È simile agli aerei militari. In un campo maturo diventa sempre più difficile creare qualcosa che sia chiaramente migliore di quello che abbiamo già.

Poiché ogni nuovo sviluppo costa così tanto, le conseguenze del fallimento sono immense. Pertanto, la direzione cercherà di ridurre il rischio di guasto, il che aumenta nuovamente i costi e i tempi di sviluppo. È una spirale che si autoalimenta.

Aggiungete a ciò il fatto che ora abbiamo solo due grandi produttori di aeromobili civili, entrambi fortemente sostenuti dai rispettivi governi e troppo grandi per fallire. Ciò crea un'interferenza politica che rende le decisioni importanti ancora più complesse e preclude decisioni coraggiose e rischiose. Solo l'opzione più sicura * verrà scelta dopo anni e anni di discussioni.

E mi rifiuto di credere che non sappiamo ancora abbastanza in aerodinamica o scienza dei materiali. Quando un test alare lascia che l'ala si rompa con un fattore di carico di 1,54 (dove 1,5 è l'obiettivo) al primo tentativo, siamo già abbastanza bravi. Lo stesso per le prestazioni: i nuovi modelli raggiungono il consumo di carburante previsto entro il 2%! E per quanto riguarda i numerosi sottosistemi: COTS. Ovviamente, se insisti nel reinventare di nuovo la ruota per un nuovo aereo di linea, allora quei 10 anni sono accettabili.

* "Sicuro" significa quello che promette il bonus più alto alla direzione per l'epoca mantengono la loro posizione e con il loro stato attuale di conoscenza incompleta. Purtroppo, l'ethos di aziende come Newport News Shipbuilding, il cui motto era: "Costruiremo buone navi qui - con un profitto se possiamo, in perdita se dobbiamo, ma sempre buone navi". è stato perso nella cultura dell'MBA di Harvard con la sua attenzione ai risultati a breve termine.

Ci sono molti fattori inevitabili che contribuiscono al lungo sviluppo di aeromobili:

• Lo sviluppo di aeromobili coinvolge una grande varietà di sottosistemi. Gli esempi includono: le superfici aerodinamiche , la struttura meccanica (i primi due sono fisicamente uguali), propulsione, sistemi elettrici, sistemi idraulici, avionica, carrello di atterraggio, cabina passeggeri, gestione dell'aria in cabina, stiva, sistemi di emergenza, sbrinamento, operazioni, personale, addestramento dei piloti , costruzione di un simulatore di volo dedicato, produzione, catena di fornitura, progettazione per la manutenzione e il riciclaggio, scrittura di manuali operativi e di manutenzione, ecc.

• Tutti i sistemi di aeromobili sono altamente accoppiati . Se cambi un componente, ha effetto sull'intero aereo. Ciò è particolarmente vero per l'aerodinamica, la massa totale, il centro di gravità e il consumo di carburante.

• Tutto è progettato vicino al limite. Mentre la maggior parte dei componenti di macchine di fabbrica, trattori e simili possono essere progettati con enormi fattori di sicurezza, tutti i componenti dei velivoli sono in genere altrettanto resistenti, rigidi, grandi, ... quanto devono essere. I fattori di sicurezza tipici sono solo 1,5 volte o 2 volte le peggiori condizioni operative previste. Con fattori di sicurezza più elevati, l'aereo probabilmente non volerebbe e sicuramente non potresti competere con altre compagnie.

