Profilo generale
Storia e tendenze future
Quando Wilbur e Orville Wright fecero il loro primo volo di successo nel 1903, la produzione di aerei era un mestiere praticato nei piccoli negozi di sperimentatori e avventurieri. I piccoli ma drammatici contributi forniti dagli aerei militari durante la prima guerra mondiale hanno contribuito a portare la produzione fuori dall'officina alla produzione di massa. Gli aerei di seconda generazione hanno aiutato gli operatori del dopoguerra a farsi strada nella sfera commerciale, in particolare come vettori di posta e merci espresse. Gli aerei di linea, tuttavia, sono rimasti non pressurizzati, scarsamente riscaldati e incapaci di volare al di sopra del tempo. Nonostante questi inconvenienti, il viaggio dei passeggeri è aumentato del 600% dal 1936 al 1941, ma è stato ancora un lusso che relativamente pochi hanno sperimentato. I notevoli progressi della tecnologia aeronautica e l'uso concomitante della potenza aerea durante la seconda guerra mondiale hanno favorito la crescita esplosiva della capacità di produzione di aeromobili che è sopravvissuta alla guerra negli Stati Uniti, nel Regno Unito e nell'Unione Sovietica. A partire dalla seconda guerra mondiale, i missili tattici e strategici, i satelliti da ricognizione e navigazione e gli aerei pilotati hanno assunto un significato militare sempre maggiore. Le tecnologie di comunicazione satellitare, geomonitoraggio e tracciamento meteorologico sono diventate di crescente importanza commerciale. L'introduzione di aerei civili a turbogetto alla fine degli anni '1950 ha reso i viaggi aerei più veloci e più confortevoli e ha dato inizio a una crescita drammatica dei viaggi aerei commerciali. Nel 1993 oltre 1.25 trilioni di miglia passeggeri sono state percorse in tutto il mondo ogni anno. Questa cifra dovrebbe quasi triplicare entro il 2013.
Modelli occupazionali
L'occupazione nelle industrie aerospaziali è altamente ciclica. L'occupazione diretta nel settore aerospaziale nell'Unione Europea, Nord America e Giappone ha raggiunto il picco di 1,770,000 nel 1989 prima di scendere a 1,300,000 nel 1995, con gran parte della perdita di occupazione che si è verificata negli Stati Uniti e nel Regno Unito. La grande industria aerospaziale nella Confederazione degli Stati Indipendenti è stata notevolmente perturbata in seguito alla disgregazione dell'Unione Sovietica. In India e in Cina esiste una capacità produttiva piccola ma in rapida crescita. La produzione di missili intercontinentali e spaziali e di bombardieri a lungo raggio è stata in gran parte limitata agli Stati Uniti e all'ex Unione Sovietica, con la Francia che ha sviluppato capacità commerciali di lancio spaziale. Missili strategici a corto raggio, missili tattici e bombardieri, razzi commerciali e aerei da combattimento sono prodotti più ampiamente. I grandi aerei commerciali (quelli con una capacità di 100 o più posti) sono costruiti da, o in collaborazione con, produttori con sede negli Stati Uniti e in Europa. La produzione di aerei regionali (capacità inferiore a 100 posti) e business jet è più dispersa. La produzione di aeromobili per piloti privati, con sede principalmente negli Stati Uniti, è diminuita da quasi 18,000 aeromobili nel 1978 a meno di 1,000 nel 1992 prima di rimbalzare.
L'occupazione è suddivisa in misura approssimativamente uguale tra la produzione di aerei militari, aerei commerciali, missili e veicoli spaziali e relative attrezzature. All'interno delle singole imprese, le posizioni ingegneristiche, manifatturiere e amministrative rappresentano ciascuna circa un terzo della popolazione occupata. I maschi rappresentano circa l'80% della forza lavoro di ingegneria e produzione aerospaziale, con la stragrande maggioranza di artigiani, ingegneri e direttori di produzione altamente qualificati che sono maschi.
Divisioni di settore
Le esigenze e le pratiche nettamente diverse dei clienti governativi e civili in genere si traducono nella segmentazione dei produttori aerospaziali in società di difesa e commerciali o divisioni di società più grandi. Le strutture dei velivoli, i motori (chiamati anche propulsori) e l'avionica (apparecchiature elettroniche di navigazione, comunicazione e controllo di volo) sono generalmente forniti da produttori separati. I motori e l'avionica possono rappresentare ciascuno un quarto del costo finale di un aereo di linea. La produzione aerospaziale richiede la progettazione, la fabbricazione e l'assemblaggio, l'ispezione e il collaudo di una vasta gamma di componenti. I produttori hanno formato gruppi interconnessi di subappaltatori e fornitori interni ed esterni di componenti per soddisfare le loro esigenze. Le esigenze economiche, tecnologiche, di marketing e politiche hanno portato a una crescente globalizzazione della produzione di componenti e sottogruppi di aeromobili.
