Ähnlich verhält es sich mit Militärflugzeugen. In einem ausgereiften Bereich wird es immer schwieriger, etwas zu schaffen, das eindeutig besser ist als das, was wir bereits haben.

Da jede neue Entwicklung so viel kostet, sind die Folgen eines Scheiterns immens. Daher wird das Management versuchen, das Ausfallrisiko zu senken, was wiederum die Entwicklungskosten und die Entwicklungszeit erhöht. Es ist eine sich selbst verstärkende Spirale.

Hinzu kommt, dass wir jetzt nur noch zwei große zivile Flugzeughersteller haben, die beide stark von ihren jeweiligen Regierungen unterstützt werden und zu groß sind, um zu scheitern. Dies führt zu politischen Eingriffen, die wichtige Entscheidungen noch komplexer machen und mutige, riskante Entscheidungen ausschließen. Nach jahrelangen Überlegungen wird nur die sicherste * Option ausgewählt.

Und ich weigere mich zu glauben, dass wir in der Aerodynamik oder in den Materialwissenschaften noch nicht genug wissen. Wenn ein Flügeltest den Flügel beim ersten Versuch mit einem Lastfaktor von 1,54 (wobei 1,5 das Ziel ist) brechen lässt, sind wir bereits ziemlich gut. Gleiches gilt für die Leistung: Neue Modelle erreichen ihren prognostizierten Kraftstoffverbrauch innerhalb von 2%! Und zu den vielen Subsystemen: COTS. Wenn Sie darauf bestehen, das Rad für ein neues Verkehrsflugzeug noch einmal neu zu erfinden, sind diese 10 Jahre natürlich akzeptabel.

* "Sicher" bedeutet dasjenige, das dem Management für die Zeit den höchsten Bonus verspricht Sie halten ihre Position und ihren gegenwärtigen Stand unvollständigen Wissens. Leider das Ethos von Unternehmen wie Newport News Shipbuilding, deren Motto lautete: "Wir werden hier gute Schiffe bauen - mit Gewinn, wenn wir können, mit Verlust, wenn wir müssen, aber immer mit guten Schiffen." ist der Harvard MBA-Kultur mit ihrem Fokus auf kurzfristige Ergebnisse verloren gegangen.

Es gibt viele unvermeidbare Faktoren, die zu einer langen Flugzeugentwicklung beitragen:

• Die Flugzeugentwicklung umfasst eine Vielzahl von Subsystemen. Beispiele sind: die aerodynamischen Oberflächen , die mechanische Struktur (die beiden ersteren sind physikalisch gleich), Antrieb, elektrische Systeme, Hydrauliksysteme, Avionik, Fahrwerk, Passagierkabine, Kabinenluftmanagement, Frachtraum, Notfallsysteme, Enteisung, Betrieb, Personal, Pilotenausbildung , Aufbau eines speziellen Flugsimulators, Herstellung, Lieferkette, Entwurf für Wartung und Recycling, Verfassen von Wartungs- und Betriebshandbüchern usw.

• Alle Flugzeugsysteme sind stark gekoppelt Wenn Sie eine Komponente ändern, hat dies Auswirkungen auf das gesamte Flugzeug. Dies gilt insbesondere für Aerodynamik, Gesamtmasse, Schwerpunkt und Kraftstoffverbrauch.

• Alles ist nahe am Grenzwert ausgelegt. Während die meisten Komponenten Von Werksmaschinen, Traktoren und dergleichen können mit enormen Sicherheitsfaktoren konstruiert werden. Alle Flugzeugkomponenten sind in der Regel genauso stark, steif, so groß, ... wie sie sein müssen. Typische Sicherheitsfaktoren sind nur 1,5x oder 2x die schlechtesten erwarteten Betriebsbedingungen. Mit höheren Sicherheitsfaktoren würde das Flugzeug wahrscheinlich nicht fliegen, und Sie könnten definitiv nicht mit anderen Unternehmen konkurrieren.

• Der Schneeballeffekt. Wenn in späteren Entwurfsphasen eine kleine Komponente mehr Leistung oder Masse benötigt oder mehr Luftwiderstand aufweist als im vorläufigen Entwurf berücksichtigt, vervielfacht sich dieser Effekt. Ein Beispiel: Die Kräfte auf eine Hecksteuerfläche sind höher als erwartet. Sie benötigen also einen größeren Zylinder, um ihn zu bewegen. Das erhöht das Gewicht und verschiebt den Schwerpunkt nach hinten. Um mit diesem kleinen zusätzlichen Gewicht weiter fliegen zu können, benötigen Sie mehr Treibstoff. Das bedeutet aber, dass Sie einen zusätzlichen Tank benötigen. Sie möchten diesen vor das Flugzeug stellen, um den Schwerpunkt wieder dorthin zu verschieben, wo er sein muss, aber dann benötigen Sie ein zusätzliches Rohr und eine Kraftstoffpumpe, die zu diesem Tank führen. All das erhöht das Gewicht noch weiter. Und bald sind Sie zu nahe an der Schallmauer, als dass ein schnelleres Fliegen sie nicht lösen könnte. Sie benötigen also größere Flügel. Usw.

