基于適航符合性的翼身融合布局客機(jī)客艙布置設(shè)計

潘立軍，吳大衛(wèi)，譚兆光，張怡哲，柴嘯,袁昌盛，陳迎春,*

1. 中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司 上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210 2. 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072

翼身融合(BWB)布局的概念從出現(xiàn)到現(xiàn)在已有100余年，但早期主要集中在軍用飛機(jī)領(lǐng)域的研究。由于當(dāng)時技術(shù)水平所限，其固有的操縱性和穩(wěn)定性問題亟待解決，隨著YB-49的兩架原型機(jī)相繼墜毀，翼身融合布局研究進(jìn)入低潮期[1]。直到戰(zhàn)略轟炸機(jī)B2的出現(xiàn)，重新提起了人們對此類外形的濃厚興趣，并探討了應(yīng)用于民航客機(jī)或運輸機(jī)的可能性[2]。麥道公司首先提出了早期的融合式布局客機(jī)初步方案[3]。近30年來，翼身融合布局得到了很大發(fā)展，國內(nèi)外許多高校、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)分別開展了總體設(shè)計與優(yōu)化[3-6]、氣動設(shè)計[7-9]、結(jié)構(gòu)與重量評估[10-12]、推進(jìn)系統(tǒng)[13]和操穩(wěn)特性設(shè)計[14-17]等相關(guān)研究。但對于客艙的設(shè)計還不夠完善，尤其基于適航標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計更是少之又少，因此有必要針對翼身融合布局較為系統(tǒng)地基于適航符合性開展客艙設(shè)計。

翼身融合布局客機(jī)的客艙設(shè)計與常規(guī)桶狀機(jī)身有著很大區(qū)別。由于乘客集中在大堂式的中心體內(nèi)，且應(yīng)急出口不同于常規(guī)桶狀機(jī)身位于兩側(cè)，因此需要合理設(shè)計應(yīng)急撤離系統(tǒng)。此外，由于中心體需要承受增壓彎曲載荷和機(jī)翼彎曲載荷，同時又需要滿足乘坐空間、客艙地板傾角與巡航迎角要求，因此需要綜合考慮結(jié)構(gòu)和氣動進(jìn)行客艙優(yōu)化設(shè)計。

本文以某翼身融合布局客機(jī)方案為對象，基于適航符合性，結(jié)合結(jié)構(gòu)空間限制，從過道寬度、最大并排座椅數(shù)、應(yīng)急出口布置、應(yīng)急撤離、乘務(wù)員座椅布置、洗手間和廚房布置、乘客舒適性等方面，對其客艙布置開展設(shè)計。

1 某翼身融合布局客機(jī)主要參數(shù)

某翼身融合布局客機(jī)如圖1所示，采用前三點式起落架，機(jī)翼為中單翼、后掠、下反，融合式翼梢小翼，兩個發(fā)動機(jī)布置于中心體與機(jī)翼融合處上側(cè)，V型尾翼，翼展約為74 m，主輪距約為11 m。

圖1 某翼身融合布局客機(jī)Fig.1 A BWB civil aircraft

2 客艙剖面設(shè)計

常規(guī)客機(jī)的客艙剖面有圓形、橢圓形和多圓弧過渡等，翼身融合布局客機(jī)的客艙剖面與此截然不同，大多采用多艙室的結(jié)構(gòu)形式，為了承受增壓彎曲載荷和機(jī)翼彎曲載荷，Velicki等提出了采用拉擠棒縫合高效組合結(jié)構(gòu)(Pultruded Rod Stitched Efficient Unitized Structure, PRSEUS)[10]。