Materiali, strutture e processi di produzione
Materiali
Le strutture dei velivoli erano originariamente realizzate in legno e tessuto, e poi si sono evolute in componenti strutturali in metallo. Le leghe di alluminio sono state ampiamente utilizzate per la loro resistenza e leggerezza. Vengono utilizzate anche leghe di berillio, titanio e magnesio, in particolare negli aerei ad alte prestazioni. I materiali compositi avanzati (matrici di fibre incorporate in matrici di plastica) sono una famiglia di sostituti resistenti e durevoli dei componenti metallici. I materiali compositi offrono una resistenza uguale o maggiore, un peso inferiore e una maggiore resistenza al calore rispetto ai metalli attualmente utilizzati e hanno l'ulteriore vantaggio negli aerei militari di ridurre significativamente il profilo radar della cellula. I sistemi di resina epossidica sono i compositi più comunemente utilizzati nel settore aerospaziale, rappresentando circa il 65% dei materiali utilizzati. I sistemi di resina poliimmide vengono utilizzati dove è richiesta resistenza alle alte temperature. Altri sistemi di resina utilizzati includono composti fenolici, poliesteri e siliconi. Le ammine alifatiche sono spesso utilizzate come agenti indurenti. Le fibre di supporto includono grafite, kevlar e fibra di vetro. Stabilizzanti, catalizzatori, acceleratori, antiossidanti e plastificanti fungono da accessori per produrre la consistenza desiderata. Ulteriori sistemi di resina includono poliesteri saturi e insaturi, poliuretani e polimeri contenenti vinile, acrilico, urea e fluoro.
Primer, lacche e smalti proteggono le superfici vulnerabili da temperature estreme e condizioni corrosive. La vernice di fondo più comune è composta da resine sintetiche pigmentate con zinco cromato e pigmento esteso. Essicca molto rapidamente, migliora l'adesione delle finiture e previene la corrosione dell'alluminio, dell'acciaio e delle loro leghe. Smalti e lacche vengono applicati su superfici innescate come rivestimenti protettivi esterni e finiture e per scopi di colore. Gli smalti aeronautici sono costituiti da oli essiccanti, resine naturali e sintetiche, pigmenti e solventi appropriati. A seconda della loro applicazione, le lacche possono contenere resine, plastificanti, esteri di cellulosa, cromato di zinco, pigmenti, cariche e solventi appropriati. Le miscele di gomma trovano uso comune in vernici, materiali di rivestimento per celle a combustibile, lubrificanti e conservanti, supporti motore, indumenti protettivi, tubi flessibili, guarnizioni e tenute. Gli oli naturali e sintetici vengono utilizzati per raffreddare, lubrificare e ridurre l'attrito nei motori, nei sistemi idraulici e nelle macchine utensili. La benzina per aviazione e il carburante per aerei derivano da idrocarburi a base di petrolio. I combustibili liquidi e solidi ad alta energia hanno applicazioni per i voli spaziali e contengono materiali con proprietà fisiche e chimiche intrinsecamente pericolose; tali materiali includono ossigeno liquido, idrazina, perossidi e fluoro.
Nel processo di fabbricazione vengono utilizzati molti materiali che non diventano parte della cellula finale. I produttori possono avere decine di migliaia di singoli prodotti approvati per l'uso, anche se molti meno sono in uso in qualsiasi momento. Viene utilizzata una grande quantità e varietà di solventi, con varianti dannose per l'ambiente come il metiletilchetone e il freon sostituiti con solventi più rispettosi dell'ambiente. Le leghe di acciaio contenenti cromo e nichel sono utilizzate negli utensili e le punte di metallo duro contenenti cobalto e carburo di tungsteno sono utilizzate negli utensili da taglio. Il piombo, precedentemente utilizzato nei processi di formatura dei metalli, è ora usato raramente, essendo stato sostituito con kirksite.
In totale, l'industria aerospaziale utilizza più di 5,000 sostanze chimiche e miscele di composti chimici, la maggior parte con più fornitori e con molti composti contenenti da cinque a dieci ingredienti. L'esatta composizione di alcuni prodotti è proprietaria, o un segreto commerciale, che si aggiunge alla complessità di questo gruppo eterogeneo.
Strutture e processi di produzione
La produzione della cellula in genere viene eseguita in grandi impianti integrati. Gli impianti più recenti hanno spesso sistemi di ventilazione di scarico ad alto volume con aria di reintegro controllata. I sistemi di scarico locali possono essere aggiunti per funzioni specifiche. La fresatura chimica e la verniciatura di componenti di grandi dimensioni vengono ora eseguite regolarmente in cabine o cabine chiuse e automatizzate che contengono vapori o nebbie in fuga. Gli impianti di produzione più vecchi possono fornire un controllo molto più scarso dei rischi ambientali.
