翼身融合布局客机的客舱设计
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航空科学技术Aeronautical Science &TechnologyMay 252021Vol.32No.0544-53翼身融合客机PRSEUS 壁板参数识别研究与优化设计王凯剑*,张睿,李岩中国航空研究院,北京100028摘要:PRSEUS 壁板结构为翼身融合布局客机的非圆截面机身结构提供了一种创新的解决方案。
本文对PRSEUS 壁板进行了不同载荷条件下的参数识别研究,提取了关键设计参数,并以此为基础进行了优化设计。
首先,提取了PRSEUS 壁板的设计参数,在考虑各组件叠放顺序的基础上进行参数化建模。
其次,基于ISIGHT 平台,采用试验设计(DOE )方法,对PRSEUS 壁板在承受机翼展向弯曲载荷、机身轴向弯曲载荷与客舱增压载荷三种工况下的受力情况进行了分析,提取关键参数。
最后,采用组合优化方案,对PRSEUS 壁板结构在单一载荷与组合载荷下进行优化设计,提高了优化效率。
优化后的PRSEUS 壁板结构承载效率大幅提升,较初始方案减重11.696%,为翼身融合布局客机结构设计提供了参考。
关键词:PRSEUS 壁板;翼身融合客机;参数化建模;关键参数识别;优化设计中图分类号:V22文献标识码:ADOI :10.19452/j.issn1007-5453.2021.05.007美国国家航空航天局(NASA)提出的环境友好航空项目(ERA )旨在通过探索新型的客机结构概念,开发先进的飞机结构,从而在满足载荷条件的情况下提高燃油效率[1-2]。
对传统的“圆截面机身-机翼”结构的改进已不足以实现预期目标,翼身融合(blended-wing-body ,BWB )布局客机结合了飞翼布局与传统运输机的特点,在气动、油耗、噪声和载客量等性能方面相较传统客机有显著提升。
早期,对翼身融合客机的研究侧重于空气动力学、稳定性与控制方面。
近年来,能满足BWB 客机特点承载要求的新型结构性能越来越受到关注[3-8]。
翼身融合技术翼身融合技术是一种在航空领域中日益发展的创新技术。
它将机翼和机身结合在一起,形成一个更加高效、轻量化、流线型的整体结构。
这项技术的研究与应用为飞机设计和制造带来了许多新的可能性,使航空工业迈向了一个全新的阶段。
随着航空工业的发展,传统的飞机设计中存在一些问题。
传统的飞机机翼和机身是分开设计和制造的,两者通过连接处的螺栓等方式连接在一起。
这种设计不仅增加了重量和阻力,还增加了燃油消耗和减少了飞行效率。
此外,连接处也容易出现疲劳和断裂问题,对飞机的安全性构成潜在威胁。
翼身融合技术的出现,正是为了解决传统飞机设计中的种种问题。
通过将机翼和机身整合在一起,可以减少连接处的阻力和摩擦,提高整机的气动效率。
这种一体化设计还可以减轻整机的重量,提高飞机的载荷能力和飞行速度。
同时,翼身融合技术还可以降低生产成本,简化制造流程,提高生产效率。
翼身融合技术的实现主要依靠先进的材料和制造工艺。
例如,碳纤维复合材料被广泛应用于翼身融合结构中,它具有高强度、轻量化和抗腐蚀等优点,可以满足飞机结构的要求。
此外,先进的制造工艺,如自动化制造和三维打印技术,也为翼身融合技术的实现提供了有力的支持。
翼身融合技术的应用不仅可以改善民用飞机的性能,也可以为军用飞机带来诸多优势。
在民用航空领域,翼身融合技术可以提高飞机的燃油效率,减少对环境的影响。
在军用航空领域,翼身融合技术可以提高飞机的机动性和隐身性能,提高飞机在战场上的生存能力。
除了翼身融合技术的应用外,航空工业还在不断探索其他创新技术。
例如,无人机技术、超音速飞行技术、空中交通管理技术等都是当今航空领域的研究热点。