• Iterationen. Aufgrund der drei vorherigen Punkte sind Designer häufig gezwungen, frühere Entscheidungen zu überdenken und Teile von zu wiederholen der Designaufwand. Wenn das zu oft passiert, wird das Flugzeug nie fertig. Daher achten Flugzeugkonstrukteure bei der vorläufigen Konstruktion sehr darauf, die möglichen globalen Konstruktionsparameter (Gewichtsbudget, Treibstoffbudget, Flügelform, Flügelposition, Triebwerksnummer, Triebwerksposition, Triebwerksschub usw.) richtig abzuschätzen und zu korrigieren. Gleiches gilt für die Hauptparameter eines Subsystems während des vorläufigen Subsystemdesigns. Dies reduziert den Bedarf an Iterationen, spielt jedoch immer noch eine wichtige Rolle bei der Flugzeugentwicklung. Viele einzelne Entwurfssequenzen müssen bis zum endgültigen Entwurf jedes Subsystems wiederholt werden.

• Aerodynamik wird kaum verstanden. Dies gilt insbesondere, je näher Sie der Schallmauer (Flugzeuge nähern sich) und der Grenzschicht (und das sind alle Luftmoleküle in der direkten) Nähe des Flugzeugs (alle sauberen aerodynamischen Gleichungen, mit denen wir arbeiten, wirken im Wesentlichen auf das Flugzeug plus die Grenzschicht, deren Form wir nicht kennen). Daher ist das Entwerfen für die Aerodynamik eine Vermutung. Und das einzige Mal, dass Sie tatsächlich überprüfen können, ob Ihr aerodynamisches Design die erforderlichen Eigenschaften aufweist, ist, wenn Sie die Flugtests durchführen. Das Design nimmt viel Zeit in Anspruch und erhöht Ihre Chancen, dass die Flugtests gut verlaufen. Siehe den Abschnitt zur Modellierung.

• Wir wissen noch weniger über Materialwissenschaften. Für die Aerodynamik haben wir partielle Differentialgleichungen, die aus der Grundlagenphysik abgeleitet wurden und den Luftstrom modellieren ziemlich genau. Wir wissen einfach nicht, wie wir sie lösen sollen. Es gibt jedoch keine entfernt genauen Methoden, um die Versagensmodi von Aluminium (oder einem anderen Material) allein auf der Grundlage grundlegender physikalischer oder chemischer Gesetze zu modellieren. Darüber hinaus enthalten moderne Flugzeugkonstruktionen immer mehr Verbundwerkstoffe, die noch schwieriger zu modellieren sind. Das ist also noch mehr Versuch und Irrtum.

• Aeroelastizität. Das sind die dynamischen Wechselwirkungen zwischen Aerodynamik und Mechanik von Materialien. Diese Wechselwirkungen können dazu führen, dass der Flügel so stark vibriert, dass er bricht. Dieses Gebiet ist besonders schwer zu verstehen, da es uns mit Aerodynamik und Materialien bereits so schwer fällt. Wir müssen jedoch dafür entwerfen, was viel Modellieren und Testen erfordert.