• L'effetto valanga. Se durante le fasi successive della progettazione un qualsiasi piccolo componente necessita di più potenza o massa o ha una resistenza maggiore di quella considerata nel progetto preliminare, quell'effetto si moltiplica. Un esempio: le forze su una superficie di controllo della coda sono maggiori del previsto. Quindi hai bisogno di un cilindro più grande per spostarlo. Ciò aggiunge peso e sposta il centro di gravità all'indietro. Per continuare a volare con quel poco peso in più, hai bisogno di più carburante. Ma questo significa che hai bisogno di un serbatoio extra. Vuoi metterlo nella parte anteriore dell'aereo per spostare il centro di gravità indietro dove deve essere, ma poi hai bisogno di un tubo extra e una pompa del carburante che va a quel serbatoio. Tutto ciò aggiunge ancora più peso. E presto sei troppo vicino alla barriera del suono che volare più velocemente non lo risolverà, quindi hai bisogno di ali più grandi. Eccetera.

• Iterazioni. A causa dei tre punti precedenti, i progettisti saranno spesso costretti a riconsiderare le decisioni precedenti ea rifare parti di lo sforzo di progettazione. Se ciò accade troppo spesso, l'aereo non viene mai fatto. Pertanto durante la progettazione preliminare i progettisti di aeromobili prestano molta attenzione a stimare correttamente ciò che è possibile in termini di parametri di progettazione globali (budget di peso, budget di carburante, forma dell'ala, posizione dell'ala, numero del motore, posizione del motore, spinta del motore, ecc.) E lo stesso vale per i parametri principali di qualsiasi sottosistema durante la progettazione preliminare del sottosistema. Ciò riduce la necessità di iterazioni ma svolgono ancora un ruolo importante nello sviluppo dei velivoli. Molte sequenze di progettazione individuali devono essere ripetute fino alla progettazione finale di ogni sottosistema.

• L'aerodinamica è poco conosciuta. Ciò è particolarmente vero quanto più ci si avvicina alla barriera del suono (gli aerei di linea si avvicinano) e nello strato limite (e sono tutte le molecole d'aria nel vicinanza dell'aereo; tutte le equazioni aerodinamiche con cui lavoriamo operano fondamentalmente sull'aereo più lo strato limite, di cui non conosciamo la forma). Quindi progettare per l'aerodinamica è un'ipotesi. E l'unica volta che puoi effettivamente verificare se il tuo design aerodinamico ha le proprietà richieste è quando fai i test di volo. Ci vuole molto tempo durante la progettazione per aumentare le possibilità che i test di volo vadano bene. Vedi il paragrafo sulla modellazione.

• Conosciamo ancora meno la scienza dei materiali. Per l'aerodinamica abbiamo equazioni differenziali parziali derivate dalla fisica fondamentale che modellano il flusso d'aria abbastanza accuratamente. Semplicemente non sappiamo come risolverli. Ma non ci sono modi remotamente precisi per modellare le modalità di guasto dell'alluminio (o di qualsiasi altro materiale) sulla base delle sole leggi fisiche o chimiche fondamentali. Inoltre, i progetti di aeromobili moderni incorporano sempre più materiali compositi che sono ancora più difficili da modellare. Quindi sono ancora più tentativi ed errori.

• Aeroelasticità. Queste sono le interazioni dinamiche tra aerodinamica e meccanica dei materiali. Queste interazioni possono far vibrare l'ala così forte da rompersi. Questo campo è particolarmente difficile da capire perché abbiamo già un periodo così difficile con l'aerodinamica e i materiali. Eppure dobbiamo progettare per questo, il che implica un sacco di modellazione e test.