这些技术的出现都将对未来的航空工业产生深远的影响。
总之,翼身融合技术是航空领域中一项重要的创新技术。
它通过将机翼和机身整合在一起,提高了飞机的性能和效率。
翼身融合技术不仅在民用航空领域具有广泛的应用前景,也在军用航空领域具有重要的战略价值。
随着科技的不断进步和创新的推动,相信翼身融合技术将会在未来的航空领域中继续发挥重要作用,推动航空工业迈向新的高度。
工业技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald137翼身融合体飞机(B W B B l e n d e d -Wi n g -B o d y)是一种非常适合超大型载客和载货的飞机。
由于翼身融合,所以可以在提供超过同级别常规布局飞机15%~30%的载客量,同时降低使用成本。
其特点是的整个飞机都提供升力,使得其气动效率大大提高。
在20世纪八九十年代,针对日益高涨的燃油费用和对环境保护意识的加强,各大航空器制造商和研发机构都对B W B飞机开展研究,并推出了众多概念设计方案。
但是由于其远远不同常规圆筒形飞机,一系列的技术难点和适航风险,使得大部分的制造商和研发机构都中止了相关研究。
然而近年来经济的发展,发展中国家对民用航空需求的日益增加,B W B飞机具备的巨大潜力使得其有可能成为下一代超大型运输飞行器,因此对其存在的相关风险也是值得我们去研究的。
1 BW-11飞机客舱布局BW-11客舱布置B W -11是克莱菲尔德大学飞行器设计专业2011级的团队设计项目。
作为A380的竞争机型,B W -11采用翼身融合构型和涡桨发动机。
作为新一代超高载客量和主航线飞机,B W -11飞机可以以360k t s 的速度巡航9200n m。
目标投入运营时间是2020—2030年[1]。
B W -11全经济级和混合级客舱布置如图1、图2所示。
该文的适航符合性主要针对全经济级布局中的上层客舱进行。
相关客舱数据如表1所示。
2 BWB 飞机适航难题由于B W B飞机客舱的不同与传统飞机,基于现有适航条款进行符合性验证时,将会面临诸多问题。
能否解决这些问题将是飞机能否取得TC的关键。
2.1 出口的均匀性适航条例25.807(e)条规定,考虑旅客区域,客舱出口的分布应尽可能的均匀。
[2]根据FA A AC 25.807-l的解释,该条款的主要目的是在应急撤离时,提供合理的撤离途径抵达出口。
浅谈未来民机的一种新布局—翼身融合体
何政道
【期刊名称】《民用飞机设计与研究》
【年(卷),期】2012(000)B11
【摘要】航空技术的发展表现为飞机新布局形式的不断出现.每种新布局都使飞机的性能产生飞跃,甚至是划时代的变化。
航空大国一直致力于新概念布局研究以确保其在未来航空领域处于领跑地位。
介绍了几种喷气式客机的新型布局及各自的特点,并重点分析了翼身融合体飞机(BWB)在结构重量、气动特性、安全性和环保性等方面的优势。
可以看出翼身融合体布局被公认为最有可能成为未来客机的布局形式之一,值得国内研究与探索。
【总页数】4页(P1-4)
【作者】何政道
【作者单位】上海飞机设计研究院,上海201210
【正文语种】中文
【中图分类】V221.3
【相关文献】
1.民机的一种新型布局形式——翼身融合体飞机 [J], 朱自强;王晓璐;吴宗成;陈泽民
2.浅谈未来民机的一种新布局——翼身融合体 [J], 何政道
3.一种翼身融合体飞机的客舱布局 [J], 詹超
4.翼身融合体飞机客舱布局适航符合性问题探讨 [J], 詹超
5.鸭式布局翼身融合体气体外形的设计与实验研究 [J], 王略;章仲安