• Die meisten Aspekte des Flugzeugdesigns erfordern mehrere Modellierungsstufen. Aufgrund unseres begrenzten Verständnisses können wir nicht einfach weitermachen, Vermutungen anstellen, den Vogel bauen und hoffen, dass er fliegt. Das könnte unseren Testpiloten töten. Und wir müssten von vorne anfangen. Wir machen also viele Modelle der Realität. Für das Flügeldesign beginnen wir beispielsweise mit Berechnungen auf der Rückseite der Hülle, erstellen dann aerodynamische Computermodelle, um unsere Optionen einzugrenzen, setzen dann einige einfache Modellflügel in den Windkanal und sehen, wie sie funktionieren. Dann wiederholen wir diese Prozesse mit Winglets und Klappen, die dem Flügel hinzugefügt werden. Später machen wir den Kampftest, der auch nur ein Modell für die unendliche Menge möglicher Betriebsbedingungen ist. Um viele der mechanischen Komponenten (klein und groß) zu überprüfen, entwerfen wir Testaufbauten, um herauszufinden, wie sie sich verformen und wann sie brechen. Dieses Video zeigt, wie dies für einen vollen Flügel aussieht. Wir modellieren für alle im ersten Punkt genannten Subsysteme. All diese Modellierungen sind sehr zeit- und ressourcenintensiv. Zum Beispiel müssen für die letzte Stufe der Modellierung, die eigentlichen Flugtests, mehrere vollständige Flugzeuge gebaut werden. Es ist sehr aufwändig, diese Modelle so zu gestalten, dass sie die Realität so genau wie möglich modellieren. Besonders Computermodelle sind oft weit weg. Zusätzlich zu den Bemühungen, Modelle zu erstellen, zu validieren und auszuführen, sind Iterationen erforderlich, wenn sich herausstellt, dass ein Modell falsch ist.

• Hersteller müssen dies beweisen Flugzeuge fallen nicht vom Himmel. Dies erfordert viel Papierkram, Analyse und Tests. Der Umgang mit der zuständigen Luftfahrtbehörde (der FAA in den USA) ist nicht immer schnell.

• Die Verwaltung aller beteiligten Personen führt zwangsläufig zu Verzögerungen. Aufgrund der oben genannten Komplexität sind Tausende von Personen an der Entwicklung eines neuen Verkehrsflugzeugs beteiligt. Und sie arbeiten nicht nur beim Flugzeughersteller. Viele Subsysteme werden von anderen Unternehmen entwickelt. Und sie haben auch Lieferanten. Die Verwaltung aller beteiligten Personen und Unternehmen kann nicht immer perfekt effizient sein.

• nichttechnische Einschränkungen Alle oben genannten technischen Probleme bedeuten dies bereits Es dauert mindestens ein Jahrzehnt, bis ein neues Verkehrsflugzeug in Betrieb genommen wird. Zusätzliche Verzögerungen resultieren häufig aus Pech, Politik, Finanzmangel, Mangel an erfahrenen Ingenieuren, mangelnder Dringlichkeit, Managementfehlern und Inkompetenz auf jeder Ebene.

Wenn diese Beschreibung klingt kreisförmig, das liegt daran. In der Flugzeugentwicklung kann es leicht zu Kreisen kommen, wenn die Systemtechnik nicht sehr gut funktioniert.

Als ein Flugzeugprogramm der Welt angekündigt wurde, hätte es bereits einige Jahre konzeptionelle Entwicklung mit einem Team von einem Dutzend Personen gehabt. Die Geschäfts- / Marktziele, die grundlegenden Abmessungen und das Layout, die Leistungs- und Gewichtsziele sowie die kritischen Entwurfsentscheidungen, die das Flugzeug definieren, wären getroffen worden. Es wären auch mindestens ein oder zwei Windkanaltests durchgeführt worden.

Die nächsten zwei Jahre würden ein vorläufiges Design sein, das sich auf die Fertigstellung der wichtigsten Anforderungen an Flugzeugsysteme, das Design der äußeren Modelllinie, die Dimensionierung der Steuerfläche und die Auswahl der Tier 1-Lieferanten konzentriert. In dieser Phase würden viele Windkanaltests durchgeführt, und das Design wird iterativ fortgesetzt, bis die Schleifen um alle wichtigen Disziplinen geschlossen sind. Zu diesem Zeitpunkt wird das ursprüngliche Team von einem Dutzend Ingenieuren zu Hunderten von Menschen aufgestiegen sein.

Die nächsten 2-3 Jahre würden ein detailliertes Design sein, das zwischen Flugzeugherstellern und Zulieferern wiederholt wird, um sicherzustellen, dass die Anforderungen erfüllt werden können Ich werde getroffen und die Knicke werden ausgearbeitet. Die Produktion von mehreren Prototypen von Flugtestfahrzeugen (FTVs) würde ebenfalls irgendwann beginnen. Hinter den Kulissen werden viele Pilot-in-the-Loop-Simulationen durchgeführt, um die Flugsteuerungssysteme und die Avionik zu optimieren und auf die Flugsicherheit für den ersten Flug hinzuarbeiten.

