Por que os novos motores a jato custam bilhões para serem projetados?

Mesmo se ignorarmos os salários de todos os envolvidos; engenheiros, vendedores, gerenciamento, equipes de Q / A, equipes de manufatura, mais vendedores e, em seguida, alguns engenheiros sobressalentes …

Eu não ” entendo. Se for apenas o projeto de um motor a jato, as matérias-primas não podem ser um fator importante, mesmo que seja algo como titânio ou compostos.

Embora as matérias-primas sozinhas não sejam necessariamente caras, os materiais, bem como a usinagem e processamento , podem ser bastante caros. Isso pode ser ainda mais agravado se o motor usar algum tipo de material novo para que ainda não existe um método de produção eficaz. Este foi o caso de toda a produção do SR-71 Blackbird que precisava descobrir como trabalhar com titânio antes de construir qualquer coisa . Mesmo depois que as peças sob medida são produzidas para um novo motor, a empresa precisará descobrir como produzir o partes em quantidade suficiente y para produzir os motores para o mercado.

Quantos protótipos você poderia precisar? Quer dizer, espero que nem tudo seja tentativa e erro.

Não é, mas o FAA pode exigir vários demonstrações em que destroem o motor e você pode apostar que o fabricante vai experimentar isso antes de fazer qualquer teste oficial. Depois de aprovados nos testes iniciais voadores , os protótipos precisarão ser construídos e testados em estruturas reais que custem dinheiro, rodando combustível de aviação que custa dinheiro.

Outra coisa é o software de computador, que achei que tornaria as coisas mais fáceis e baratas de projetar. Concedido, você não pode simplesmente inserir o impulso desejado e pressionar um botão, mas certamente existe um software de dinâmica de fluidos decente que pode ajudá-lo a projetar algo muito mais fácil e rápido do que antes.

Isso torna algumas coisas mais rápidas, como o FEM , e certamente torna o roteamento complexo mais fácil, mas como uma boa chave inglesa, o software CAD é um ferramenta que torna as coisas mais rápidas e fáceis. Não faz o trabalho para você.

Comentários

• Números para custo de combustível para operar um motor moderno em vários níveis de potência por um dia de testes pode ser útil para reforçar esta resposta.- Considerações adicionais sobre custos como imóveis e potenciais ‘ custos herdados ‘ como pagar aos acionistas ou manter fundos de pensão podem ser úteis para realçar. Os projetos de motores a jato não são ‘ normalmente feitos por um engenheiro solitário ‘ na garagem, afinal … Como dizem, os custos aumentam , e então você eventualmente terá que pagar pessoas para somar esses custos …
• Nunca subestime os custos para construir as ferramentas necessárias para construir um produto. Exemplo não relacionado à aviação: as ferramentas necessárias para fabricar um chip de circuito integrado podem custar mais de um milhão de dólares e ‘ pressupõe que você já possui todos os equipamentos de fabricação. Sempre que seus testes encontrarem uma falha que exija uma grande mudança, você terá que pagar esses custos novamente.
• Vejo suas ‘ matérias-primas ‘ e eu crio você forja de titânio .
• Aqui está uma link legal onde mostra como os motores são testados … eles ‘ re-testados em um avião construído para motores de teste …
• É importante notar que, como o CAD moderno torna as coisas mais rápidas e fáceis, os engenheiros são capazes de projetar coisas mais complicadas. Muitas vezes você não ‘ t acaba gastando menos tempo projetando coisas, você projeta coisas que não eram ‘ viáveis antes.

Os motores Jet são algumas das máquinas mais complexas já criadas. Eles devem ser o mais leves, eficientes, seguros e confiáveis possível. Há uma razão pela qual a maioria dos novos aviões comerciais recentemente foi afetada por atrasos dos fabricantes de motores. Esse é um equilíbrio difícil de projetar quando dentro de um cronograma e orçamento.

Os motores a jato certamente poderiam ser mais baratos de desenvolver e comprar. Você pode obtê-los a preços relativamente “acessíveis” para aeronaves controladas remotamente. Mas o custo certamente aumenta com a escala, e o proprietário de uma aeronave espera que um motor funcione por milhares de horas com manutenção mínima, queimando o mínimo de combustível possível e não prejudicando ninguém. Cada nova geração de motores tem sido mais eficiente do que a anterior e essas melhorias não vêm de graça.

Se for apenas o projeto de um motor a jato, as matérias-primas não podem ser um fator importante, mesmo que seja algo como titânio ou compostos.