Un ampio gruppo di ingegneri altamente qualificati sviluppa e perfeziona le caratteristiche strutturali dell'aeromobile o del veicolo spaziale. Altri ingegneri caratterizzano la forza e la durata dei materiali dei componenti e sviluppano processi di produzione efficaci. I computer hanno svolto gran parte del lavoro di calcolo e disegno precedentemente svolto da ingegneri, disegnatori e tecnici. I sistemi informatici integrati possono ora essere utilizzati per progettare aeromobili senza l'ausilio di disegni su carta o modelli strutturali.
La produzione inizia con la fabbricazione: la realizzazione di parti da materiali di scorta. La fabbricazione comprende la costruzione di utensili e maschere, la lavorazione della lamiera, la lavorazione meccanica, la lavorazione della plastica e dei compositi e le attività di supporto. Gli strumenti sono costruiti come modelli e superfici di lavoro su cui costruire parti metalliche o composite. Le maschere guidano il taglio, la foratura e il montaggio. Le sottosezioni della fusoliera, i pannelli delle porte e i rivestimenti delle ali e della coda (superfici esterne) sono tipicamente formati da fogli di alluminio sagomati, tagliati e trattati chimicamente con precisione. Le operazioni della macchina sono spesso controllate da computer. Enormi mulini montati su rotaia lavorano i longheroni delle ali da singoli forgiati in alluminio. Le parti più piccole vengono tagliate e sagomate con precisione su frese, torni e molatrici. La canalizzazione è formata da lamiera o compositi. I componenti interni, compresa la pavimentazione, sono tipicamente formati da compositi o laminati di strati esterni sottili ma rigidi su un interno a nido d'ape. I materiali compositi vengono stesi (posizionati in strati sovrapposti accuratamente disposti e sagomati) a mano o a macchina e poi polimerizzati in forno o in autoclave.
L'assemblaggio inizia con l'accumulo di parti componenti in sottoassiemi. I principali sottogruppi includono ali, stabilizzatori, sezioni di fusoliera, carrello di atterraggio, porte e componenti interni. L'assemblaggio delle ali è particolarmente intenso, richiedendo un gran numero di fori da praticare con precisione e svasare nelle pelli, attraverso i quali vengono successivamente inseriti i rivetti. L'ala finita viene pulita e sigillata dall'interno per garantire un vano carburante a prova di perdite. L'assemblaggio finale avviene in enormi capannoni di montaggio, alcuni dei quali sono tra i più grandi edifici di produzione del mondo. La catena di montaggio comprende diverse posizioni sequenziali in cui la cellula rimane da diversi giorni a più di una settimana mentre vengono eseguite funzioni predeterminate. Numerose operazioni di assemblaggio si svolgono simultaneamente in ogni posizione, creando il potenziale per esposizioni incrociate alle sostanze chimiche. Parti e sottoassiemi vengono spostati su carrelli, trasportatori personalizzati e gru a ponte nella posizione appropriata. La cellula viene spostata da una posizione all'altra tramite un carroponte fino a quando non vengono installati il carrello di atterraggio e il carrello anteriore. I movimenti successivi vengono effettuati mediante traino.
Durante l'assemblaggio finale, le sezioni della fusoliera vengono rivettate insieme attorno a una struttura di supporto. Le travi del pavimento e le traverse sono installate e l'interno è rivestito con un composto anticorrosione. Le sezioni anteriore e posteriore della fusoliera sono unite alle ali e al troncone dell'ala (una struttura scatolare che funge da serbatoio principale del carburante e centro strutturale dell'aereo). L'interno della fusoliera è ricoperto da coperte isolanti in fibra di vetro, sono installati cavi elettrici e condotti dell'aria e le superfici interne sono rivestite con pannelli decorativi. Vengono quindi installati i contenitori di stoccaggio, in genere con luci per i passeggeri integrate e forniture di ossigeno di emergenza. I sedili, le cucine e i servizi igienici preassemblati vengono spostati manualmente e fissati ai binari del pavimento, consentendo la rapida riconfigurazione della cabina passeggeri per conformarsi alle esigenze del vettore aereo. Vengono montati motopropulsori, carrello di atterraggio e carrello anteriore e vengono installati i componenti avionici. Il funzionamento di tutti i componenti viene accuratamente testato prima del traino dell'aeromobile completato in un deposito di vernice separato e ben ventilato, dove viene applicato uno strato di primer protettivo (normalmente a base di zinco-cromato), seguito da uno strato superiore decorativo di uretano o resina epossidica dipingere. Prima della consegna, l'aereo viene sottoposto a una rigorosa serie di test a terra e in volo.
Oltre ai lavoratori impegnati nei processi di ingegneria e produzione effettivi, molti dipendenti sono impegnati nella pianificazione, nel monitoraggio e nell'ispezione del lavoro e nell'accelerazione del movimento di parti e strumenti. Gli artigiani mantengono gli utensili elettrici e rettificano le punte da taglio. È necessario personale numeroso per la manutenzione degli edifici, i servizi di pulizia e il funzionamento dei veicoli terrestri.