雙通道民用飛機(jī)機(jī)身典型剖面設(shè)計研究

吳洋　張振偉

【摘 要】實現(xiàn)民用飛機(jī)客艙典型剖面的最優(yōu)化設(shè)計，是提高飛機(jī)總體設(shè)計指標(biāo)的重要前提。本文通過對比分析空客波音雙通道民用飛機(jī)機(jī)身典型剖面設(shè)計參數(shù)，對雙通道民用飛機(jī)機(jī)身典型剖面設(shè)計進(jìn)行了初步研究，以期為雙通道民用飛機(jī)機(jī)身典型剖面設(shè)計提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】典型剖面；民用飛機(jī)；雙通道

【Abstract】For civil aircraft， the optimal fuselage cross section is the base precondition to achieve a good genera design performance. According to analyzing and comparing the Boeing&Airbus dual-channel civil aircraft fuselage cross section design parameters，the profile of a typical dual-channel civil fuselage cross section design were studied， which will provide the basis for dual-channel civil aircraft fuselage cross section design.

【Key words】Cross section； Civil aircraft； Dual-Channel

0 引言

對于民用飛機(jī)，客艙典型剖面的設(shè)計，事實上反映了客艙的舒適水平和貨艙的裝載能力以及為了滿足這種舒適性水平和裝載能力而需要付出的飛機(jī)重量和氣動阻力等代價之間的一種權(quán)衡，客艙典型剖面選擇的優(yōu)劣，對飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和舒適性也極為重要。[1]

1 剖面形狀設(shè)計研究

對于增壓客艙飛機(jī)，大部分機(jī)身剖面設(shè)計成圓形，主要源于以下兩個原因：

1）從氣動效率考慮：消除尖角，飛機(jī)在正常的迎角和側(cè)滑角時不致出現(xiàn)氣流過早分離；

2）從結(jié)構(gòu)承載考慮：圓形剖面結(jié)構(gòu)承載效率最高，當(dāng)機(jī)身內(nèi)部增壓時，圓形機(jī)身以環(huán)形張力來平衡內(nèi)部壓力載荷，而任何非圓形剖面都將承受彎曲應(yīng)力。

然而，從空間有效利用率來分析，對于剖面直徑不是特別大的飛機(jī)，圓形剖面將造成客艙空間的浪費(fèi)。因此，為滿足一些飛機(jī)對旅客座椅和集裝箱布置需求，常采用雙圓或多圓剖面形式。多圓剖面由多段圓弧和與其相協(xié)調(diào)的光滑過渡曲線組成，可根據(jù)客艙布置需要，靈活改變圓弧半徑和圓心位置，實現(xiàn)客艙空間的充分利用。[2]

2 空客波音雙通道飛機(jī)剖面設(shè)計

3 各剖面設(shè)計參數(shù)分析

一般來說，座椅扶手處是座椅最寬處，而扶手距地板高度一般為625mm （25in），因此客艙地板距離上圓圓心（此處剖面最寬）的最佳距離約在600mm左右（因為座椅最寬處有一定高度），此時，剖面空間利用率最高，靠窗戶的乘客乘坐最舒適。但是受到剖面高度和貨艙裝載標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的限制，客艙地板的位置需要綜合權(quán)衡。

地板以下需要布置客艙地板結(jié)構(gòu)空間 （對于6000mm左右的雙通道飛機(jī)，此值大概為200mm）、標(biāo)準(zhǔn)集裝箱裝載空間（A330/340、B787、B777典型剖面均裝載2個LD3）、以及貨艙地板結(jié)構(gòu)空間。

對于標(biāo)準(zhǔn)集裝箱裝載空間，LD3集裝箱標(biāo)準(zhǔn)尺寸79in×64in ×61.5in。

考慮到集裝箱與集裝箱以及集裝箱與側(cè)壁至少2in的間隙要求，貨艙寬度至少164in。集裝箱與頂部天花板至少3in的防火以及裝載要求，以及與貨艙地板至少2in的滾柱裝載要求，貨艙高度至少69in。集裝箱底面寬度61.5in，考慮到兩集裝箱間2in的間隙要求，貨艙地板寬度最少125in。如圖2所示。