Não são apenas as matérias-primas, mas o processamento envolvido. Os motores modernos levam os materiais aos seus limites e além. É necessário desenvolver tecnologias de manufatura avançadas.

Digamos que você tenha um novo material ou processo que deseja usar. Pode facilmente leva pelo menos centenas de milhares de dólares apenas para desenvolver um, e um novo motor pode incluir muitos deles. Mesmo para uma matéria-prima barata, a quantidade de trabalho necessária para criar artigos de teste, configurar testes, executá-los e documentar o os resultados crescem muito rapidamente. Você quer ter certeza de que entendeu como o novo material ou processo funcionará antes de avançar com ele. Se algo der errado , você cria grandes problemas para seus clientes (fabricantes de aeronaves e seus clientes).

Quantos Você poderia precisar de protótipos? Espero que nem tudo seja tentativa e erro.

“Tentativa e erro” às vezes também é chamada de “ciência” que é o que você precisa para desenvolver novas tecnologias. Obviamente, à medida que o teste avança e os riscos aumentam, você gostaria que a parte do “erro” continuasse diminuindo. Mas a parte do teste é muito importante para entender como as coisas realmente funcionam (ou não). Isso significa não apenas protótipos em escala real (que irão passar por várias iterações de design, até mesmo através da certificação de avião), mas também subsistemas e componentes. E você precisa fazer testes suficientes para ter confiança estatística de que os resultados podem ser reproduzidos de forma confiável.

A outra coisa é o software de computador, que achei que tornaria as coisas mais fáceis e baratas de projetar.

Isso certamente é verdade e essas tecnologias diminuíram a quantidade de testes físicos que precisam ser feitos. Mas, de qualquer forma, isso vai custar dinheiro.

Com produtos como motores a jato, ferramentas melhores geralmente não significam “quão barato podemos fazer este processo “mas” quanto mais desempenho podemos obter pelo mesmo dinheiro. “

Então, o que o torna tão caro? Existe algum processo de certificação muito caro?

Sim. As pessoas gostam de voar em aviões com motores que funcionam e não explodem. Isso significa regulamentações e certificações rigorosas.Para a FAA, 14 CFR Parte 33 cobre os requisitos de certificação para motores a jato, para tentar tornar os eventos de falha tão raros quanto possível. Aqui estão apenas alguns dos testes exigidos pelos regulamentos:

• Vibração
• Excesso de torque
• Calibração
• Resistência
• Superaquecimento
• Faixa de operação completa
• Testes de sistema e componentes
• Trava do rotor
• Desmontagem total
• Contenção da lâmina / desequilíbrio do rotor
• Chuva, granizo e ingestão de pássaros

Alguns desses testes serão destrutivos, seja por projeto ou por acidente. Alguns deles demandarão muito tempo e esforço. Apenas a papelada envolvida na compreensão de todos esses requisitos e na documentação para os reguladores de que você os atendeu pode facilmente levar uma boa parte de suas 100 pessoas.

Talvez alguém possa explicar o processo geral de projeto de motores a jato em primeiro lugar, porque tenho certeza de que isso seria útil. Do jeito que eu imagino, você simplesmente passa de estágio em estágio e tenta acertar a forma e o diâmetro de cada lâmina.

Parece que você tem o básico ideia. Mas a engenharia envolve o diabo nos detalhes.

Primeiro, os motores modernos podem ter 20 ou mais estágios, acoplados a 2 ou 3 carretéis separados. Os engenheiros precisam decidir o número ideal de estágios e carretéis para o projeto do motor. Isso significa analisar muitas configurações diferentes, a complexidade tende a aumentar exponencialmente, já que cada estágio afeta o resto do sistema.

Sim, o processo é relativamente simples se você tiver condições estáticas para analisar. Claro que “É importante otimizar o consumo de combustível durante o cruzeiro. Mas o motor ainda precisa operar em uma ampla gama de condições. Depois, há as condições dinâmicas de aceleração e desaceleração. O motor deve dar partida e ser estável tanto em ventos laterais quanto de cauda. Ele deve ser capaz de começar no solo ou no ar após ficar extremamente frio. Coisas estranhas podem acontecer conforme as coisas se expandem e se contraem com a temperatura.