• La maggior parte degli aspetti della progettazione degli aeromobili richiede più fasi di modellazione. A causa della nostra limitata comprensione non possiamo semplicemente andare avanti, fare alcune ipotesi, costruire l'uccello e sperare che voli. Potrebbe uccidere il nostro pilota collaudatore. E dovremmo ricominciare da capo. Quindi creiamo molti modelli di realtà. Ad esempio, per la progettazione delle ali iniziamo con calcoli precisi, quindi costruiamo modelli aerodinamici al computer per restringere le nostre opzioni, quindi mettiamo alcuni semplici modelli di ali nella galleria del vento e vediamo come si comportano. Quindi ripetiamo questi processi con alette e alette aggiunti all'ala. Successivamente eseguiamo il test di combattimento che è anche solo un modello dell'infinita quantità di condizioni operative possibili. Per controllare molti dei componenti meccanici (piccoli e grandi) progetteremo configurazioni di prova per capire come si deformano e quando si rompono. Questo video mostra come appare per un'ala intera. Realizziamo modelli per tutti i sottosistemi menzionati nel primo punto. Tutta questa modellazione richiede molto tempo e risorse. Ad esempio, diversi aerei completi devono essere costruiti per l'ultima fase della modellazione, i test di volo effettivi. Ci vuole molto impegno per progettare quei modelli in modo tale da modellare la realtà il più fedelmente possibile. Soprattutto i modelli di computer sono spesso lontani. Quindi, oltre a tutti gli sforzi per creare, convalidare ed eseguire modelli, sono necessarie iterazioni quando un modello si rivela sbagliato.

• I produttori devono dimostrarlo l'aereo non cadrà dal cielo. Ciò richiede molti documenti, analisi e test. E trattare con l'autorità aeronautica responsabile (la FAA negli Stati Uniti) non è sempre veloce.

• La gestione di tutte le persone coinvolte si traduce inevitabilmente in ritardi. A causa di tutte le complessità sopra menzionate, migliaia di persone sono coinvolte nello sviluppo di un nuovo aereo di linea. E non lavorano solo presso il produttore di aerei. Molti sottosistemi sono progettati da altre società. E hanno anche dei fornitori. Gestire tutte le persone e le aziende coinvolte non può essere sempre perfettamente efficiente.

• Vincoli non tecnici Tutti i problemi tecnici sopra menzionati significano già che ci vuole almeno un decennio per far decollare un nuovo aereo di linea. Ritardi aggiuntivi spesso derivano da sfortuna, politica, mancanza di finanziamenti, mancanza di ingegneri esperti, mancanza di urgenza, errori di gestione e incompetenza a qualsiasi livello.

Se questa descrizione suona circolare, è perché lo è. Nello sviluppo di aeromobili è facile finire in tondo se l'ingegneria dei sistemi non viene eseguita molto bene.

Quando un programma aereo è stato annunciato al mondo, avrebbe già avuto alcuni anni di sviluppo concettuale con un team di una dozzina di persone. Gli obiettivi aziendali / di mercato, le dimensioni e il layout di base, gli obiettivi di prestazioni e peso e le decisioni di progettazione critiche che definiscono l'aereo sarebbero stati presi. Sarebbero stati eseguiti almeno uno o due test in galleria del vento.

I prossimi 2 anni saranno la progettazione preliminare, concentrandosi sulla finalizzazione dei principali requisiti dei sistemi di aeromobili, sulla progettazione della linea del modello esterno, sul dimensionamento della superficie di controllo e sulla selezione dei fornitori di livello 1. In questa fase verranno eseguiti molti test in galleria del vento e il progetto procede in modo iterativo fino a quando i circuiti non vengono chiusi attorno a tutte le principali discipline. A questo punto, il team originale di una dozzina di ingegneri sarà arrivato a centinaia di persone.

I prossimi 2-3 anni sarebbero stati una progettazione dettagliata, ripetuta tra i produttori di aeromobili e i fornitori per garantire che i requisiti possano essere soddisfatti / sono soddisfatte e i nodi sono risolti. A un certo punto inizierà anche la produzione di più prototipi di veicoli per prove di volo (FTV). Molte simulazioni di pilot-in-the-loop stanno procedendo dietro le quinte per mettere a punto i sistemi di controllo del volo, l'avionica e lavorare verso la sicurezza del volo per il primo volo.

