Understanding Airplanes

246 Pages·2016·40.78 MB·English

by  Bernardo Malfitano

Introduction – 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 © Bernardo Malfitano
UNDERSTANDING AIRPLANES
©Bernardo Malfitano, 2018
UnderstandingAirplanes.com 1
Introduction – 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 © Bernardo Malfitano
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This course is popular among Boeing employees. However, it is open to the public. Many people in the room during these lectures are NOT Boeing employees!
Dwo noot rdkiscsu s(s eBo.egin.g  apr owprieetbarys iintfoerm, aytioonu, i.re . odewtailns a bpourte Bsoeeinng ptraodtuicotsn (o rs plroidceessess,)  taha tb haoveo nkot, b eeetnc re.l)e,a stedh bey nBo eyinog tuo  thme puubslitc  in… books,
articles / conferences, exhibits, press releases / interviews, documentaries / TV shows, or Boeing’s website / YouTube channel, etc.
‐ credit Bernardo Malfitano and UnderstandingAirplanes.com as the source of what you use,
The way I think about it: I’m just going to pretend that all of the students taking this course are Airbus employees!
Alon‐g spimuilabr lliniecsl: yTh er eoblseeravastieon st, hcoenc lucsoionns,t geennerta liyzaotioun sc, arned oaptineio nus enxpdreessre da h elriec aeren msy eow sn,i nmot imlay erm tpoloy etrh’s.is one.
I am not a Boeing spokesperson, I do not represent Boeing.
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(This means these slides may not be shown or distributed inside for‐profit companies).
General Disclaimer: I don’t know everything
Exceptions to the above restrictions are granted by me on a case‐by‐case basis.
I have an academic background in aerodynamics (wind tunnel research into lift and drag), have done plenty of propulsion projectsand classes
(e.g. designing, fabricating, and testing components for aerospace engines, and writing code to model the thermodynamic behaviorof said engines, i.e. their 
Feel free to contact me, Bernardo Malfitano, at [email protected]
temperatures and pressures and thrust and fuel efficiency), currently work as a structures engineer and researcher, am a pilot, and have helped to design and 
built and test a UAV control system. So I think I do have a better overall understanding of how airplanes work than do most people at Boeing, who rarely look 
outside their niche.
Images: Many of the images in these slides do not belong to me (or to the public domain); 
However, I don’t know allthe specific details about how allairplane features work, why they are shaped the way they are, or the history of how they got that way. There are 
quTeshtioenys y owu meary eha vree thlaet Ia dsone’t dkn obwy th et ahnsewierrs  tcor, aenda itf yoour sas ku thnemd, eI wril l Cletr yeoua ktniovwe. “ WChoy emxacmtly doo nthes t ulribcoefann nsozezlses, o an tnhed 78 m7 anad n74y7‐ 8m havue sscta llbopeed  
‘chevron’ edges?”; I’m not really sure. All I know is that they help the turbofan air mix with the free‐stream air in a way thatmakes less noise and is more fuel‐efficient (and I think 
thceyr seavde iwteeighdt  toino).d Beivyoindd tuhaat,l yloyu.’l l Yhaoveu to w aski laln  efxipnerdt i nt thhaet pmarti caulanr dfie ldt.h Buet, iarg asino, four rmcoset asir plliasnet epadrts ,a I hto ntehstely t heinnk tdha to I cfa nt ghivies a  bdetotecr aunsmwere thnant .most 
people (including most academics and most Boeing people) about why it has its shape, how it works, and the history of how it gotthis way.
Technical note – Embedded videos: Slides 10, 19, 22, 24, 31, 89, 134, 144, 178, 186, 222, and 244 of this PDF contain videos.
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Introduction – 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 © Bernardo Malfitano
Bernardo Malfitano
Academic
• B.S. Mechanical Engr., Stanford University
• M.S. Mechanical Engr., Columbia University
Elective courses, lab work, and research topics included
airplane design, aerodynamics, control systems, and propulsion
.
Hobbies
• Articles and photos on various aviation
magazines, websites, & books, since 2003
• Pilot, RV‐6 owner.  1st solo: 2009 
1st aerobatic solo: 2012
1st flight to Oshkosh: 2014
.
Professional
• Boeing Commercial Aviation Services