Se você está olhando uma análise simples de como mudança de pressão e temperatura através de um motor a jato, provavelmente há muitas mãos acenando sobre um estágio chamado” combustor “onde você magicamente obtém um aumento na temperatura. O processo de queima do combustível nas condições extremas de um motor a jato é extremamente complexo. O ar que corre na frente precisa ser comprimido e, em seguida, desacelerado o suficiente para não extinguir a chama. A chama deve ser contida na seção do combustor durante a operação, e não superaquecer os estágios da turbina atrás dela.

Temperaturas e pressões mais altas fornecem melhor eficiência, mas os materiais são levados ao seu limite. Novas superligas e técnicas de fabricação precisam ser aperfeiçoadas para criar materiais capazes de resistir a temperaturas extremas ao girar a milhares de RPM. Eles têm que fazer pequenos orifícios e passagens nas lâminas para forçar a saída do ar de resfriamento que cobre a superfície da lâmina para que não entre em contato direto com o ar extremamente quente na turbina.

Então, você também tem a mecânica energia sendo extraída por um gerador e energia pneumática sendo extraída para o sistema de sangria de ar da aeronave. O motor deve ser capaz de lidar com as demandas variadas desses sistemas.

Há também o problema de vários carretéis girando e milhares de RPM, sem causar muito calor de fricção ou desgaste prematuro. Os engenheiros precisam para entender as temperaturas, aerodinâmica e tensão rotacional em cada parte, por meio de toda a faixa de operação do motor e como isso afeta o resto do motor.

E não é apenas o suficiente para obter algo isso funciona. Alguém sempre estará perguntando: “Como podemos tornar isso mais eficiente?” Os motores modernos estão aplicando muitos truques diferentes para obter toda a eficiência possível. O ar é purgado e as palhetas podem ser ajustadas para tornar o motor estável em todas as condições de operação. Novos conceitos e tecnologias são desenvolvidos. Os turbofans modernos têm o problema de uma turbina de baixa pressão na parte traseira que precisa girar o mais rápido possível para ser eficiente, conectada a um ventilador na frente que precisa girar muito mais devagar para ser eficiente. Para o exemplo da Pratt & Whitney que você deu, a solução foi uma caixa de câmbio para permitir que os dois girassem em velocidades diferentes. Esse foi um desafio muito difícil que levou décadas para finalmente chegar a um produto final.

Toda essa complexidade deve ser gerenciada por software que monitora uma série de sensores em todo o motor e ajusta continuamente os vários parâmetros para manter uma operação estável e eficiente. Este software deve ser executado em computadores que operarão em uma ampla gama de temperaturas e sob vibração constante.

Você também deve ter em mente como todas essas milhares de peças serão fabricadas, montadas e mantidas durante a vida útil do motor. Você precisa de pessoal planejando para garantir que um mecânico terá acesso aos componentes certos com as ferramentas de que precisa e quais processos devem ser seguidos para montar e desmontar as várias peças.

Então, também existem efeitos colaterais como ruído e poluição. Haverá engenheiros encarregados de entender como eles são gerados e como podem ser reduzidos a níveis aceitáveis com o menor custo possível.

Esta é apenas uma visão geral das muitas áreas envolvidas no projeto de um motor a jato. Certamente há mais, e cada detalhe aqui pode facilmente exigir uma equipe especializada trabalhando nisso.

Comentários

• Naturalmente, acabei de calcular que precisamos cerca de 1.000 desses motores RC de 50 libras de empuxo (US $ 5.000 cada) para fazer um A320 voar. 🙂
• @PerlDuck Você incluiu nesse cálculo o maior consumo de combustível dos motores, o peso adicional dos motores e o combustível adicional, e o maior consumo de combustível devido a esse peso adicional, e o peso adicional desse combustível e o maior consumo de combustível devido a esse peso adicional …?
• Esta é uma ótima visão geral das complexidades de um ‘ jato moderno ‘ motor, mas não ‘ não vi nada que mostrasse como tudo somava US $ 10 bilhões. Estimar o número de pessoas necessárias para as especificações, design e redesenho, teste, instalações, etc. ajudaria nessa resposta (para mim).
• @Alexander Claro que não. Foi apenas uma piada. Eu só estava curioso para saber quantos desses pequeninos nós precisaríamos. Me fez pensar em uma mosca com seus milhares de olhos minúsculos em comparação com outros animais com apenas dois maiores.
• @CramerTV, número de pessoas envolvidas? Grande quantidade. Por exemplo, se você ‘ está usando uma nova superliga, você precisa quantificar as propriedades do material: um técnico de teste mecânico para medir a resistência, dureza, tenacidade e assim por diante , um químico para confirmar a composição, um maquinista para converter metal a granel em amostras de teste e um supervisor de laboratório para coordenar as coisas. Essas ‘ são quatro pessoas para apenas um aspecto de uma parte do projeto de um motor a jato.

