Uçak tasarım süreci, güçlü, hafif, ekonomik, yeterli bir yük taşıyabilen ve tasarım ömrü boyunca güvenli bir şekilde uçabilen bir hava aracını tasarlamak için kullanılan genel bir süreçtir.

Uçağın amacı, tasarım sürecinin başlangıcıdır. Ticari yolcu uçakları, örneğin daha fazla yolcu ve kargo taşıma kapasitesi, daha uzun menzil ve daha verimli yakıt kullanımı için tasarlanırken, savaş jetleri karaya yakın destek sağlamak ve hızlı manevralar yapmak için tasarlanmıştır. Amfibi uçaklar hem karadan hem de su üzerinden uçmaya izin veren benzersiz bir tasarıma sahiptir, bazı savaş jetleri (örneğin Harrier jump jet) dikey kalkış ve iniş yapabilir, helikopterler ise belirli bir süre boyunca belirli bir alan üzerinde kalabilirler.

Bir uçak tasarım ve geliştirme süreci uzun ve zorludur. Uçak tasarımında yüksek derece mühendislik bilgisi gerekmektedir. Bunlar, uçak tasarımı, aerodinamik, malzeme bilimi ve ağırlıkların tahmin edilmesi, yapısal yükler ve analizi, motor teknolojisi ve uçuş dinamikleri gibi çeşitli mühendislik disiplinlerini kapsar. Bu konularda derinlemesine bilgi sahibi olmak çok önemlidir. Uçuş güvenli ve tekrarlanabilir bir şekilde yapılmalıdır.

Kavramsal tasarım

Uçağın kavramsal tasarımı kağıt üzerinde veya bilgisayar destekli bir tasarım aracıyla başlar. Eski uçaklar çoğunlukla kağıt ve bilgisayarlı araçların birleşimi kullanılarak tasarlanırken, Boeing 777 %100 Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) yazılımı kullanılarak tasarlanan ilk uçaktır. CAD programları uçak tasarımında en yaygın kullanılan araçlardan biridir. SolidWorks, CATIA ve AutoCAD gibi CAD programlarını kullanarak 3D modelleme, simülasyon ve tasarım analizi yapar. Kavramsal tasarım, uçak için belirlenen gerekli parametrelere uyacak şekilde birçok kez yenilenir ve optimize edilir. Tasarım tamamlandıktan sonra ağırlıkların tahminine başlamanın zamanı gelmiştir.

Ağırlıkların Belirlenmesi

Gövde, kanatlar, yatay ve dikey dengeleyiciler, iniş takımları ve motorlar gibi ana bileşenlerin ağırlıklarının ilk adım olarak tahmin edilmesini içerir. Her bir ana bileşenin boyutu ve konumuna bağlı olarak ağırlıklar dengelenir. Mühendisler, benzer uçakların geçmiş değerlerini kullanarak hesaplamalara başlar. Her bir ana bileşenin ağırlığı, diğer parçalara göre uygun bir ağırlık oranını sergilemelidir çünkü aerodinamik özellikler  her bir bileşenin ağırlığına bağlı olacaktır. Malzeme ve uçağın ağırlığına bağlı yapı analizi yazılımları kullanılarak ağırlıklar optimize edilir. Uçakların yapısal analizleri ve malzeme seçimi özel yazılımlar tarafından gerçekleştirilir. Bu alanda MATLAB ve Abaqus gibi araçlar kullanılabilir.

Uçuş Dinamikleri

Aynı zamanda performans grafiği olarak bilinir ve uçağın tasarım yeteneklerini belirlemek için kullanılır. Kalkış, tırmanış, seyir ve iniş gibi farklı uçuş aşamalarında uçak çeşitli yapısal yüklemelerden geçer. Kısıtlama diyagramları, maksimum hız, irtifa, yük faktörü ve manevra kabiliyeti için sınırları hesaplayarak geliştirilir. Uçak yük faktörünü etkileyen en kritik parametreler, uçuş zarfı diyagramında gösterilir. Genellikle hava hızı (V) ve yük faktörü (n) terimleriyle ifade edildiği için buna V-n diyagramı denir.

Yapısal Yükler

Uçağın çeşitli parçalarına etki eden kuvvet ve momentleri ifade eder. Bu yükler, uçağın uçuş aşamalarında ve durumlarında karşılaştığı kuvvetlerin ve momentlerin analizini içerir. Uçakların güvenli ve dayanıklı bir şekilde uçabilmesi için yapısal yükler dikkate alınmalıdır.

Kanatlar, yatay ve dikey dengeleyiciler, iniş takımları, motorlar ve gövde gibi ana bileşenler, çeşitli durumlarda çeşitli yapısal yüklerle karşı karşıya kalacaktır. Kalkış, tırmanış, seyir ve iniş gibi uçuş aşamalarında ve hatta zorlu hava koşullarında bu yükler meydana gelir.

Yapısal yüklerin doğru bir şekilde değerlendirilmesi, uçağın dayanıklılığını, malzeme seçimini ve genel performansını artırmak için çok önemlidir. Mühendisler, uçak tasarımı yapısal yükleri analiz ederek güvenlik standartlarını ve uçağın belirli kullanım amaçlarına uygunluğunu değerlendirebilir.

Aerodinamik Kontrolü

Uçağın çeşitli bileşenleri üzerindeki aerodinamik kuvvetler tahmin edilir. Kaldırma, direnç ve moment kuvvetleri, her bir parça üzerinde ve çeşitli bileşikler arasındaki etkileşimlerden kaynaklananlar da dahil olmak üzere temel olarak tahmin edilir. Örneğin, gövde üzerindeki deri sürtünme direnci, kanatlardaki ile farklıdır. Ancak, gövde ile kanatlar arasındaki etkileşim direnci ayrı bir şekilde hesaplanır. Uçuşun farklı aşamalarında kanatlardaki kaldırma tahmin edilir. Ayrıca, çeşitli uçuş rejimleri için pitch, roll ve yaw momentleri tahmin edilir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD)  yazılımları, uçak tasarımı için aerodinamik analizler yapmak için kullanılır. Bu alanda ANSYS Fluent ve OpenFOAM gibi CFD araçları kullanılmaktadır.

Uçak Tasarımı tipik mühendislik tasarım prosedürlerine benzer ancak daha zordur; yüksek düzeyde konfigürasyon takasları, analiz ve testlerin karışımı ve yapının her bir parçasının yeterliliğinin detaylı bir şekilde değerlendirilmesi gerekir.