(Fleet support, structural analysis of repairs,
maintenance planning); Long Beach: 2007‐2008
• BCA Structural Damage Technology
(Fatigue & Fracture Mechanics allowables testing
and analysis methods development); Everett: 2009‐2018
• BCA Airplane Configuration & Integration
(Product Development); Harbour Pointe: 2018‐Present
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Introduction – 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 © Bernardo Malfitano
“Understanding Airplanes” Agenda
•Everything I say will be written on
theodd‐numberedslides.
• 1: Lift & Wings …………………………………………………… 8 •So:Don’tworryabouttakingnotes.
• 2: Drag & Aerodynamics ……………………………………. 46 •Iwillsayallthethingswrittenonthe
odd‐numberedslides.
• 3: Balance, Stability, & Controls.…………………………. 104 •So: You’re better off just listening to
metalk,ratherthantryingtoreadthe
• 4: Weight & Structures ………………………………………. 150
paperwhileI’mtalking 
• 5: Gliders Activity ………………………………………………. 194
• 6: Thrust & Engines …………………………………………... 196
Note: In the interest of time,
• 7: Performance 232 thiscourseblaststhroughmost
ofthecontentwithoutdivingin
– Takeoff, Climb, Gliding, Landing .………………… 234
depth. Many interesting topics
and fascinating aeronautical
– Power Curve, Cruise Speed  ………………………. 246
projects are only quickly
– Flight Envelope …………………..……………………… 266 mentioned, or discussed for a
minute or two, but each of
• 8: Payload & Range, the Market, Derivatives …….. 272 them would make for a terrific
book or course all by itself.
These slides contain enough
names and terms so that you
can research further if any
Note: These ~275 slides are for the eight‐hour version of the “Understanding Airplanes” course, which
aircraft or topic sounds
focusesonlyon commercialairlinertechnology.Visit the“Resources”pageon www.UnderstandingAirplanes.com
interesting to you. Just go to
forthe~340slidesfromthefull10‐hourversion,aswellasadditionalslidesfromstand‐alonepresentations.
Google,Wikipedia,etc.
These cover additional topics such as aviation history, piston engines, stealth airplane design, aerobatics,
foam‐sandwichstructures,supersonicaerodynamics,seaplanes,theusedof3Dprintinginaeronautics,etc.
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Introduction – 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 © Bernardo Malfitano
The Modern Airplane
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Introduction – 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 © Bernardo Malfitano
Four Forces
LIFT
DRAG
THRUST
WEIGHT
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Introduction – 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 © Bernardo Malfitano
Four Forces
• Lift is the upwards force from how the wings push 
the air downwards
• Drag is the backwards force from how everything on 
the airplane pulls the air forwards
• Thrust is the forwards force from how the engines 
push the air backwards
• Weight is the downwards force from how the 
airplane and the Earth attract each other
(Now, let’s break down what causes these four forces.
How can we reduce Weight & Drag, and
more efficiently generate Lift & Thrust?)
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Part 1: Lift & Wings – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 © Bernardo Malfitano
Lift and Wings
Coanda effect
at the kitchen sink:
Fluids follow
Newton’s 3rd Law:
curved surfaces
Lift is “caused”
by downwash
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Part 1: Lift & Wings – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 © Bernardo Malfitano
Lift and Wings
• Newton’s Third Law: Wings deflect air downwards, 
air pushes wings upwards.
• Air is deflected downwards because it follows the 
curvature of the wing: This is the “Coanda effect”,
like the convex side of a spoon deflecting a
thin stream of water from a faucet.
• In short: How do wings work? They deflect air 
downwards, which makes the air push them 
upwards. This is the key. Everything else is details.
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Part 1: Lift & Wings – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 © Bernardo Malfitano
Wings Deflect Air
Downwards
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