出于對乘客舒適性的考慮，對靠窗(或艙室壁板)乘客的頭部、肩部以及肘部、腳部等節(jié)點與客艙內(nèi)壁的最小距離都有要求，經(jīng)濟(jì)艙乘客頭部、肩部分別不小于50 mm、25 mm，肘部、腳外側(cè)可以觸碰客艙內(nèi)壁，且標(biāo)準(zhǔn)身高的乘客在過道內(nèi)直立行走時，其頭頂距離客艙天花板的最小距離一般不小于75 mm[18]。此外，適航標(biāo)準(zhǔn)[19]規(guī)定：① 對 于大于20座的客機(jī)，過道寬度在任何一處不得小于380 mm(15 in，離地板小于635 mm處)或510 mm(20 in，離地板等于或大于635 mm處)；② 在只有一條過道的客機(jī)上，過道每側(cè)任何一排的并排座椅數(shù)不得大于3。

基于上述適航要求，同時考慮到中間乘客的舒適性，首先對經(jīng)濟(jì)艙座椅進(jìn)行設(shè)計，中間座椅靠背寬為469.9 mm(18.5 in)，其余座椅靠背寬為457.2 mm(18 in)，扶手寬為50.8 mm(2 in)。由此形成的經(jīng)濟(jì)艙典型客艙剖面如圖2所示，整個客艙采用4艙室的結(jié)構(gòu)形式，全部艙室都為單通道“3+3”布局，貨艙可容納4個標(biāo)準(zhǔn)LD3集裝箱。

圖2 經(jīng)濟(jì)艙典型客艙剖面Fig.2 Typical cabin cross-section of economy class

客艙窗戶的設(shè)計是提高舒適性時需重點考慮的問題，其設(shè)計有如下原則[18]：

1) 最大面積以獲得最大的自然光通過量。

2) 盡可能多地讓乘客有最大的外部視角，一般需要獲得大于50°的視角。

3) 窗戶間距主要由機(jī)身框距確定，而不是由座椅排距確定。

4) 增壓艙的窗戶形狀為圓形、帶圓角的矩形、橢圓形或卵形，以減小應(yīng)力集中。

5) 窗戶上沿大致與標(biāo)準(zhǔn)人眼位齊平。

翼身融合布局客機(jī)的客艙窗戶不同于常規(guī)客機(jī)，受氣動外形和結(jié)構(gòu)限制，通常布置于中心體前部兩側(cè)，公務(wù)艙客艙窗戶尺寸和位置如圖3所示，窗戶尺寸與B787機(jī)型相當(dāng)，根據(jù)5百分位和95百分位的40歲美國男性的身體尺寸確定眼位，可以看出，靠窗乘客視角偏小，僅21°～22°。

圖3 公務(wù)艙典型客艙剖面及窗戶尺寸和位置Fig.3 Typical cabin cross-section and window’s dimension and position of business class

3 客艙平面設(shè)計

3.1 座椅排距

座椅排距直接影響著乘客的舒適性，各家航空公司的方案不盡相同，各級座艙座椅排距參考值[18, 20-23]如表1所示。

出于乘客舒適性的考慮，當(dāng)今主流機(jī)型(如B787、B777、A350等)典型兩艙布局的座椅排距較早期參考資料值偏大，故典型兩艙布局的座椅排距分別取為1 524 mm(60 in)和812.8 mm(32 in)。此外，各級座艙第1排座椅與前隔板的距離可分別取508 mm(20 in)和407 mm(16 in)[18]。

表1 典型座椅排距Table 1 Typical seat pitch

注：1 in = 25.4 mm。

3.2 應(yīng)急出口

適航標(biāo)準(zhǔn)[19]對應(yīng)急出口的類型和數(shù)量都作了明確的規(guī)定，對于300座以上的客機(jī)應(yīng)急出口通常采用A型出口：寬不少于1 066 mm(42 in)，高不少于1 829 mm(72 in)，圓角不得大于178 mm(7 in)，與地板齊平的矩形開口，最大許可乘客座椅數(shù)為110。此外，適航標(biāo)準(zhǔn)[19]規(guī)定：出口應(yīng)考慮乘客座椅的分布，盡可能均勻布置；且在機(jī)身每一艙段每側(cè)的相鄰出口的距離不得超過18.3 m(60 ft)。出口均布性可根據(jù)咨詢通告(AC25.807-1)的方法檢驗。