Da última vez que verifiquei, a maioria dos cientistas e engenheiros não ganha salários milionários. Acho que é mais cerca de 100 a 250 mil no máximo. Mesmo se você tivesse 100 deles trabalhando por 10 anos nisso, seriam 250 milhões, ou um quarto de bilhão de dólares.

Os salários no setor aeroespacial são em média inferiores a 100 mil, não é TI, mas não são o problema.

Você pode desenvolver um motor a jato experimental básico com 100 engenheiros e cientistas. Acontece que não se pode projetar e construir um motor turbofan produzido em massa com essa equipe.
Você pode com 1.000. Mas as companhias aéreas e as autoridades querem que seja confiável, e você não pode “construir um turbofan de bypass alto confiável com apenas 1.000. Isso leva milhares por causa de como tudo deve ser validado e verificado duas vezes.

Construindo um avião competitivo motor é ainda mais difícil. Seria mais ou menos realista hoje, com 10.000 funcionários, mas ainda assim uma façanha. O trabalho não é apenas o design das peças do motor, a maior parte do trabalho árduo é testar centenas de materiais em R & D, projeto de máquina, desenvolvimento de tecnologia, desenvolvimento de QM e QC. Todas as coisas que contribuem para produzir bons motores e, em seguida, produzi-los com eficiência.

A Saturn, uma das menores construtoras de motores a jato hoje, tem cerca de 23.000 funcionários.
Pratt & Whitney, a menor das três grandes no Ocidente, tem aproximadamente 40.000.
A Rolls-Royce, que fabrica principalmente motores aeroespaciais (a marca de automóveis foi vendida há muito tempo) tem aproximadamente 50.000 funcionários.
Também ~ 50.000 para a GE Aviation, com outros 200.000 na General Electric em geral.

Nem todos são engenheiros e cientistas, mas mais da metade da equipe nessas indústrias de alta tecnologia está em pesquisa, design, engenharia, gerenciamento e outros trabalhos que contribuem para o custo do projeto.

A equipe de projeto real de um motor a jato moderno terá menos de 1.000 pessoas. Mas essas são apenas as pessoas que fazem o trabalho de alto nível, os diagramas de fluxo, os cálculos FEA, os modelos de design.
Eles vão contar com milhares para fornecer os dados. A partir de seus modelos, milhares mais produzirão desenhos detalhados e programas CNC para cada peça individual. Então, para cada parte individual, um programa de CQ separado deve ser desenvolvido.

Você não pode simplesmente copiar e colar de desenhos de projeto para programas CNC. Nem pode copiar e colar desses para programas de máquinas de medição para QC.As bases de medição são diferentes, então as tolerâncias são diferentes, é um nível de detalhe diferente. Cometa esse erro apenas uma vez. Para uma parte pequena e não especialmente crítica, e as consequências pode ser perceptível .

As respostas são todas muito boas porque detalham os custos potenciais, mas vamos Vou dar um ângulo diferente para olhar para esses tipos de questões. Em um ambiente altamente competitivo, as empresas vão jogar tanto dinheiro em um problema quanto vale a pena resolvê-lo. Em linguagem econômica: “custo marginal é igual a ganho marginal” .

Ao projetar um novo motor, começa-se com todas as mudanças que proporcionam uma grande melhoria de desempenho a um custo baixo. Com o tempo, essas mudanças “triviais” são exploradas, e se houver o suficiente “ganho” com o ataque contínuo ao problema, alterações mais complicadas com ganhos esperados menores serão atacadas.

Agora, pense em quão alto é o ganho de uma impressão O impulso de um motor é: ao longo dos muitos milhares de horas, quanto combustível está sendo economizado? Qual é o valor de mercado futuro esperado desse combustível em um mundo com escassez crescente e tributação de co2 esperada?

Agora, considere que você implementará este novo motor não em um único avião, mas em uma grande frota de centenas, talvez milhares de aviões? Qualquer melhoria no motor que você fizer tem tal um grande valor de mercado. Finalmente, considere que muitas melhorias para a próxima geração de motores podem ser transferidas para desenvolvimentos mais recentes, algo que é referido como “pisar no ombro de gigantes”.

