先進航空機設計：パート2 - 効率的モデリングで広がる地平線

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投稿日：2020年12月25日 | 執筆：WayKenラピッドマニュファクチャリング

現代のエンジニアリング意思決定者は、この段階での過剰な計算能力の使用を無駄で時間の浪費と見なしています。近似を含む技術の採用ははるかに効率的で、パラメトリックモデリングの実行に必要な時間を短縮します。このような技術には、支配的な偏微分方程式の物理学を維持しながらシステムの数学的複雑さを軽減する次数縮約モデリングが含まれます。

初期分析が実施された後、結果が最適化のための設計変更を指示する反復手順が始まります。この手順は概念設計フェーズと予備設計フェーズの連結部です。詳細はインダストリアルデザイン試作をご覧ください。

有名なHoweモデルのプロジェクト合成プロセスの要約版を見てみましょう。

• 実現可能性調査の延長と見なされますが、より詳細で複雑な関与があります。
• このプロセスの最初の段階は、1つ以上の配置の選択です。
• 第2段階は飛行領域と動力装置の選択として知られます。この段階では、与えられた運用条件（マッハ数など）に対して、動力装置タイプ（ターボプロップ、ピストンプロップ、ターボファン、低バイパスターボファン、ターボジェット、ラムジェットなど）が絞り込まれます。
• 次の段階は胴体レイアウトの選択に関するものです。ペイロードの詳細がこの段階の推進力になることが多く、航空機質量の最初の予測の良い出発点となります。
• 次に翼配置が来ます。多数のパラメータが関与する空気力学研究室での複雑な手順です。予備設計プロセスの基本的なフェーズです。揚力、抗力、航空機質量の初期推定につながり、連続分析実施後の翼面荷重推定計算にも役立ちます。翼面荷重推定は、様々な飛行条件に対して経験的データに合わせて調整された理論方程式に基づいて実施されます。また、推力重量比の大まかな推定にも役立ちます。
• 最後にパラメトリック分析段階が始まります。第1段階では翼と胴体の寸法を組み合わせ、各飛行フェーズの結果セットを生成します。これにより設計空間が形成されます。第2段階のパラメトリック分析のために、適切な翼面荷重と推力重量比のセットが選択されます。
• パラメトリック分析の第2段階では、選択されたデータセットを取り込み、全体の航空機質量を計算します。最適な質量値を提供するセットが、詳細分析と評価のためのレフェリー設計の作成に使用されます。
• レフェリー設計が評価され、以下が提供されます：
  • 制御面の推定サイズ
  • 着陸装置レイアウトの完成支援
  • 揚力、抗力、質量値のより良い推定
  • 調整された入力データと複雑な推定手法に基づく性能特性の改訂計算
  • 質量収束基準が満たされるまで手順を繰り返し
• この設計フェーズの終わりに、グラフィカルまたは数学的手法を使用して重要な設計領域を特定する感度設計研究が実施されます。さらに、油圧、電気、消火、防氷、空気圧システムの設計など、他の活動も同時に進行しています。

次のフェーズ、すなわち詳細設計フェーズでは、設計が完全に定義され、試作製造業者からテスト用スケールモデルが注文され、組立設計（DFA）と製造設計（DFM）に基づく最終図面が、実際のトポロジー、幾何学、寸法、公差、材料仕様とともに作成されます。これについては次のセクションで詳しく説明します。

詳細設計

この段階の焦点は、主に前フェーズで概説された設計手順の検証を得ることです。これは設計プロセス全体で最も広範なフェーズです。各部品の最終設計、試作、テストに焦点を当てます。予備設計フェーズから取得したデータに基づき、このフェーズではコンピュータ支援設計（CAD）とコンピュータ支援製造（CAM）パッケージを使用して設計活動をサポートします。

考慮される3つの要因は、性能、製造コスト、必要時間、運用効率です。包括的な結果を得るために、地上試験と飛行試験の2種類の試験手順が関与します。それぞれの詳細を見てみましょう。

• 地上試験： CFDパッケージからの結果を検証する風洞試験、構造試験、アビオニクス評価、システムチェックが含まれます。ここで試作が活躍します。初期テスト用のスケール部品を試作することは、コストと貴重な時間を節約する鍵です。優れた試作サービスプロバイダーは、あなたの側から必要な材料仕様で構造を製造するために適切な専門知識を使用します。試作を使用して強度、剛性、フラッター、弾性安定性、その他のシステムパラメータを分析できます。静的荷重、動的荷重、振動モード解析、フラッター解析は実施すべき主要なテストです。スケール航空機部品には、ステレオリソグラフィ3Dプリントが、概説設計と実験結果の包括的評価に必要な精度を提供します。
• 飛行試験： 実際の航空機の性能と飛行特性を検証する認証機関の関与です。これらの機関は耐空性当局として知られています。連邦航空規則耐空性基準に概説された事前設定された設計と安全要件に基づいて航空機設計を評価します。以下の表はすべての耐空性基準とそれぞれの用途を包括的に示しています。

最も注目すべき基準には、最大離陸重量（MTOW）12,500ポンド未満、乗客定員9名以下の通常、ユーティリティ、曲技用航空機に適用されるFAR Part 23があります。また、MTOW 19,000ポンド以下、乗客定員19名以下のコミューター機の基準も定めています。

エアバスA320やボーイング737のような商業輸送カテゴリ航空機には、FAR Part 25が必要な基準を定めています。Part 25にはA、B、C、D、E、Fの様々なサブパートがあり、商業輸送機の様々なシステムとサブシステムの基準を定めています。

同様に、回転翼航空機（一般的にヘリコプターとして知られる）には、通常カテゴリと輸送カテゴリそれぞれでFAR Part 27と29が基準を定めています。耐空性認証を取得した後、設計サイクルは実質的に終了し、この段階でライフサイクルコストの95%が発生します。その後、大量製造段階が続きます。

航空機設計プロセスの総括

この航空機設計サイクルの詳細なレビューは非常に複雑に見えるかもしれません。しかし、段階的なアプローチ、批判的思考に基づく成熟した意思決定、賢明な意思決定により、航空機の設計サイクルは達成可能な偉業です。コストと時間の両面で賭けが高い現代では、試作の使用は必要なときと場所で不可欠です。なぜなら、航空機設計の成功は設計アイデアの包括的な検証に完全に依存しているからです。しかし、航空分野での正しい試作製造業者のサービスを利用することは本当に重要です。試作の精度が非常に重要だからです。設計サイクルのどの段階でショートカットを取っても、最近のボーイング737 MAXのケースのように、後で破壊的な結果を招くことになります。