航空機の設計プロセス

設計プロセスは、航空機の目的から始まります。民間旅客機は、乗客や貨物の積載、長距離飛行、燃費効率の向上を目的として設計されていますが、戦闘機は高速機動を行い、地上部隊を近接支援することを目的としています。航空機には特定の任務があり、例えば、水陸両用機は陸上と水上の両方から運用できる独自の設計を持ち、ハリアー垂直離着陸機のような戦闘機はVTOL （垂直離着陸）能力を持ち、ヘリコプターは一定時間上空をホバリングする能力を持っています。^{[ 1 ]}

その目的は、例えば英国航空省の仕様といった特定の要件を満たすことであったり、あるいは「市場の隙間」を埋めることであったりする。つまり、まだ存在しないものの、大きな需要が見込まれる航空機のクラスや設計を埋めることである。

設計に影響を与えるもう 1 つの重要な要素は、新しい航空機の設計に対する型式証明を取得するための要件です。これらの要件は、米国連邦航空局や欧州航空安全機関などの主要な国の耐空性当局によって公表されています。^{[ 2 ] [ 3 ]}

空港では航空機に制限を設ける場合もあり、例えば、地上走行中の航空機同士の衝突を防ぐため、通常の航空機の最大翼幅は80メートル（260フィート）に制限されている。 ^{[ 4 ]} 

予算の制約、市場の要求、競争は設計プロセスに制約を与え、環境要因とともに航空機設計に対する非技術的な影響を構成します。競争により、企業は性能を損なうことなく設計の効率性を向上させ、新しい技術やテクノロジーを取り入れるよう努力するようになります。^{[ 5 ]}

1950年代と60年代には、達成不可能なプロジェクト目標が定期的に設定され、その後放棄されたが、今日ではボーイング787やロッキード・マーティンF-35のような問題のあるプログラムは、予想よりもはるかにコストがかかり、開発が複雑であることが証明されている。 より高度で統合された設計ツールが開発されている。モデルベースのシステムエンジニアリングは潜在的に問題のある相互作用を予測し、計算分析と最適化により、設計者はプロセスの初期段階でより多くのオプションを検討することができる。エンジニアリングと製造における自動化の増加により、より迅速かつ安価な開発が可能になる。 材料から製造に至るまでの技術の進歩により、多機能部品のようなより複雑な設計バリエーションが可能になる。かつては設計や製造が不可能だったこれらは、現在では3Dプリントが可能だが、ノースロップ・グラマンB-21やエンジンを換装したA320neoや737 MAXのような用途での有用性はまだ証明されていない。エアバスとボーイングは、次世代の旅客機が以前の世代よりもコストがかからないという経済的な限界も認識している。^{[ 6 ]}

航空機の数が増えるということは、炭素排出量も増えることを意味します。環境科学者は、航空機に関連する主な種類の汚染、主に騒音と排出物について懸念を表明しています。航空機のエンジンは、歴史的に騒音公害を引き起こすことで悪名高く、すでに混雑し汚染されている都市の上空に航空路が拡張されることは大きな批判を浴びており、航空機の騒音に対する環境政策が必要となっています。^{[ 7 ] [ 8 ]}騒音は、気流の方向が変わる機体からも発生します。^{[ 9 ]}騒音規制の改善により、設計者はより静かなエンジンと機体を作ることを余儀なくされています。^{[ 10 ]}航空機からの排出物には、粒子状物質、二酸化炭素（CO2 ）、二酸化硫黄（SO2 _）、一酸化炭素（CO）、さまざまな硝酸塩酸化物、未燃焼炭化水素_が含まれます。^{[ 11 ]} 汚染に対処するため、ICAOは1981年に航空機の排出物を制御するための勧告を設定しました。^{[ 12 ]}より新しい環境に優しい燃料が開発され^{[ 13 ]}、製造におけるリサイクル可能な材料の使用^{[ 14 ]}により、航空機による環境への影響が軽減されています。環境上の制約は、飛行場の適合性にも影響します。世界中の空港は、特定の地域の地形に合わせて建設されています。スペースの制約、舗装設計、滑走路末端の安全区域、空港の独特な位置などは、航空機の設計に影響を与える空港要因の一部です。しかし、航空機の設計変更も飛行場の設計に影響を与えます。たとえば、スーパージャンボのエアバスA380などの新しい大型航空機（NLA）の最近の導入により、世界中の空港は、その大きなサイズとサービス要件に対応するために施設を再設計しています。^{[ 15 ] [ 16 ]}