3.3 應(yīng)急出口通路

適航標(biāo)準(zhǔn)[19]對應(yīng)急出口通路作了詳細(xì)規(guī)定，現(xiàn)歸納如下：

1) “…通往A型和B型出口的通道不得有障礙物，寬度至少為914 mm(36 in)…”。

2) “…當(dāng)有兩條或多條主過道時，兩條主過道之間必須設(shè)置若干寬度至少為510 mm(20 in)的無障礙橫向過道，其設(shè)置要滿足以下要求：必須有一條橫向過道通向最近的主過道與A型、B型應(yīng)急出口之間的每一條通道…”。

為滿足應(yīng)急出口無障礙通道最小寬度的要求，靠近應(yīng)急出口處的座椅布置可以采用加大排距、限制座椅靠背后傾、去掉一個座椅等措施；靠近應(yīng)急出口處廚房、洗手間、衣帽間等的布置，也應(yīng)滿足最小通道寬度的要求；此外，要考慮幫助乘客撤離的乘務(wù)員的活動區(qū)域(咨詢通告AC25-17A中規(guī)定此區(qū)域不小于12 in×20 in，即304.8 mm×508 mm)，A型出口的通道寬度如圖4 所示。

適航標(biāo)準(zhǔn)[19]規(guī)定對客座量大于44座的飛機(jī)，必須表明其最大乘座量的乘員能在90 s內(nèi)在模擬的應(yīng)急情況下從飛機(jī)撤離至地面。

圖4 A型出口的通道寬度Fig.4 Width of Type A exit passageway

3.4 洗手間和廚房

洗手間和廚房是客機(jī)必須考慮的乘客服務(wù)設(shè)施，洗手間布置時，應(yīng)考慮以下因素[18]：

1) 每個艙室至少有一個洗手間，避免穿過其他艙室使用洗手間。

2) 避免穿過廚房工作區(qū)域使用洗手間。

3) 洗手間應(yīng)布置在乘坐舒適性差的地方。

4) 洗手間布置應(yīng)考慮客艙布置的靈活性，能較容易地改變座椅位置。

5) 希望每一個艙室有一個可供殘疾人使用的洗手間。

根據(jù)主流寬體客機(jī)數(shù)據(jù)，頭等艙每6～16名旅客配置1個洗手間；公務(wù)艙、經(jīng)濟(jì)艙分別為約20名和50名；洗手間尺寸取為965.2 mm×1 219.2 mm (即38 in×48 in)。

廚房布置時，應(yīng)考慮以下因素[18]：

1) 廚房位于右側(cè)，靠近服務(wù)門的位置，避免影響乘客登機(jī)。

2) 廚房的工作區(qū)域應(yīng)當(dāng)避開飛行中乘客的活動區(qū)域。

3) 每一個艙室都應(yīng)有廚房。

4) 廚房位置應(yīng)可變動，以便換成其他服務(wù)設(shè)施。

廚房的占地面積則根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的食品車的數(shù)量來估算。根據(jù)主流寬體客機(jī)數(shù)據(jù)，頭等艙每1名旅客配置0.4～1.3個食品車，公務(wù)艙、經(jīng)濟(jì)艙分別為0.24～0.58個和0.08～0.11個。知道食品車的規(guī)格與數(shù)量，考慮到食品車之間的間隙和廚房結(jié)構(gòu)的厚度等，就可得出廚房占客艙地板的總面積。

3.5 乘務(wù)員座椅數(shù)