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翼身融合整体件研制与设计,破坏模式图示破坏原因剪切皱折总体失稳有时由总体失稳引起,芯子剪切模量低,或夹层板厚度不够面板起皱失稳面板薄,芯子压缩强度不够,或原始不平度大。
当面板外鼓时,可能板芯连接强度不够面板格间失稳面板太薄,格子尺寸太大2.夹层结构设计准则夹层结构设计,必须使其在设计载荷作用下满足强度和刚度要求,即①在设计载荷下,面板的面内应力应小于材料强度,或面板应变小于考虑损伤容限的许用应变。
对于复合材料面板:设计载荷=使用载荷×n×fm。
其中,n 是安全系数,fm 是考虑附加湿热影响的载荷放大系数,fm=1.06~1.15。
②芯子应有足够的厚度及刚度,以保证在设计载荷下不发生夹层板总体失稳、剪切破坏以及过大的挠度。
③芯子应有足够的弹性模量,夹层结构应有足够的厚度方向拉、压强度,以保证在设计载荷下,面板不发生皱屈。
④面板应足够厚,蜂窝芯格尺寸应足够小,以防止在设计载荷下发生格内面板失稳。
⑤尽量避免夹层结构承受垂直于板面的集中载荷,以防止局部芯子压塌或面板拉脱。
当集中载荷不可避免时,应采取措施,将载荷分散到其他承力构件上去,而不传给芯子。
3.夹层结构选材原则面板材料的选择包括纤维和树脂两部分,具体内容见7.3节。
芯子材料选择应遵循的原则有:芯子材料密度低,有足够的强度和刚度胶接性能好与面板的电性能相匹配,避免电偶腐蚀工艺性能良好,价格低。
对于某些特殊构件,要考虑芯子的电性能、导热性能、阻燃、防毒和防烟雾性能等。
蜂窝芯子有铝蜂窝、玻璃纤维蜂窝以及芳纶纸蜂窝(即No***x蜂窝)。
芯子形状有正六边形和长方形等,一般采用正六边形。
No***x蜂窝是常用的非金属材料蜂窝,它的模量比同密度的铝蜂窝低很多,强度比铝蜂窝略低,但它有良好的韧性及抗损伤能力,特别是局部损伤后不易产生永久变形。
夹层结构中的胶粘剂分为板—芯胶、芯与骨架元件(如梁、肋)粘接胶,以及芯子与芯子拼接胶三类,其中板—芯胶最为重要。
翼身融合布局增压舱结构特性研究王亚妮,袁昌盛,孔德拴(西北工业大学航空学院,陕西西安710072)来稿日期:2012-08-14作者简介:王亚妮,(1987-),女,陕西渭南人,硕士研究生,主要研究方向:飞行器设计;袁昌盛,(1971-),男,陕西西安人,副教授,主要研究方向:飞行器总体设计1引言为了满足人们利用航空交通“快捷、远距离、方便、舒适、经济”的需要,大型运输机正以前所未有的速度发展。
21世纪,旅客与空运特点的要求是:有更远的航程、更高的速度,进一步提高飞行品质,大大减少噪声和污染,具有良好的经济性,确保安全性。
翼身融合布局的提出正是为了满足这种要求,而且经过探讨发现翼身融合布局具有重量更轻、升阻比更高、燃油消耗率更低、安全性和舒适性更好的优点[1-2]。
美、欧、俄等航空工业较发达的国家以及一些组织相继投入大量资源进行BWB 的研究[3-5]。
翼身融合(BWB ,Blended Wing Body )布局,如图1所示。
常规布局和纯飞翼布局间的过渡,整体是一个升力体,其与传统飞机结构最主要的区别是机身部分由传统的圆筒形变为扁平形状,由此使得机身中心体在内部增压载荷作用下引起了很高的弯曲应力,而不是传统机身上的表面膜应力。
针对此问题,在多舱室机身[6](MBF ,Multi-bubble Fuselage )概念的基础上提出了两种有效的增压舱结构型式,并从空间利用率,布置灵活性、结构效率等方面进行了分析比较,文末给出了两种机身可参考的结构型式,为翼身融合机身的设计提供了重要的参考。
图1翼身融合布局Fig.1Blended wing Body Configuration2翼身融合机身结构特性研究创新性的翼身融合升力体机身部分必须承受舱内压力载荷和较高的机翼弯曲载荷,这些载荷将导致难以估计的非线性应力特性,并可能引起严重的变形和很高的应力集中。
