекрасная возможность переосмыслить весь жизненный цикл вашего продукта, сократить расходы, ускорить разработку и создать с нуля более устойчивые, готовые к будущему самолеты.

Boeing разрабатывает детали, которые не могли существовать пять лет назад. Airbus использует летящих гусей в качестве модели для повышения эффективности маршрутов. А JetZero переосмысливает понятие самолёта.являетсяЭто не второстепенные проекты, а основной результат, который стал возможен благодаря кросс-функциональной культуре, ориентированной на моделирование и ставящей безопасность и устойчивое развитие на первое место.

Будущее авиации строится на деталях. Старые методы дают сбои. Новые конструкции, отточенные с помощью передовых инструментов и опыта, полученного в ходе тяжёлых испытаний, обеспечивают конкурентное преимущество. Именно так самолёты выдержат испытание: экономичные, эффективные и готовые к бою.

Готовы ли вы строить что-то новое?Закажите быстрый разговор;давайте поговорим сегодня.

Ресурсы:

Анналы CIRP

Новости Дельта

Новости Дельта

Боинг IQ

Центр инноваций Airbus

Airbus ZEROe