適航標(biāo)準(zhǔn)[24]規(guī)定：對于100座以上的客機(jī)，在配備2名客艙乘務(wù)員的基礎(chǔ)上，按照每增加50個旅客座位增加1名客艙乘務(wù)員的方法配備，不足50的余數(shù)部分按照50計算。此外，乘務(wù)員座椅應(yīng)盡量布置在能直接觀察到其所負(fù)責(zé)客艙區(qū)域的位置，可根據(jù)咨詢通告(AC25.785-1B)的方法檢驗。

根據(jù)主流寬體客機(jī)數(shù)據(jù)，頭等艙乘務(wù)員均不少于3人，頭等艙每2～7.3名旅客配置1名乘務(wù)員，公務(wù)艙、經(jīng)濟(jì)艙分別約為7～27名和40名配置1名乘務(wù)員。

4 最終方案

4.1 典型兩艙布置方案

考慮上述要求，最終設(shè)計的382座典型兩艙布置方案如圖5所示,具體描述如下：

1) 公務(wù)艙30座，排距60 in，洗手間2個，廚房2個(全尺寸食品車9個)，衣帽間1個，儲物間2個，小型吧臺2個，乘務(wù)員4人，每個艙室都含有洗手間、廚房和衣帽間，避免穿過其他艙室使用洗手間的情況，保證了公務(wù)艙乘客乘坐舒適性。

2) 經(jīng)濟(jì)艙352座，排距為32 in，洗手間8個，廚房7個(前艙2個，全尺寸食品車10個；后艙5個，全尺寸食品車25個)，儲物間2個，乘務(wù)員9人，每個艙室都含有洗手間和廚房，避免了穿過其他艙室使用洗手間的情況。

3) 前部工作區(qū)上方布置了2個乘務(wù)員床位和1個座椅，后部工作區(qū)上方布置了6個乘務(wù)員床位，滿足機(jī)組休息需求。

4) 機(jī)頭布置了2對A型出口，中心體后部機(jī)腹處布置了4個A型出口(MD-82、B717等有相近的尾錐型出口)，且每個出口處都配有乘務(wù)員，客艙具有4條縱向通道和5條橫向通道，可以滿足適航規(guī)章對應(yīng)急出口和應(yīng)急出口通路的要求。

4.2 應(yīng)急撤離分析

適航標(biāo)準(zhǔn)[19]的“90 s應(yīng)急撤離”要求通常需要實際演示來表明符合性。國內(nèi)外已有一些仿真系統(tǒng)，可對應(yīng)急撤離特性進(jìn)行分析。張玉剛等[25]設(shè)計了基于元胞自動機(jī)的民機(jī)應(yīng)急撤離仿真系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對本客艙布置方案進(jìn)行了評估，如圖6所示，其中不同顏色、不同大小的方塊代表隨機(jī)生成的不同屬性(年齡、性別、體重、運動速率等)的個體，包括機(jī)組15人，乘客382人(女性比例為40.05%，50歲以上比例為35.34%，50歲以上女性比例為15.18%，3人模擬攜帶嬰孩)；帶圓圈方塊和帶叉方塊分別代表散落的物品，來模擬輕微障礙；2對機(jī)頭A型出口和4個機(jī)腹A型出口每對出口各選擇1個作為可用出口。以上設(shè)定滿足適航標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 382座典型兩艙客艙布置Fig.5 Typical layout of 2-class cabin with 382 seats

仿真結(jié)果顯示總撤離時間為88.27 s，初步證明了方案的可行性。但考慮到仿真系統(tǒng)模型作了簡化，且未能準(zhǔn)確模擬翼身融合布局外形及出口位置，因此翼身融合客艙布置方案的應(yīng)急撤離特性尚需要進(jìn)一步的研究。

4.3 舒適性對比

選取座級相當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)客機(jī)B777-200作為參考，其典型兩艙客艙布置如圖7所示，共375座。