由于传统机身通常为圆柱形,压力载荷由蒙皮的环向应力承担,弯曲载荷由机翼翼盒承担,并在机身段平衡。
翼身融合技术翼身融合技术是一项新颖的先进飞行器结构设计技术,常见于战斗机以及无人机等高速飞行器的设计之中。
具有极高的综合性能、灵活度和稳定性,也为飞行器的速度、机动性、载荷和飞行安全性等方面的优化提供了很多的可能性。
翼身融合技术的应用可以大大提高飞行器的飞行性能,为未来的高速、高机动性的飞行器设计提供了广阔的发展空间和可靠的技术支持。
一、翼身融合技术的定义和研究背景翼身融合技术就是通过重新设计飞行器外形,将机身和机翼完美结合,使得飞行器在飞行过程中具有更出色的飞行性能和灵活度。
翼身融合技术一般是指将机身和机翼进行融合设计,使得机身和机翼之间的分割线消失,将机身和机翼融为一体,就像把翅膀和身体结合在一起飞行一样。
这种设计可以大大减少空气阻力,提升速度、耐久度、操纵性和安全性,且避免因机翼区域过小产生的过弯等负面因果。
目前,翼身融合技术已经被广泛应用在各种高速、高敏捷性的飞行器设计中。
例如,常见的战斗机和无人机等都采用了这种设计,使得其具有更出色的飞行性能和机动性。
此外,翼身融合技术的出现也是由于飞行器在高速飞行时需要解决的一些问题,例如空气阻力和失速等,而翼身融合技术正好可以很好地解决这些问题。
因此,翼身融合技术的研究一直是设计和飞行器制造领域的研究热点,也是未来高性能飞行器设计的重要方向。
二、翼身融合技术的设计技术和方法1、翼身融合的设计方法设计一个翼身融合的飞行器需要考虑机身和机翼之间的配合、空气动力学特性、飞行性能等多个因素。
一般而言,翼身融合的设计方法可以分为三个层面:构造设计、空气动力学特性分析和飞行性能分析。
构造设计层面:构造设计主要是解决机身和机翼连接的问题,其关键是确定外形上的相互过渡区域,使得机身和翼面相互贴合,符合飞行特性的经验公式,进而优化外形和细节设计,确保飞机的力学特性和空气动力学性能在飞行中得到最大限度的维护。
空气动力学层面:空气动力学特性分析是为了优化外形设计和减少机身和翼面的阻力,提升飞机的速度、稳定性和机动性。
一种翼身融合体飞机的客舱布局作者:詹超来源:《科技资讯》2015年第18期摘要:该文主要描述了翼身融合体(BWB)飞机发展兴衰历史和特点,并以其中的客舱布局为主要目标,进行详细的客舱设计。
该文中的客舱基于克莱菲尔德大学2011年的BW-11飞机外形和结构,通过介绍进行客舱设计时,座椅,厨房、盥洗室等设备需要考虑的尺寸,类型和位置,全面展示一个全经济级和一个混合级的客舱布局,并通过分析现役最大的民用客机A380的情况,确定同类型BWB飞机客舱可以提供更多更宽的座椅和全新客舱舒适的体验。
关键词:BWB 客舱布局 BW-11 舒适性中图分类号:V211 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2015)06(c)-0109-03在上世纪末期,BWB(Blended-Wing-Body)构型飞机曾在民用航空领域内掀起过一阵研究热潮,其巨大的气动潜力引得当时主流飞机制造商和研究单位竞相启动研究计划。
但是由于风险较大,空客和波音相继放弃了BWB,重新投入传统飞机构型的研制。
然而,随着民用航空需求的增加,人们的环境保护意识的提高,作为下一代高载客量的航空器,BWB巨大气动潜力和宽阔的客舱使得其具备天然优势。
1 BWB飞机历史翼身融合这个概念,是由加拿大人和德国人几乎在同一时间提出的。
1930年,VincentBurnelli,一个加拿大工程师提出一个新的构型:将机身和机翼进行融合,用来增加额外的升力和客舱容积。