對于貨艙地板結(jié)構(gòu)空間，從圖1和表1可以得知，A330/340、B787、B777依次變大，而A330/340、B787、B777的當(dāng)量直徑也是依次變大，因此從結(jié)構(gòu)承載效率來講，這種貨艙地板結(jié)構(gòu)空間隨當(dāng)量直徑增大的設(shè)計對結(jié)構(gòu)設(shè)計減重是有利的。另一方面，對于裝載標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，其貨艙地板以上2in（集裝箱滾柱厚度） 高度處的有效寬度必須大于3715mm（125in）。此寬度的要求也限制了地板結(jié)構(gòu)空間的大小。

由于地板以下空間的限制，以及剖面總高的限制，使得地板與上圓圓心距離A330/340、B787、B777依次增大，在此基礎(chǔ)上為滿足座椅布置與側(cè)壁板的干涉問題，A330/340內(nèi)飾與座椅的距離只能增大。

而B787三圓的成型方式，把剖面高度有效增加，巧妙的解決了上述問題。經(jīng)過反推，若B787采用正圓方式，預(yù)達(dá)到目前的綜合配置，其剖面直徑最少增加101.6mm（4in）。而剖面直徑的增加勢必會帶來重量、氣動阻力的增加以及設(shè)計復(fù)雜度的增加。

因此，B787采用三圓成型而非正圓，其更為為更強(qiáng)調(diào)的是內(nèi)部裝載效率和結(jié)構(gòu)承載能力的綜合考慮。

4 結(jié)論

典型剖面數(shù)據(jù)是民用飛機(jī)設(shè)計的最初始輸入，雙通道民用飛機(jī)機(jī)身典型剖面由于其自身設(shè)計的復(fù)雜性，勢必是一項涉及專業(yè)廣、設(shè)計參數(shù)多的系統(tǒng)設(shè)計工程，其設(shè)計的優(yōu)劣對整機(jī)的綜合性能以及整個工程的進(jìn)度影響都很大，因此設(shè)計之初必須積累和掌握大量的參考數(shù)據(jù)，并在充分考慮其可能影響的專業(yè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行詳細(xì)迭代設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)計的最優(yōu)化。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉積倉，主編.飛機(jī)設(shè)計手冊第七冊民機(jī)構(gòu)型初步設(shè)計與推進(jìn)系統(tǒng)一體化設(shè)計[M].1版.北京航空工業(yè)出版社出版發(fā)行.

[2]L.R.詹金森P.辛普金D.羅茲.民用噴氣飛機(jī)設(shè)計[M].中國航空研究院.

[責(zé)任編輯：張濤]

【摘 要】實現(xiàn)民用飛機(jī)客艙典型剖面的最優(yōu)化設(shè)計，是提高飛機(jī)總體設(shè)計指標(biāo)的重要前提。本文通過對比分析空客波音雙通道民用飛機(jī)機(jī)身典型剖面設(shè)計參數(shù)，對雙通道民用飛機(jī)機(jī)身典型剖面設(shè)計進(jìn)行了初步研究，以期為雙通道民用飛機(jī)機(jī)身典型剖面設(shè)計提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】典型剖面；民用飛機(jī)；雙通道

【Abstract】For civil aircraft， the optimal fuselage cross section is the base precondition to achieve a good genera design performance. According to analyzing and comparing the Boeing&Airbus dual-channel civil aircraft fuselage cross section design parameters，the profile of a typical dual-channel civil fuselage cross section design were studied， which will provide the basis for dual-channel civil aircraft fuselage cross section design.

