Design de Aeronaves (Parte 1): Pioneirismo em Engenharia Aeroespacial

Entre as majors de engenharia mais difíceis globalmente, engenharia aeroespacial e aeronáutica provavelmente encabeçam as listas. Qualquer engenheiro lendo este artigo pode estar familiarizado com os ciclos de design usuais envolvidos no design de qualquer produto, mas é o nível de complexidade exigido no campo da aviação que o torna tão desafiador.

O design moderno de aeronaves enfrenta desafios operacionais, ambientais e financeiros rigorosos. Uma mudança massiva de paradigma está sendo notada em como sistemas complexos são projetados e como evitar falhas de design como no caso do último Boeing 737 Max. Neste artigo, discutiremos o fluxo de um ciclo de design de aeronave moderno e instâncias onde usar os serviços de um fabricante de protótipos para testes em escala pode salvar o dia.

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Ciclo de Design de uma Aeronave Moderna

Todo designer lendo este artigo pode estar familiarizado com as três fases básicas de design: Conceitual, Preliminar e Design Detalhado. No entanto, competição feroz entre players do mercado com altas expectativas dos clientes significa que uma empresa tem que inovar notavelmente nas fases de design para atender critérios diversos. Vamos discutir o ciclo de design de uma aeronave baseado no custo do ciclo de vida com auxílio do diagrama a seguir.

Como você pode ver, as primeiras três fases antes da etapa de fabricação somam 95% do custo total. Entre as três fases iniciais, a mais importante é a Fase 1, ou seja, Planejamento e Design Conceitual. Portanto, vamos focar na primeira fase em detalhes seguida pelas outras duas.

Planejamento e Design Conceitual

A etapa inicial é marcada por um estudo de viabilidade que determina se um requisito pode ser atendido com tecnologia existente ou não. Além disso, o estudo de viabilidade também ajuda a otimizar o caminho para um projeto, ou seja, redesign completo, que significa o maior risco e custo, ou adoção/modificação de design existente. Após isso, a fase de design conceitual começa. Qualquer designer de aeronaves conhece muito bem os modelos Raymer e Roskam e, como eles delineiam, a fase de design conceitual envolve responder às seguintes perguntas básicas:

• Vai funcionar?
• Como é a aparência?
• Quais são os requisitos?
• Como otimizar os trade-offs?
• Como otimizar peso e custos?

O objetivo final da fase de design conceitual é identificar e preparar um conceito de design viável e ótimo para refinamento adicional. Esta fase, portanto, envolve criar, estudar e examinar vários conceitos de design, todos com conhecimento mínimo de resultados experimentais e dados limitados sobre a praticidade do design. O gráfico abaixo deste parágrafo representa a maior gama de incerteza durante as etapas conceituais em comparação com as etapas avançadas. Adicionando a isso, 65 por cento do custo do ciclo de vida incorrendo durante esta etapa significa que qualquer mudança no design básico, mais tarde, significa uma redução nas receitas globais e extensão nos prazos.

O dilema comumente enfrentado na fase de design conceitual é o início de um programa de design sem delinear claramente um conjunto de requisitos a serem atendidos. Delimitar requisitos de mercado e fazer os clientes tornarem suas expectativas explicitamente conhecidas é tão importante. Refinar requisitos em um estágio posterior resulta em uma abordagem antieconômica e ineficiente e tal ciclo de design tem implicações severas nos custos do ciclo de vida incorridos. No caso de um design de aeronave, existem múltiplos conjuntos de requisitos e expectativas frequentemente conflitantes estabelecidos pelos clientes. Um conjunto diverso e complexo de sistemas de aeronaves baseados em várias partes de uma aeronave, como asas, motor, fuselagem, trem de pouso, cauda e canard, significam múltiplos desafios.

Lidar com isso é uma arte por direito próprio e é por isso que tais decisões são facilitadas usando técnicas como Tomada de Decisão Multi-Atributo (MADM). Com o auxílio de tais técnicas, considerações implícitas são trazidas para o jogo, e a tomada de decisão passa de uma abordagem determinística de ponto único para uma abordagem dinâmica e paramétrica. Além disso, técnicas como Análise Multidisciplinar e Otimização de Design são vitais para atender conjuntos de restrições emaranhados em tal ambiente. Esta técnica foi delineada no diagrama a seguir que representa as interações entre várias majors aeronáuticas.

Quanto à incerteza na fase de design conceitual delineada anteriormente, métodos estabelecidos são baseados em teorias probabilísticas e métodos de design. Estes métodos envolvem o uso de Funções de Densidade de Probabilidade (PDFs) e Funções de Distribuição Acumulada (CDFs) para cada restrição de design. Os dados para várias restrições de design são então plotados e analisados coletivamente. Esses dados cumulativos dão ao designer uma visão clara da região de design e se ele ou ela precisa relaxar qualquer restrição ou introduzir qualquer tecnologia para a melhoria geral do ciclo de design.

Em suma, o designer cria uma relação entre variáveis de entrada e saída mantendo em vista a variabilidade dos fatores de entrada.

Design Preliminar

Esta etapa é monumentalmente crítica para dimensionar os vários fatores de design para o conceito finalizado na primeira fase. Isso requer estudo e análise aprofundados das interações interdisciplinares entre os vários sistemas e subsistemas de uma aeronave. Por exemplo, o conceito de aeroelasticidade é a combinação de mecânica estrutural e aerodinâmica.

Na era moderna de engenharia de hoje, a fase de design preliminar também inclui considerações como confiabilidade, manutenibilidade, estabilidade e controle, segurança e economia. Agora discutiremos em maior detalhe os desafios que estão nesta fase de design e a maneira ótima de enfrentá-los.

Modelagem sofisticada, complexa e precisa requer o uso de algoritmos numéricos avançados, como Dinâmica de Fluidos Computacional e Análise de Elementos Finitos. No entanto, custos computacionais excepcionalmente altos significam outro desafio para os designers. O diagrama a seguir representa figurativamente o trade-off envolvido na escolha de ferramentas de alta fidelidade vs uso de simulações simples.

Mover-se em direção a ferramentas complexas e de alta fidelidade não só significa custos computacionais mais altos, mas também há o desafio de lidar com várias variáveis, frequentemente chegando a centenas, e sua interdependência também. Assim, tempo significativo é gasto identificando e mapeando o ambiente de simulação. (A história não acaba aqui!!!)

Se você ainda está interessado no conteúdo, por favor leia Design de Aeronaves (Parte 2): Expandindo Horizontes. Obrigado.