1) 公務(wù)艙30座，排距為38 in，洗手間2個，廚房3個(全尺寸食品車8個，半尺寸食品車3個)，衣帽間1個，儲物間1個，乘務(wù)員3人。

2) 經(jīng)濟(jì)艙345座，排距為32 in(其中152座排距為31 in)，洗手間8個，廚房5個(前艙2個，全尺寸食品車9個；后艙3個，全尺寸食品車16個)，儲物間2個，乘務(wù)員9人。

對比4.1節(jié)可以看出，翼身融合布局客機(jī)382座典型兩艙客艙布置方案縱向空間舒適性較高,具體如下：

1) 有效載客多出7人。

2) 公務(wù)艙、經(jīng)濟(jì)艙排距上都存在優(yōu)勢，前者高出達(dá)58%。

3) 公務(wù)艙廚房空間相對略小，但經(jīng)濟(jì)艙廚房可多容納10個食品車。

4) 公務(wù)艙乘務(wù)員多1人，經(jīng)濟(jì)艙相同。

5) 公務(wù)艙儲物間多1個，經(jīng)濟(jì)艙相同。

6) 洗手間個數(shù)相同。

B777-200典型客艙剖面如圖8所示，公務(wù)艙采用雙通道“2+2+2”布局，經(jīng)濟(jì)艙采用雙通道“2+5+2”布局，與圖2和圖3對比可以看出，翼身融合布局客機(jī)382座典型兩艙客艙布置方案橫向空間舒適性稍差,具體表現(xiàn)為：

圖6 應(yīng)急撤離仿真Fig.6 Emergency evacuation simulation

1) 經(jīng)濟(jì)艙三聯(lián)座兩側(cè)座椅靠背窄0.5 in，中間靠背寬度相同，扶手寬度相同；公務(wù)艙座椅靠背寬1.5 in，中央扶手窄1 in，兩側(cè)扶手寬度相同。不過，B777-200五聯(lián)座中間乘客舒適性較差。

2) 經(jīng)濟(jì)艙過道寬度窄0.5 in；公務(wù)艙過道寬度窄3 in。

3) 經(jīng)濟(jì)艙無窗戶，公務(wù)艙靠窗乘客視角偏小(B777-200為26°～31°)。

但翼身融合布局客機(jī)382座典型兩艙客艙布置方案垂向空間舒適性較高,具體表現(xiàn)為：

1) 過道高度約高0.1 m(4.2%)。

2) 兩側(cè)艙室外側(cè)乘客頭部空間約多0.1 m(4%)，其余靠近艙室壁板的乘客頭部空間約多0.3 m(18%)。

此外，適航規(guī)章中對應(yīng)急照明、應(yīng)急出口標(biāo)記、應(yīng)急撤離輔助措施和撤離路線等也有要求，這里不再贅述。

圖7 B777-200典型兩艙客艙布置Fig.7 Typical layout of B777-200 2-class cabin

圖8 B777-200典型客艙剖面Fig.8 Cross-section of B777-200 typical cabin

5 結(jié) 論

1) 針對某翼身融合布局客機(jī)，設(shè)計了符合適航標(biāo)準(zhǔn)的382座典型兩艙客艙布置方案。

2) 客艙設(shè)置有2對機(jī)頭A型出口和4個機(jī)腹A型出口，4條縱向通道和5條橫向通道，滿足適航標(biāo)準(zhǔn)要求。

3) 該方案可以滿足適航標(biāo)準(zhǔn)對過道寬度、最大并排座椅數(shù)、應(yīng)急出口類型、應(yīng)急出口均布性、應(yīng)急出口通路、乘務(wù)員數(shù)量、乘務(wù)員視界等相關(guān)要求。

4) 通過與座級相當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)客機(jī)對比，該布局縱向和垂向空間舒適性較高，公務(wù)艙座椅排距約多出58%，靠近艙室壁板的乘客頭部空間約多出4%～18%；但橫向空間舒適性稍差。

5) 通過應(yīng)急撤離仿真系統(tǒng)分析，該布局滿足“90 s應(yīng)急撤離”要求。