Dies wird befolgt durch 1-2 Jahre Entwicklung und Zertifizierung Flugtests. Entwicklungsflugtests stellen sicher, dass sich die Flugzeuge und Systeme zufriedenstellend und gemäß Zertifizierung verhalten. Wenn dies nicht der Fall ist, werden die Dinge abgestimmt. Um Flugtestpläne zu verkürzen, wird jedes Flugtestfahrzeug in bestimmte Bereiche verbannt: zum Beispiel einen für Aerodynamik / Leistung / Steuerung, einen anderen für Pneumatik / Hydraulik / Elektrik usw. Sobald die Abstimmung abgeschlossen ist, beginnt der Zertifizierungsflugtest mit der Flugbesatzung der Regulierungsbehörde an Bord.

Wenn alles gut geht, erhält das Flugzeug die Typenzertifizierung der Hauptagentur und die Inbetriebnahme erfolgt bald danach.

Das oben Gesagte ist ein ziemlich rosiger Entwicklungsplan. Alle wichtigen Designprobleme, die auf dem Weg entdeckt wurden (je später im Programm, desto schlimmer die Auswirkungen), können den Zeitplan leicht um Jahre verlängern und die Entwicklungskosten um Milliarden erhöhen. Beispiele: Zertifizierbarkeit des elektrischen Systems in A380, Herstellungs- und Integrationsprobleme mit B787, Kontrollgesetz und Triebwerksexplosion in A220, Herstellungsprobleme und Gewichtszunahme in Lear 85 (das hat das Programm beendet).

Flugzeuge sind komplexe Maschinen. Eine Boeing 747 besteht aus ~ 6 Millionen Teilen, die alle entworfen, getestet und zertifiziert werden müssen.

Vergleichen Sie dies mit Autos, die ~ 10.000 Teile haben. Die Entwicklung eines neuen Autos dauert 2-3 Jahre.

Flugzeuge arbeiten ebenfalls in der Nähe des Standes der Technik (d. H. Unter Verwendung der modernsten verfügbaren Materialien, Designtechniken und Konstruktionsmethoden). Um ein Design zu erstellen, das deutlich besser ist als sein Vorgänger, müssen Sie möglicherweise den Stand der Technik verbessern, was bedeutet, dass Ihr Designprozess mit Grundlagenforschung beginnt. Dann muss die Forschung produktionsbereit gemacht werden, die neuen Produkte müssen getestet werden, um sicherzustellen, dass sie sicher verwendet werden können.

Das Testen und Zertifizieren ist ein gewaltiges Unterfangen. Für jede dieser 6 Millionen Komponenten muss eine Papierspur vorhanden sein, die beweist, dass sie korrekt entworfen, hergestellt und montiert wurde. Sie müssen umfangreiche Tests durchführen (z. B. beschleunigte Ermüdungstests, bei denen eine gesamte Flugzeugzelle in eine hydraulische Anlage eingebaut wird, um Fluglasten zu simulieren), deren Durchführung Monate dauern kann.

Dann gibt es das Werkzeug. Für viele dieser 6 Millionen Teile benötigen Sie kundenspezifische Werkzeuge und Vorrichtungen, damit Sie die Teile wiederholbar und zuverlässig herstellen können. Sie müssen den Herstellungsprozess entwickeln.

Ich fand diesen Wikipedia-Artikel sehr hilfreich bei der Beantwortung Ihrer Frage

Der Flugzeugentwurfsprozess ist eine lose definierte Methode, um viele konkurrierende und anspruchsvolle Anforderungen an die Produktion auszugleichen Ein Flugzeug, das stark, leicht und wirtschaftlich ist und eine angemessene Nutzlast tragen kann, während es ausreichend zuverlässig ist, um für die Lebensdauer des Flugzeugs sicher zu fliegen. Ähnlich, aber genauer als der übliche Konstruktionsprozess, ist die Technik sehr iterativ und beinhaltet Kompromisse bei der Konfiguration auf hoher Ebene, eine Mischung aus Analyse und Test sowie die detaillierte Prüfung der Angemessenheit jedes Teils der Struktur. Für einige Flugzeugtypen wird der Entwurfsprozess von den nationalen Lufttüchtigkeitsbehörden geregelt.

Es dauert kein Jahrzehnt, ein neues Passagierflugzeug von Grund auf neu zu entwickeln. Zwei Jahre sind genug lang.

Das Problem bei Boeing ist, dass sie den größten Teil von 10 oder 20 Jahren damit verschwendet haben, mit Ideen (zum Beispiel dem Sonic Cruiser) herumzuspielen, an denen keine Kunden interessiert waren, und das Das hochrangige Management von Boeing konnte sich nicht entscheiden, ob es ein Derivat eines seiner vorhandenen Produkte herstellen oder etwas Neues entwerfen sollte.