Um exemplo Pegue um motor que custe cerca de 30 milhões de dólares. Uma melhoria de desempenho que aumenta o valor de cada motor em apenas 1% valerá 300 milhões de dólares se esse motor for vendido 1000 vezes. Se essa melhoria de desempenho puder ser reutilizada nas próximas 10 gerações de motores, ela valerá 3 bilhões de dólares. Este exemplo simples mostra que o valor marginal de R & D pode ficar muito alto muito rapidamente e que as empresas estão, portanto, dispostas a investir muito dinheiro nesses problemas.

Somando-se a outras respostas excelentes, gostaria de me concentrar na natureza da pesquisa.

O trabalho envolvido no desenvolvimento e na exploração de ideias que não são apenas capazes de ser resolvidas por meio de modelos de computador são enormes .

Como observam outras respostas, os motores a jato se desenvolvem na vanguarda da teoria e de novas ideias, além de impulsionar as existentes.

Exemplo típico concreto # 1

Suponha que acreditamos que uma lâmina de ventilador pode ser tornado mais forte se for fundido de uma forma que cresça sem certas falhas cristalinas, ou com uma certa estrutura cristalina que em teoria deveria ser possível. Chame-a de “matriz cristalina de titânio-carbono em forma delta” ou “delta-TCCM “para abreviar. Isso permitiria lâminas 1,7% mais finas e mais leves, sem perda de resistência ou segurança, ou lâminas que podem funcionar 1,5% mais rápido sem aumentar o estresse. Se correto, isso poderia ser um grande negócio como parte da próxima geração do o motor atual.

O problema é que isso é tudo que um modelo leva você. Agora você precisa realmente alcançá-lo de forma confiável como um problema de ciência dos materiais. Você precisa

• Projetar um processo para desenvolver delta-TCCM de maneira confiável em um laboratório, o que pode ser um grande desafio. Você pode precisar explorar várias técnicas, considerar como elas escalam, sua suscetibilidade a falhas e riscos. As condições para uma produção confiável de delta-TCCM com baixa taxa de falha podem ser muito precisas e difíceis de manter pelo tempo que leva. Este pode ser um problema enorme , longe de ser trivial. Se você não quiser que leve anos, talvez seja necessário enviar 600 pessoas apenas para a pesquisa delta-TCCM, para transformá-la de um conceito em um material utilizável com propriedades verificadas.

• As propriedades podem ser apenas um tanto previsíveis em teoria. Você pode precisar adicionar vestígios ou pequenas alterações no processo, por instinto, para resolver os problemas. Cada um deles é um miniprojeto em si.

• O material pode ser difícil de moldar uma vez formado, então você pode precisar voltar ao seu laboratório não apenas para desenvolver equipamentos para criá-lo de forma confiável, mas também para criá-lo para moldar . Forma perfeita.

• Você precisa aumentar a escala do laboratório para a escala da indústria. Ou seja, criar o suficiente para confirmar as propriedades e, por fim, construir lâminas. “também está longe de ser trivial. A indústria está repleta de coisas que são fáceis de criar em pequenas quantidades para pesquisa, mas incrivelmente difíceis de produzir em escala nas mesmas condições. Indo de forma confiável de amostras de 2 mm ² sem falhas detectáveis de estrutura cristalina / atômica para curvas 1.Pás de ventilador de 5m sem falhas detectáveis de estrutura cristalina / atômica, é exatamente tão difícil quanto parece em muitos casos.

• Você precisa testar e avaliar dez mil amostras de mil maneiras – isoladamente e em mil cenários em um motor. Este é um processo muito intenso. Qual é sua estrutura atômica, como ela falha (quais são seus modos de falha e limites de segurança), como sua estrutura atômica responde a cem mil combinações / tipos / padrões de estressores, tanto a curto quanto a longo prazo – ganhando compreensão suficiente de as propriedades reais para poder contar com eles para a segurança do jato. Talvez volte ao básico se algo não for o necessário. Afinal, se apenas um motor falhar e a falha for atribuída a um problema fundamental com o material, toda a sua reputação e gama de produtos estarão em risco , e os reembolsos serão devidos por qualquer venda até agora, mais litígios. Todo o seu negócio de $ 500 bilhões pode estar em risco, nesse sentido, na pior das hipóteses.

• Você também poderia construir 2 ou 3 plantas de produção de protótipos inteiros (fábricas) em locais diferentes, apenas para delta-TCCM, para confirmar que você pode de fato reproduzir seu controle de qualidade delta-TCCM de maneira confiável ao longo do tempo e em diferentes estabelecimentos / fontes.