在这个构想牵引下,BurnelliRB-1,BurnelliRB-2,BurnelliCB-16,BurnelliUB-20,BurnelliUB-14和CBY-3等飞机相继问世。
其中CBY-3在加拿大制造并运营,因为它可以飞越加拿大无尽的荒原并可以在640ft内降落。
德国人基于相同的理论也同样推出了Junker30和Junker38。
Junker30起初只能装载13名乘客,而后扩展到30名。
后继机型Junker38最多可以装载38名乘客。
翼身融合技术翼身融合技术是现代飞机设计领域的一项重要技术,它将机身和机翼融合为一体,实现了空气动力学和结构力学的优化设计。
本文将从原理、优点、应用等方面进行详细的介绍。
一、翼身融合技术原理翼身融合技术是将机翼和机身融合在一起,形成一个整体的设计方案,以实现更优秀的飞行性能。
其原理在于将机身和机翼内部的力学关系、气动力学特性进行优化设计,并且将机身和机翼融合在一起,形成一个整体的结构体系。
这种设计方案有效地减少了空气动力学和结构力学对飞机设计带来的限制,使得飞机的设计更为自由,同时也提高了飞行的效率和安全性。
二、翼身融合技术的优点1. 减少气动阻力:由于机身和机翼间的连接在翼身融合技术中得到优化,能使得飞机航行时空气动力学参数得到最佳的配置,降低了气动阻力,进而有效地降低了飞行阻力,提高了燃油利用率。
2. 减少结构重量:机身和机翼间的衔接部位一直是造成飞机结构重量增加的主要因素之一,在翼身融合技术中,机身和机翼的衔接部位得到了有效的优化,能最大限度地减轻结构重量。
3. 提高飞机效率:翼身融合技术设计涵盖了机翼和机身内部力学关系的优化设计,通过最优的提高飞机整个结构的力学性能和空气动力学特性,从而提高飞机的飞行效率。
4. 提高飞行安全性:翼身融合技术设计使得飞机的结构更为紧凑,减少了重要连接部位的数量,从而有效地提高了飞机的安全性。
三、翼身融合技术应用1. 商用飞机:现在大多数的商用飞机都采用了翼身融合技术,比如波音787、空客A320neo、庞巴迪C系列等,这些飞机都能够在飞行效率、燃油经济性、载客量等方面得到更好的平衡。
2. 军用飞机:翼身融合技术设计同样被广泛运用于军用飞机,比如F-35战斗机,这种战斗机采用了多种先进技术,包括翼身融合技术,从而在战术机动性、隐身能力、机动稳定性等方面得到了更为优秀的表现。
四、总结翼身融合技术是现代飞机设计中一项重要技术,它构建了空气动力学和结构力学的最佳平衡点,核心在于提高飞机整个结构的力学性能和空气动力学特性。
250座级翼身融合布局客机气动设计与优化刘晓静;吴江浩;张曙光【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2011(029)001【摘要】结合民机客舱结构设计参数和飞机总体设计参数要求进行气动布局设计,获得250座级翼身融合(BWB)布局客机初步气动设计方案.采用数值求解N-S方程的方法获得该布局在巡航和起飞条件下的纵向气动特性.结果表明,在巡航条件下α=2°时最大升阻比Kmax可达15.9.以固定巡航飞行升力系数下最小化飞行阻力作为目标优化了机翼展向几何扭转角分布.结果表明,优化后外侧机翼的负载减轻,减小了激波强度和波阻,从而提高了巡航升阻比Kcruise.Kmax由初始布局的15.9提高到20.7,Kmax由初始布局的15.4提高到19.2,与现役同座级客机接近.优化后起飞特性得到改善,巡航平飞时低头力矩减小,Cm0为更接近零的一小负数,利于操纵.