高速、燃料タンク、巡航高度での大気の状態、自然災害（雷雨、雹、バードストライク）、人為的ミスなどは、航空旅行を脅かす多くの危険の一部である。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

耐空性とは、航空機が飛行に適していると判断される基準です。^{[ 20 ]} 耐空性に関する責任は、各国の民間航空規制機関、製造業者、所有者、運航者にあります。

国際民間航空機関は、各国当局が規制の基礎とすべき国際基準と推奨慣行を設定しています。^{[ 21 ] [ 22 ]}各国の規制当局は、耐空性基準を設定し、製造業者や運航業者に証明書を発行し、人員訓練の基準を設定します。^{[ 23 ]}各国には、米国の連邦航空局、インドの民間航空総局（DGCA）など、独自の規制機関があります。

航空機メーカーは、航空機が既存の設計基準を満たしていることを確認し、運用上の制限事項と整備スケジュールを定め、航空機の運用期間全体にわたってサポートと整備を提供します。航空事業者には、旅客航空会社、貨物航空会社、空軍、および自家用機の所有者が含まれます。彼らは、規制機関が定める規則を遵守し、メーカーが指定する航空機の制限事項を理解し、欠陥を報告し、メーカーが耐空性基準を維持できるよう協力することに同意します。

最近の機体設計に関する批判のほとんどは、耐衝撃性に関するものです。耐空性に最大限の注意を払っても、事故は依然として発生します。耐衝撃性とは、航空機が事故をどれだけ乗り越えられるかを定性的に評価したものです。主な目的は、事故による損傷から乗客や貴重な貨物を保護することです。旅客機の場合、加圧された胴体の応力外皮がこの機能を提供しますが、機首または尾部が衝突すると、胴体全体に大きな曲げモーメントが蓄積され、外皮に亀裂が生じ、胴体が小さな部分に分裂します。^{[ 24 ]}そのため、旅客機は、プロペラ、エンジンナセル、着陸装置など、事故で侵入される可能性のある場所から座席配置が離れるように設計されています。^{[ 25 ]}また、客室の内部には、客室の圧力が失われた場合に降下する酸素マスク、施錠可能な荷物室、シートベルト、救命胴衣、非常口、発光床ストリップなどの安全機能も備えられています。航空機は緊急時の水上着陸を想定して設計されている場合があり、例えばエアバスA330には、機体下部のバルブや開口部を閉じて水の浸入を遅らせる「着水」スイッチがあります。^{[ 26 ]}

固定翼航空機の翼は、飛行に必要な揚力を発生させます。翼の形状は、航空機の飛行のあらゆる側面に影響します。翼面積は通常、目標とする失速速度によって決まりますが、平面形状の全体的な形状やその他の細部は、翼の配置要因によって影響を受ける可能性があります。^{[ 30 ]}翼は、胴体に対して高位置、低位置、中間位置に取り付けることができます。翼の設計は、アスペクト比、テーパー比、後退角、厚さ比、断面形状、ねじり下げ、上反角などの多くのパラメータに依存します。^{[ 31 ]} 翼の断面形状は、翼型です。^{[ 32 ]}翼の構造は、翼型の形状を定義するリブから始まります。リブは、木材、金属、プラスチック、または複合材で作ることができます。^{[ 33 ]}