• As pás do ventilador são geralmente feitas de uma combinação de materiais diferentes. Por exemplo, o GE-9X, atualmente o maior motor turbofan feito, usa um composto de fibra de carbono com bordas de ataque de aço e bordas de fuga de fibra de vidro para proteção contra pássaros. Apenas fazer e modelar delta-TCCM não é suficiente, ele também precisa de técnicas que confiem Permitam que seja parte de uma lâmina composta, com firmeza suficiente para reter sua estrutura unificada sob todas as tensões e ciclos de aquecimento / resfriamento e vibrações que fazem parte da vida útil da lâmina a jato. Se os componentes não se moverem, encolherem e expandirem juntos, a lâmina pode enfraquecer.

• Se funcionar, você pode precisar construir um conjunto de ferramentas inteiro apenas para delta-TCCM. Ferramentas de usinagem, ferramentas de produção, moldes de lâmina (talvez eles “fundidos de forma destrutiva e você precise de um novo molde para cada peça), laser especializado ou outro tipo de soldagem, desenvolvimento de revestimentos delta-TCCM e adesivos capazes de resistência em um ambiente de motor, que são todos seus próprios projetos independentes. Os trabalhos.

E esse é apenas o projeto para comercializar delta-TCCM. $ 20-50 milhões facilmente, logo de cara (suposições totais de minha parte, mas dá um ideia). Você pode ter 50 ou 200 desses projetos em andamento e outros surgindo em seu fluxo R & D, todos relacionados a conceitos que você vai explorar para sua nova geração de motores – e todos os seus custos precisam ser recuperados pelas vendas do motor quando finalmente concluídos.

Exemplo concreto 2:

O ônibus espacial teve que resistir ao calor intenso na reentrada. Muito mais calor do que qualquer material poderia suportar. A ideia alcançada foi simples: ablação. O revestimento queimaria em vez de derreter, expondo gradualmente as camadas abaixo, mas não se degradando como um todo.

Criar o material foi um grande esforço. Não havia muita teoria dessas coisas, apenas um objetivo de criar tal material. Enorme pesquisa. E sempre, “Ótimo. Agora encontre uma maneira de fazer o mesmo, mas com peso 20% menor “.

Comentários

• Adicione a isso o custo de todas as ideias que soou ótimo até que encontraram um revés em uma dessas etapas que simplesmente não podiam ‘ ser superadas. Todo aquele tempo, dinheiro & esforço para um projeto engavetado e tempo para recomeçar um novo.

Além das outras respostas:

Os motores a jato não são apenas complexos, eles operam no limite do que é fisicamente possível. Por exemplo, os motores a jato modernos funcionam em temperaturas internas que podem ser mais altas do que o ponto de fusão dos metais usados.

Quando você projeta um novo motor a jato, para que tenha sucesso no mercado, ele tem que ser melhor do que os motores disponíveis atualmente: tem que ter mais empuxo, níveis de ruído mais baixos, menos combustível consumo, maior confiabilidade, menores custos de operação ou uma combinação dos dois.

Isso significa que todo design move “o limite do que é fisicamente possível”, ou seja, avança o estado da arte. Não é apenas um novo design de motor, você tem que desenvolver novos materiais, novos métodos de construção, etc. Em seguida, você tem que provar que esses seus novos desenvolvimentos são seguros para uso. É aqui que vai o custo: pesquisa científica (que sempre traz o risco de que sua nova ideia não funcione tão bem quanto você esperava), desenvolvimento da nova tecnologia para um nível de consumo pronto e certificação.

Acho que a maioria das respostas aborda os pontos muito bem, as equipes são enormes e são muito caras kit envolvido.Eu acrescentaria mais três pontos:

• Há um risco envolvido que precisa ser avaliado. Não é como na indústria farmacêutica, mas nem todos os motores vendem igualmente bem, então você precisa gerenciar os custos em diferentes motores e designs.

• Essas são máquinas altamente especializadas, então, junto com um novo motor, você está desenvolvendo novas ferramentas, novas técnicas de medição e novo software. (Existem muitos efeitos colaterais e benefícios resultantes desses programas, por exemplo: sonda de gatilho de toque )

• Só para ilustrar o ponto de materiais e custos de fabricação, esses motores seriam mais baratos se fossem feitos de ouro maciço.