【Key words】Cross section； Civil aircraft； Dual-Channel

0 引言

對于民用飛機(jī)，客艙典型剖面的設(shè)計，事實上反映了客艙的舒適水平和貨艙的裝載能力以及為了滿足這種舒適性水平和裝載能力而需要付出的飛機(jī)重量和氣動阻力等代價之間的一種權(quán)衡，客艙典型剖面選擇的優(yōu)劣，對飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和舒適性也極為重要。[1]

1 剖面形狀設(shè)計研究

對于增壓客艙飛機(jī)，大部分機(jī)身剖面設(shè)計成圓形，主要源于以下兩個原因：

1）從氣動效率考慮：消除尖角，飛機(jī)在正常的迎角和側(cè)滑角時不致出現(xiàn)氣流過早分離；

2）從結(jié)構(gòu)承載考慮：圓形剖面結(jié)構(gòu)承載效率最高，當(dāng)機(jī)身內(nèi)部增壓時，圓形機(jī)身以環(huán)形張力來平衡內(nèi)部壓力載荷，而任何非圓形剖面都將承受彎曲應(yīng)力。

然而，從空間有效利用率來分析，對于剖面直徑不是特別大的飛機(jī)，圓形剖面將造成客艙空間的浪費(fèi)。因此，為滿足一些飛機(jī)對旅客座椅和集裝箱布置需求，常采用雙圓或多圓剖面形式。多圓剖面由多段圓弧和與其相協(xié)調(diào)的光滑過渡曲線組成，可根據(jù)客艙布置需要，靈活改變圓弧半徑和圓心位置，實現(xiàn)客艙空間的充分利用。[2]

2 空客波音雙通道飛機(jī)剖面設(shè)計

3 各剖面設(shè)計參數(shù)分析

一般來說，座椅扶手處是座椅最寬處，而扶手距地板高度一般為625mm （25in），因此客艙地板距離上圓圓心（此處剖面最寬）的最佳距離約在600mm左右（因為座椅最寬處有一定高度），此時，剖面空間利用率最高，靠窗戶的乘客乘坐最舒適。但是受到剖面高度和貨艙裝載標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的限制，客艙地板的位置需要綜合權(quán)衡。

地板以下需要布置客艙地板結(jié)構(gòu)空間 （對于6000mm左右的雙通道飛機(jī)，此值大概為200mm）、標(biāo)準(zhǔn)集裝箱裝載空間（A330/340、B787、B777典型剖面均裝載2個LD3）、以及貨艙地板結(jié)構(gòu)空間。

對于標(biāo)準(zhǔn)集裝箱裝載空間，LD3集裝箱標(biāo)準(zhǔn)尺寸79in×64in ×61.5in。

考慮到集裝箱與集裝箱以及集裝箱與側(cè)壁至少2in的間隙要求，貨艙寬度至少164in。集裝箱與頂部天花板至少3in的防火以及裝載要求，以及與貨艙地板至少2in的滾柱裝載要求，貨艙高度至少69in。集裝箱底面寬度61.5in，考慮到兩集裝箱間2in的間隙要求，貨艙地板寬度最少125in。如圖2所示。

對于貨艙地板結(jié)構(gòu)空間，從圖1和表1可以得知，A330/340、B787、B777依次變大，而A330/340、B787、B777的當(dāng)量直徑也是依次變大，因此從結(jié)構(gòu)承載效率來講，這種貨艙地板結(jié)構(gòu)空間隨當(dāng)量直徑增大的設(shè)計對結(jié)構(gòu)設(shè)計減重是有利的。另一方面，對于裝載標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，其貨艙地板以上2in（集裝箱滾柱厚度） 高度處的有效寬度必須大于3715mm（125in）。此寬度的要求也限制了地板結(jié)構(gòu)空間的大小。

由于地板以下空間的限制，以及剖面總高的限制，使得地板與上圓圓心距離A330/340、B787、B777依次增大，在此基礎(chǔ)上為滿足座椅布置與側(cè)壁板的干涉問題，A330/340內(nèi)飾與座椅的距離只能增大。

而B787三圓的成型方式，把剖面高度有效增加，巧妙的解決了上述問題。經(jīng)過反推，若B787采用正圓方式，預(yù)達(dá)到目前的綜合配置，其剖面直徑最少增加101.6mm（4in）。而剖面直徑的增加勢必會帶來重量、氣動阻力的增加以及設(shè)計復(fù)雜度的增加。