Questo è seguito da 1-2 anni di test di volo di sviluppo e certificazione. I test di volo di sviluppo garantiscono che il velivolo e i sistemi si comportino in modo soddisfacente e per certificazione, e le cose sono regolate se non lo fanno. Per condensare i programmi dei test di volo, ogni veicolo di test di volo sarà relegato in aree particolari: ad esempio, uno per aerodinamica / prestazioni / controlli, un altro per pneumatica / idraulica / elettrica, ecc. Una volta completata la messa a punto, inizia la prova di volo di certificazione con l'equipaggio di volo dell'agenzia di regolamentazione a bordo.

Se tutto va bene, l'aereo ottiene la certificazione del tipo dell'agenzia principale e l'entrata in servizio segue subito dopo.

Quanto sopra è un programma di sviluppo abbastanza roseo. Eventuali problemi di progettazione importanti scoperti lungo il percorso (più avanti nel programma, peggiore è l'impatto) potrebbero facilmente allungare la pianificazione di anni, aggiungendo miliardi al costo di sviluppo. Esempi: certificabilità del sistema elettrico in A380, problemi di produzione e integrazione con B787, legge di controllo ed esplosione del motore in A220, problemi di fabbricazione e aumento del peso in Lear 85 (che ha finito per uccidere il programma).

Gli aerei sono macchine complesse. Un Boeing 747 è composto da ~ 6 milioni di parti, che devono essere tutte progettate, testate e certificate.

Confronta questo con le auto, che hanno circa 10.000 parti. Lo sviluppo di una nuova auto richiede 2-3 anni.

Anche gli aeromobili operano in prossimità dello stato dell'arte (ovvero utilizzando i materiali, le tecniche di progettazione e i metodi di costruzione più avanzati disponibili). Per creare un design notevolmente migliore del suo predecessore, potrebbe essere necessario far avanzare lo stato dell'arte, il che significa che il processo di progettazione inizia con una ricerca fondamentale. Quindi la ricerca deve essere pronta per la produzione, i nuovi prodotti devono essere testati per assicurarsi che siano sicuri da usare, ecc.

Test e certificazione sono un'impresa enorme. Per ognuno di quei 6 milioni di componenti, devi avere una traccia cartacea che dimostri che è stato progettato, realizzato e assemblato correttamente. È necessario eseguire test su larga scala (ad esempio test di fatica accelerata in cui un'intera cellula viene inserita all'interno di un impianto idraulico per simulare i carichi di volo) che possono richiedere mesi per essere completati.

Poi ci sono gli strumenti. Per molte di queste 6 milioni di parti, sono necessari strumenti e maschere personalizzati in modo da poter produrre le parti in modo ripetibile e affidabile. È necessario sviluppare il processo di produzione.

Ho trovato questo articolo di Wikipedia molto utile per rispondere alla tua domanda

Il processo di progettazione del velivolo è un metodo vagamente definito utilizzato per bilanciare molti requisiti competitivi ed esigenti da produrre un aeromobile che sia robusto, leggero, economico e in grado di trasportare un carico utile adeguato pur essendo sufficientemente affidabile per volare in sicurezza per la vita di progetto dell'aeromobile. Simile al normale processo di progettazione ingegneristica, ma più esigente, la tecnica è altamente iterativa e comporta compromessi di configurazione di alto livello, un misto di analisi e test e l'esame dettagliato dell'adeguatezza di ogni parte della struttura. Per alcuni tipi di aeromobili, il processo di progettazione è regolato dalle autorità nazionali di aeronavigabilità.

Non ci vogliono dieci anni per sviluppare da zero un nuovo aereo passeggeri. Due anni sono abbastanza lunghi.

Il problema con Boeing è che hanno sprecato la parte migliore di 10 o 20 anni a scherzare con idee (ad esempio il Sonic Cruiser) a cui nessun cliente era interessato e che Il management di alto livello di Boeing non poteva scegliere tra creare un derivato di uno dei loro prodotti esistenti o progettare qualcosa di nuovo.