Acontece que eu conheço o cara que desenha o perfil para o ventilador de um dos grandes fabricantes. Ele é apenas o acadêmico que contribui para esse design, e esse é o único problema no qual ele trabalha. Mas isso envolvia desenvolver um novo software para calcular o fluxo.

O problema não é fundamentalmente sobre os motores a jato, mas sobre a construção de coisas complexas em geral.

Os motivos são os mesmos da construção um software complexo. Existem apenas diferenças graduais.

A pergunta pode ser vista como ” Por que é surpreendentemente caro criar sistemas complexos de alta qualidade? ”

O problema principal é c omplexidade. O projeto dos motores a jato existentes é complexo e sabemos que projetar uma alternativa é um processo mais complexo do que isso. O mesmo para realmente construir um em série.

Queremos criar um artefato complexo, vamos chamá-lo de ” novo motor a jato “.

Para fazer isso,

precisamos de um design para ele.

Como base disso, precisamos de uma especificação de design .

Para verificar isso, precisamos construir pelo menos uma instância.

Na prática, queremos ser realmente capazes de criar vários exemplares com custo limitado por instância.

Isso significa que precisamos criar vários outros artefatos também:

Precisamos criar um ou mais protótipos sem limitar o custo.

Precisamos criar um conjunto completo de ferramentas para produzir várias instâncias do artefato.

Também precisamos construir ferramentas para testar o artefato.

Precisamos testar um ou mais protótipos e várias instâncias produzidas com base no especificação de design.

Precisamos fazer uma organização externa testar a especificação de design com base nas regras de certificação.

Precisamos fazer um e Instâncias de teste da organização externa com base nas regras de certificação.

Precisamos criar documentação, incluindo instruções confiáveis para várias variantes de serviço.

Observe que tudo isso é independente da complexidade da coisa queremos criar. Nem mesmo depende se construímos um artefato físico, ele se aplica da mesma forma para construir uma simulação dele, produzindo instâncias integrando-o na simulação de avião do cliente.

As muitas das etapas são um pouco complexo em si mesmo. Quando as etapas interagem, a complexidade tende a se multiplicar em vez de aumentar. Por exemplo, um pequeno erro na especificação do projeto causa pequenas alterações na maioria das etapas e cada uma delas tem uma sobrecarga significativa. Alterar o tamanho de um parafuso e a resistência de uma solda requer praticamente o mesmo esforço que apenas alterar o tamanho do parafuso, porque os overheads estão dominando.

Se estamos construindo algo complexo, existem alguns aspectos contra intuitivos em termos de complexidade. Um fator importante é que a complexidade e o esforço dos testes aumentam muito rapidamente para aumentar os requisitos de qualidade. Isso ocorre em parte porque há muito mais erros menores do que maiores. Isso significa que muitos mais erros únicos precisam ser tratados, exigindo mais protótipos. A sobrecarga para lidar com um pequeno erro é quase a mesma que para um grande erro.

Para ilustrar o efeito do aumento dos requisitos de qualidade, pense em construir um avião com base em um plano especificando a forma e o tamanho de suas peças . Compare isso com um requisito adicional de comprimento total com tolerância de alguns centímetros. Agora, você precisa levar em consideração a variação das conexões dos componentes, como a distância dos parafusos às bordas das peças, e também a expansão térmica das peças. Agora, refine os requisitos para especificar o comprimento com uma tolerância de alguns milímetros de acordo com uma curva de temperatura. Agora, alguns testes precisam ser feitos várias vezes, depois de descobrir quantas vezes bastam. E as diferenças na expansão térmica de diferentes materiais e peças de diferentes fornecedores tornam-se relevantes. Você entendeu. E apenas no caso de parecer irrelevante se preocupar com a expansão térmica: o Lockheed SR-71 Blackbird realmente vazou combustível quando frio no solo, mas não quando voou a Mach 3.2 e temperatura do casco de cerca de 300 ° C, com base nos limites aceitos de precisão . O Concorde ficou 17 cm mais longo em vôo a cerca de 100 ° C.Eles se divertiram muito ao colocar linhas hidráulicas.

Basicamente, adicionar peças individuais é muito mais complexo do que a intuição poderia esperar. Adicionar uma peça a um motor a jato não envolve apenas a estabilidade da peça, mas também estabilidade e mudança na forma ao longo do ciclo de calor e determinação do número aceitável de ciclos antes do serviço.

Observe que tudo isso, exceto ilustrar exemplos, não tem nada a ver com motores a jato, nem mesmo se queremos construir algo físico.