因此，B787采用三圓成型而非正圓，其更為為更強(qiáng)調(diào)的是內(nèi)部裝載效率和結(jié)構(gòu)承載能力的綜合考慮。

4 結(jié)論

典型剖面數(shù)據(jù)是民用飛機(jī)設(shè)計的最初始輸入，雙通道民用飛機(jī)機(jī)身典型剖面由于其自身設(shè)計的復(fù)雜性，勢必是一項涉及專業(yè)廣、設(shè)計參數(shù)多的系統(tǒng)設(shè)計工程，其設(shè)計的優(yōu)劣對整機(jī)的綜合性能以及整個工程的進(jìn)度影響都很大，因此設(shè)計之初必須積累和掌握大量的參考數(shù)據(jù)，并在充分考慮其可能影響的專業(yè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行詳細(xì)迭代設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)計的最優(yōu)化。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉積倉，主編.飛機(jī)設(shè)計手冊第七冊民機(jī)構(gòu)型初步設(shè)計與推進(jìn)系統(tǒng)一體化設(shè)計[M].1版.北京航空工業(yè)出版社出版發(fā)行.

[2]L.R.詹金森P.辛普金D.羅茲.民用噴氣飛機(jī)設(shè)計[M].中國航空研究院.

[責(zé)任編輯：張濤]

【摘 要】實現(xiàn)民用飛機(jī)客艙典型剖面的最優(yōu)化設(shè)計，是提高飛機(jī)總體設(shè)計指標(biāo)的重要前提。本文通過對比分析空客波音雙通道民用飛機(jī)機(jī)身典型剖面設(shè)計參數(shù)，對雙通道民用飛機(jī)機(jī)身典型剖面設(shè)計進(jìn)行了初步研究，以期為雙通道民用飛機(jī)機(jī)身典型剖面設(shè)計提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】典型剖面；民用飛機(jī)；雙通道

【Abstract】For civil aircraft， the optimal fuselage cross section is the base precondition to achieve a good genera design performance. According to analyzing and comparing the Boeing&Airbus dual-channel civil aircraft fuselage cross section design parameters，the profile of a typical dual-channel civil fuselage cross section design were studied， which will provide the basis for dual-channel civil aircraft fuselage cross section design.

【Key words】Cross section； Civil aircraft； Dual-Channel

0 引言

對于民用飛機(jī)，客艙典型剖面的設(shè)計，事實上反映了客艙的舒適水平和貨艙的裝載能力以及為了滿足這種舒適性水平和裝載能力而需要付出的飛機(jī)重量和氣動阻力等代價之間的一種權(quán)衡，客艙典型剖面選擇的優(yōu)劣，對飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和舒適性也極為重要。[1]

1 剖面形狀設(shè)計研究

對于增壓客艙飛機(jī)，大部分機(jī)身剖面設(shè)計成圓形，主要源于以下兩個原因：

1）從氣動效率考慮：消除尖角，飛機(jī)在正常的迎角和側(cè)滑角時不致出現(xiàn)氣流過早分離；

2）從結(jié)構(gòu)承載考慮：圓形剖面結(jié)構(gòu)承載效率最高，當(dāng)機(jī)身內(nèi)部增壓時，圓形機(jī)身以環(huán)形張力來平衡內(nèi)部壓力載荷，而任何非圓形剖面都將承受彎曲應(yīng)力。

然而，從空間有效利用率來分析，對于剖面直徑不是特別大的飛機(jī)，圓形剖面將造成客艙空間的浪費(fèi)。因此，為滿足一些飛機(jī)對旅客座椅和集裝箱布置需求，常采用雙圓或多圓剖面形式。多圓剖面由多段圓弧和與其相協(xié)調(diào)的光滑過渡曲線組成，可根據(jù)客艙布置需要，靈活改變圓弧半徑和圓心位置，實現(xiàn)客艙空間的充分利用。[2]