E, naturalmente, durante quei decenni, molti degli ingegneri Boeing esperti che in realtà sapevano come sviluppare un aereo in due anni ha trovato un altro impiego che era più interessante che giocare con "aeroplani di carta" e guardare i loro manager non prendere decisioni e impegnare denaro per implementarle.

Ci sono alcune storie meravigliose dai clienti delle compagnie aeree durante quei dieci anni. Ad esempio, in un'occasione un team di vendita Boeing stava dando una presentazione della loro "ultima strategia" quando il leader del team della compagnia aerea li ha fermati e ha detto "Questa è esattamente la stessa presentazione che ci hai fatto cinque anni fa, e in realtà non l'hai ne ha consegnato qualcosa in quei cinque anni. Allora perché sprechi il nostro tempo a raccontarci di nuovo le stesse favole? " Il team Boeing ha negato che si trattasse dello stesso messaggio, fino a quando il cliente non ha effettuato una rapida ricerca nel proprio sistema di archiviazione ed è tornato con lo stesso identico materiale di presentazione datato cinque anni prima. Fine del discorso di vendita.

Dall'altra parte dell'Atlantico, Airbus ha ideato una strategia (non necessariamente la "migliore" strategia, ma abbastanza buona), ha continuato a implementarla e si è messa al passo con Boeing al ritmo di più di un anno all'anno ...

Lavorando per un produttore di motori e interagendo con entrambe le società, la differenza era il gesso e il formaggio. Airbus sapeva dove stavano andando e non aveva paura di prendere a calci @ ** per arrivarci. I Boeing erano generalmente considerati un gruppo di perditempo incapaci, con i pochi ragazzi che sapevano davvero di cosa stavano parlando essendo 10 anni o più indietro rispetto allo stato dell'arte.

Joe Sutter ha iniziato la progettazione del 747 nel 1965 e il primo volo è stato nel febbraio 1969. Le pratiche di progettazione e i processi di produzione sono migliorati notevolmente da allora, quindi la questione critica sul perché ci vuole così tanto tempo per progettare aerei commerciali 50 anni dopo il 747 probabilmente è la sicurezza, ma come dimostra il fiasco del MAX, non la sicurezza dei voli, degli aerei o dei passeggeri, ma piuttosto la sicurezza della gestione e degli azionisti. Il 747 fu una scommessa che quasi mandò in bancarotta la Boeing. Ha dato i suoi frutti grazie a persone che hanno avuto il coraggio, la lungimiranza e l'autorità di prendere decisioni rischiose che non avrebbero ripagato nel trimestre in corso o addirittura nel prossimo trimestre.

Faccio un commento sopra una risposta perché penso che sia un fattore importante: Sicurezza.”

Una differenza tra aeroplani e altri dispositivi complessi è il requisito di un livello di sicurezza insolito. Il motivo è che non esiste un semplice "modo sicuro" a cui gli aeroplani possono ricorrere in caso di errore irreversibile, come quasi tutti gli altri dispositivi (macchine, automobili e treni di solito possono semplicemente fermarsi!).

Lo sviluppo di sistemi critici per la vita con requisiti di sicurezza così rigorosi è fortemente regolamentato e formalizzato, portando a un ritmo di progresso piuttosto glaciale. Ogni riga di codice, ogni specifica e progetto di parte, ogni revisione viene controllata e ricontrollata, documentata e archiviata, verificata e approvata, a più livelli, dal dettaglio alla costruzione complessiva. Il risultato è che gli aeroplani sono incredibilmente sicuri, anche se operano ad alte velocità nell'aria. I tassi di guasto di treni, automobili o smartphone sarebbero totalmente inaccettabili per gli aeroplani.

L'unica costruzione tecnica a cui riesco a pensare che ha requisiti di sicurezza simili, e che potrebbe non avere nemmeno un percorso facile per uno stato sicuro, sono le centrali nucleari, e anche loro richiedono molto tempo per svilupparsi , anche se non ci sono quasi limitazioni di peso: di solito non volano.