Os elementos de design específicos para um motor a jato podem ser encontrados em outras respostas, e uma estimativa da complexidade deles pode ser usado para derivar o esforço geral aqui.

As respostas existentes fazem um ótimo trabalho em responder por que os motores a jato são caro para desenvolver: porque são muito complicados. Deixe-me tentar responder, por que os motores a jato são tão complicados? Para entender isso, temos que examinar a economia dos motores a jato, e tudo se resume à eficiência de combustível.

Digamos que você vá comprar um carro novo e um carro consiga gasolina 1% melhor quilometragem que o outro. Talvez 30 mpg e 30,3 mpg. Você diria que esses estão tão perto que quase não importa. Pode até ser idêntico e você começa a ver qual deles tem o melhor sistema de som ou os bancos mais elegantes. Mas quando as companhias aéreas vão comprar novos aviões, a diferença de 1% na eficiência de combustível é ENORME.

As companhias aéreas são grandes e o combustível de aviação é caro. Uma companhia aérea de porte modesto (digamos, o tamanho do Jet Blue) gastará entre 1 e 2 bilhões de dólares por ano apenas em combustível de aviação. E, quando você compra um novo avião, geralmente dura 30 anos. Portanto, ao longo da vida útil da frota, a companhia aérea está gastando algo em torno de $ 45 bilhões em combustível. Se um motor a jato for 1% pior em eficiência de combustível, isso custará à companhia aérea ~ $ 450 milhões em 30 anos. Isso representa um por cento de diferença em eficiência de combustível.

Agora, há outras coisas que podem compensar isso, como o preço de compra do motor, o custo do serviço e peças sobressalentes, etc. Então, um motor a jato que está 1% pior em combustível a eficiência ainda pode ser competitiva em geral se compensar em outras áreas. Mas além de alguns por cento, a diferença é tão grande que você não poderia nem mesmo entregá-los.

Então, o que você acaba tendo é essa intensa competição de “corrida armamentista” entre os principais OEMS de motores a jato. Um empresa torna seu motor um pouco mais complicado, de modo que pode melhorar a eficiência de combustível em uma pequena fração, e então todos os outros correm para alcançá-lo. Isso continua ano após ano, modelo de motor após modelo de motor, e antes que você perceba o que começou como uma máquina bastante simples foi extremamente complicado e, portanto, caro de fazer.

Comentários

• A modest sized airline (say Jet Blue size) will spend $1 - 2 billion per year on jet fuel alone. … Bilhões? Citação necessária. Um pouco de matemática refuta isso. Um avião econômico, talvez 4 voos por dia, 150 pessoas por voo, 60 dólares por passagem. A receita bruta disso é de 13,14 milhões por ano. De jeito nenhum poderia se aproximar de 1 bilhão. Você quis dizer 1 – 2 milhões ?
• @ DrZ214 não, quis dizer bilhões. Veja, por exemplo: businessinsider. com / … citação principal ” … combustível e impostos relacionados aumentaram para \ $ 515 milhões no trimestre “. Portanto, \ $ 500 milhões / trimestre são 2 bilhões por ano. Além disso, o Jet Blue tem definitivamente mais de 4 voos por dia, ‘ é mais parecido com 1000. Talvez você os esteja confundindo com uma companhia aérea diferente? Eu li ” avião comercial ” e o vi como um avião, como em um único avião. Sim, todo o avião poderia ter milhares de voos por dia. Eu ‘ deixarei esses comentários aqui para o caso de outros interpretarem mal.
• @ DrZ214 Citei assim porque as companhias aéreas não ‘ não compre apenas um motor de cada vez. Quando tomam uma decisão de compra, geralmente se comprometem com 10s, senão 100s de motores de cada vez. Portanto, os custos de combustível envolvidos em uma única decisão de compra são grandes.

Isso é apenas parte do resposta, mas eu não queria postá-la em um comentário depois que os moderadores disseram para manter as respostas fora dos comentários:

Veja o conceito de contabilidade de um “taxa sobrecarregada”. Ajuda lembrar que você não precisa apenas da colaboração de 100 engenheiros. Você precisa de 100 engenheiros em um prédio que deve manter as luzes acesas e o aquecimento e / ou ar-condicionado, com zeladores e assistentes administrativos, e todas as outras pessoas maravilhosas que mantêm os engenheiros produtivos. Quando você leva em consideração todos esses outros custos do negócio, a taxa por hora que a empresa tem que pagar (em oposição ao que o engenheiro recebe) é bem diferente.