2 空客波音雙通道飛機(jī)剖面設(shè)計

3 各剖面設(shè)計參數(shù)分析

一般來說，座椅扶手處是座椅最寬處，而扶手距地板高度一般為625mm （25in），因此客艙地板距離上圓圓心（此處剖面最寬）的最佳距離約在600mm左右（因為座椅最寬處有一定高度），此時，剖面空間利用率最高，靠窗戶的乘客乘坐最舒適。但是受到剖面高度和貨艙裝載標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的限制，客艙地板的位置需要綜合權(quán)衡。

地板以下需要布置客艙地板結(jié)構(gòu)空間 （對于6000mm左右的雙通道飛機(jī)，此值大概為200mm）、標(biāo)準(zhǔn)集裝箱裝載空間（A330/340、B787、B777典型剖面均裝載2個LD3）、以及貨艙地板結(jié)構(gòu)空間。

對于標(biāo)準(zhǔn)集裝箱裝載空間，LD3集裝箱標(biāo)準(zhǔn)尺寸79in×64in ×61.5in。

考慮到集裝箱與集裝箱以及集裝箱與側(cè)壁至少2in的間隙要求，貨艙寬度至少164in。集裝箱與頂部天花板至少3in的防火以及裝載要求，以及與貨艙地板至少2in的滾柱裝載要求，貨艙高度至少69in。集裝箱底面寬度61.5in，考慮到兩集裝箱間2in的間隙要求，貨艙地板寬度最少125in。如圖2所示。

對于貨艙地板結(jié)構(gòu)空間，從圖1和表1可以得知，A330/340、B787、B777依次變大，而A330/340、B787、B777的當(dāng)量直徑也是依次變大，因此從結(jié)構(gòu)承載效率來講，這種貨艙地板結(jié)構(gòu)空間隨當(dāng)量直徑增大的設(shè)計對結(jié)構(gòu)設(shè)計減重是有利的。另一方面，對于裝載標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，其貨艙地板以上2in（集裝箱滾柱厚度） 高度處的有效寬度必須大于3715mm（125in）。此寬度的要求也限制了地板結(jié)構(gòu)空間的大小。

由于地板以下空間的限制，以及剖面總高的限制，使得地板與上圓圓心距離A330/340、B787、B777依次增大，在此基礎(chǔ)上為滿足座椅布置與側(cè)壁板的干涉問題，A330/340內(nèi)飾與座椅的距離只能增大。

而B787三圓的成型方式，把剖面高度有效增加，巧妙的解決了上述問題。經(jīng)過反推，若B787采用正圓方式，預(yù)達(dá)到目前的綜合配置，其剖面直徑最少增加101.6mm（4in）。而剖面直徑的增加勢必會帶來重量、氣動阻力的增加以及設(shè)計復(fù)雜度的增加。

因此，B787采用三圓成型而非正圓，其更為為更強(qiáng)調(diào)的是內(nèi)部裝載效率和結(jié)構(gòu)承載能力的綜合考慮。

4 結(jié)論

典型剖面數(shù)據(jù)是民用飛機(jī)設(shè)計的最初始輸入，雙通道民用飛機(jī)機(jī)身典型剖面由于其自身設(shè)計的復(fù)雜性，勢必是一項涉及專業(yè)廣、設(shè)計參數(shù)多的系統(tǒng)設(shè)計工程，其設(shè)計的優(yōu)劣對整機(jī)的綜合性能以及整個工程的進(jìn)度影響都很大，因此設(shè)計之初必須積累和掌握大量的參考數(shù)據(jù)，并在充分考慮其可能影響的專業(yè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行詳細(xì)迭代設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)計的最優(yōu)化。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉積倉，主編.飛機(jī)設(shè)計手冊第七冊民機(jī)構(gòu)型初步設(shè)計與推進(jìn)系統(tǒng)一體化設(shè)計[M].1版.北京航空工業(yè)出版社出版發(fā)行.

[2]L.R.詹金森P.辛普金D.羅茲.民用噴氣飛機(jī)設(shè)計[M].中國航空研究院.

[責(zé)任編輯：張濤]