Und natürlich wussten in diesen Jahrzehnten viele der erfahrenen Boeing-Ingenieure, die tatsächlich Wie man ein Flugzeug in zwei Jahren entwickelt, fand eine andere Beschäftigung, die interessanter war, als mit "Papierflugzeugen" herumzuspielen und zu beobachten, wie ihre Manager keine Entscheidungen treffen und Geld für deren Umsetzung bereitstellen.

In diesen zehn Jahren gibt es einige wundervolle Geschichten von Airline-Kunden. Zum Beispiel präsentierte ein Boeing-Verkaufsteam einmal ihre "neueste Strategie", als der Leiter des Airline-Teams sie stoppte und sagte: "Dies ist genau die gleiche Präsentation, die Sie uns vor fünf Jahren gegeben haben, und Sie haben es tatsächlich nicht getan." hat in diesen fünf Jahren etwas davon geliefert. Warum verschwenden Sie also unsere Zeit damit, uns immer wieder dieselben Märchen zu erzählen? " Das Boeing-Team bestritt, dass dies dieselbe Nachricht war - bis der Kunde eine schnelle Suche in seinem Ablagesystem durchführte und mit genau demselben Präsentationsmaterial zurückkam, das fünf Jahre zuvor datiert worden war. Ende des Verkaufsgesprächs.

Auf der anderen Seite des Atlantiks entwickelte Airbus eine Strategie (nicht unbedingt die "beste" Strategie, aber gut genug), setzte die Umsetzung fort und holte Boeing ein mit einer Rate von mehr als einem Jahr pro Jahr ...

Bei einem Motorenhersteller zu arbeiten und mit beiden Unternehmen zusammenzuarbeiten, war der Unterschied Kreide und Käse. Airbus wusste, wohin sie wollten und hatte keine Angst, @ ** zu treten, um dorthin zu gelangen. Boeing wurde allgemein als eine Gruppe ahnungsloser Zeitverschwender angesehen, wobei die wenigen Leute, die tatsächlich wussten, wovon sie sprachen, 10 Jahre oder länger hinter dem Stand der Technik zurückblieben.

Joe Sutter begann 1965 mit dem Design der 747 und der erste Flug fand im Februar 1969 statt. Die Designpraktiken und Herstellungsprozesse haben sich seitdem massiv verbessert. Daher ist die kritische Frage, warum das Design von Verkehrsflugzeugen 50 Jahre dauert, so viel länger nach der 747 ist wahrscheinlich Sicherheit, aber wie das MAX-Fiasko zeigt, nicht Flug-, Flugzeug- oder Passagiersicherheit, sondern Management- und Aktionärssicherheit. Die 747 war ein Glücksspiel, das Boeing fast bankrott machte. Es zahlte sich aus, weil Personen den Mut, die Weitsicht und die Autorität hatten, riskante Entscheidungen zu treffen, die sich im laufenden oder sogar im nächsten Quartal nicht auszahlen würden.

Ich mache einen Kommentar über einer Antwort, weil ich denke, dass dies ein wichtiger Faktor ist: Sicherheit.

Ein Unterschied zwischen Flugzeugen und anderen komplexen Geräten ist die Anforderung eines ungewöhnliches Sicherheitsniveau. Der Grund dafür ist, dass es keinen einfachen "abgesicherten Modus" gibt, auf den Flugzeuge im Falle eines nicht behebbaren Fehlers zurückgreifen können, wie es fast jedes andere Gerät kann (Maschinen, Autos und Züge können normalerweise einfach anhalten!).

Die Entwicklung für lebenskritische Systeme mit solch strengen Sicherheitsanforderungen ist stark reguliert und formalisiert, was zu einem eher eisigen Fortschrittstempo führt. Jede Codezeile, jede Teilespezifikation und jedes Design, jede Überarbeitung wird auf mehreren Ebenen vom Detail bis zur Gesamtkonstruktion geprüft und erneut geprüft, dokumentiert und archiviert, geprüft und genehmigt. Das Ergebnis ist, dass Flugzeuge unglaublich sicher sind, obwohl sie mit hohen Geschwindigkeiten in der Luft arbeiten. Ausfallraten von Zügen, Autos oder Smartphones wären für Flugzeuge völlig inakzeptabel.

Die einzige technische Konstruktion, an die ich denken kann, die ähnliche Sicherheitsanforderungen hat und die möglicherweise auch keinen einfachen Weg in einen sicheren Zustand haben, sind Kernkraftwerke, deren Entwicklung ebenfalls lange dauert , obwohl es fast keine Gewichtsbeschränkungen gibt: Sie fliegen normalerweise nicht.