翼は、操縦時や突風によって生じる最大荷重に耐えられるよう設​​計および試験されなければならない。

胴体とは、操縦席、客室、または貨物室を含む航空機の部分である。 ^{[ 34 ]}

航空機の推進は、特別に設計された航空機エンジン、改造された自動車、オートバイ、またはスノーモービルのエンジン、電気エンジン、あるいは人間の筋力によって実現される可能性があります。エンジン設計の主なパラメータは次のとおりです。^{[ 35 ]}

• 利用可能な最大エンジン推力
• 燃費
• エンジン質量
• エンジン形状

エンジンの推力は巡航速度での抗力と釣り合い、加速を可能にするためには抗力よりも大きくなければなりません。エンジンの要求は航空機の種類によって異なります。たとえば、民間旅客機は巡航速度で過ごす時間が長いため、より高いエンジン効率が必要です。高性能戦闘機は非常に高い加速を必要とするため、非常に高い推力が必要です。^{[ 36 ]}

航空機の重量は、空力、構造、推進など、航空機設計のあらゆる側面を結びつける共通の要素です。航空機の重量は、空虚重量、ペイロード、有効積載量など、さまざまな要素から導き出されます。さまざまな重量を使用して、航空機全体の重心を計算します。^{[ 37 ]} 重心は、製造元によって設定された制限内に収まる必要があります。

航空機の構造は、強度、空力弾性、耐久性、損傷許容度、安定性だけでなく、フェイルセーフ、耐腐食性、保守性、製造の容易性にも重点を置いています。構造は、搭載されている場合は客室加圧、乱流、エンジンまたはローターの振動によって生じる応力に耐えることができなければなりません。^{[ 38 ]}

航空機の概念設計では、必要な設計仕様を満たすさまざまな構成をスケッチします。一連の構成を描くことで、設計者は、すべての要件を十分に満たし、空力、推進、飛行性能、構造、制御システムなどの要素と調和する設計構成に到達しようとします。^{[ 40 ]} これは設計最適化と呼ばれます。胴体の形状、翼の構成と位置、エンジンのサイズとタイプなどの基本的な側面はすべてこの段階で決定されます。上記のような設計上の制約もすべてこの段階で考慮されます。最終成果物は、紙またはコンピュータ画面上の航空機構成の概念レイアウトであり、エンジニアや他の設計者によってレビューされます。

概念設計段階で決定された設計構成は、設計パラメータに適合するように微調整および再構築されます。この段階では、風洞試験と航空機周辺の流体場の計算流体力学計算が行われます。主要な構造および制御解析もこの段階で行われます。空力的な欠陥や構造的な不安定性があれば修正され、最終設計が描かれ、確定されます。設計が確定した後、製造業者または設計者が実際に航空機の生産を進めるかどうかという重要な決定を下します。^{[ 41 ]} この時点で、飛行と性能は完全に可能であっても、経済的に実現不可能なため、いくつかの設計が生産から除外される可能性があります。

この段階では、製造される航空機の製造面のみを扱います。リブ、スパー、セクション、その他の構造要素の数、設計、位置を決定します。^{[ 42 ]} 空力、構造、推進、制御、性能に関するすべての側面は予備設計段階ですでに網羅されており、製造のみが残っています。航空機のフライトシミュレーターもこの段階で開発されます。

商用航空機の中には、開発段階で大幅なスケジュール遅延やコスト超過を経験したものがある。その例としては、4年の遅延と莫大なコスト超過を経験したボーイング787ドリームライナー、 2年の遅延を経験したボーイング747- 8、 2年の遅延と61億米ドルのコスト超過を経験したエアバスA380 、遅延とコスト超過を経験したエアバスA350 、ボンバルディアCシリーズ、グローバル7000と8000、4年の遅延を経験したCOMAC C919 、そして4年の遅延を経て最終的に空虚重量の問題を抱えることになった三菱リージョナルジェットなどが挙げられる。^{[ 43 ]}

• トーマス・C・ヘイズ（1981年11月27日）「ボーイングの『エンジン換装』への懸念」ニューヨーク・タイムズ。
• オリバー・ワイマン（2010年12月）「エンジンを換装するかしないか：それが問題だ」。アビエーション・ウィーク・ネットワーク。