【总页数】7页(P78-84)【作者】刘晓静;吴江浩;张曙光【作者单位】北京航空航天大学,交通科学与工程学院,北京,100191;北京航空航天大学,交通科学与工程学院,北京,100191;北京航空航天大学,交通科学与工程学院,北京,100191【正文语种】中文【中图分类】V211.3【相关文献】1.翼身融合布局大型客机的重心分析 [J], 索欣诗;陈文达;余雄庆2.翼身融合分布式动力飞行器气动性能探究 [J], 尉子健3.翼身融合布局无人机后缘襟翼气动特性数值模拟 [J], 李俊林;和敬杰;张昕喆;李国举;刘志棋4.分布式动力系统参数对翼身融合布局无人机气动特性的影响 [J], 张阳;周洲;王科雷;范中允5.翼身融合客机PRSEUS壁板参数识别研究与优化设计 [J], 王凯剑;张睿;李岩因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
第29卷 第1期2011年2月空气动力学学报A C T AA E R O D Y N A MI C AS I N I C AV o l .29, N o .1F e b .,2011 *收稿日期:2010-04-19; 修订日期:2010-06-19.作者简介:刘晓静(1984-),研究实习员,飞行器设计专业.文章编号:0258-1825(2011)01-0078-07250座级翼身融合布局客机气动设计与优化刘晓静,吴江浩,张曙光(北京航空航天大学交通科学与工程学院,北京100191)摘 要:结合民机客舱结构设计参数和飞机总体设计参数要求进行气动布局设计,获得250座级翼身融合(B W B )布局客机初步气动设计方案。
采用数值求解N-S 方程的方法获得该布局在巡航和起飞条件下的纵向气动特性。
结果表明,在巡航条件下α=2°时最大升阻比K m a x 可达15.9。
以固定巡航飞行升力系数下最小化飞行阻力作为目标优化了机翼展向几何扭转角分布。
结果表明,优化后外侧机翼的负载减轻,减小了激波强度和波阻,从而提高了巡航升阻比K c r u i s e 。
K m a x 由初始布局的15.9提高到20.7,K c r u i s e 由初始布局的15.4提高到19.2,与现役同座级客机接近。
优化后起飞特性得到改善,巡航平飞时低头力矩减小,C m 0为更接近零的一小负数,利于操纵。
关键词:翼身融合布局;数值求解;升阻特性;气动优化中图分类号:V 211.3 文献标识码:A0 引 言进入20世纪以来,随着航空公司对客运飞机载客量需求的不断增大,传统布局飞机在增大载运量,提高升阻比,降低油耗等方面的提升已非常有限,因此人们开始寻求新的气动布局方案以提高载运量和经济性。
通过采用先进的气动设计技术,可以减小飞机飞行时的阻力,提高升阻比和巡航效率,降低耗油率,从而大大提高飞机的经济性。
翼身融合体(B WB )布局[1-2]被认为是最有可能取代现有传统布局的大型客机设计方案,它是根据早期人们对飞翼布局[3-4]的研究成果提出来的。
翼身融合飞行器的背景与优势1、背景介绍民用飞机是体现航空技术水平的重要载体之一,一个国家民用飞机的研制、生产、销售、服务和营运水平,很大程度上反映了该国航空工业、基础工业、民航运输业和综合国力的水平。
随着科学技术的飞速发展,作为多种基础技术综合体的民用飞机技术也日新月异,世界民机技术正以前所未有的速度迅猛发展。
[1]传统客机的机翼、机身组合体可以明显的看出机翼与机身是两个分离的结构。
自从这种结构在波音公司的B747飞机上应用以来,几十年来并未发生太大的变化。
从我们日常乘坐的飞机就可以看出来,基本上现在的客机都是圆筒形机身安装一对独立的机翼,并且在机身后部还有尾翼。
图1波音747气动设计技术是飞机设计的关键技术之一。
提高飞机的空气动力特性是飞机设计永恒的主题。
通过采用先进的气动设计技术,可以减小飞机飞行时的阻力,提高升阻比和巡航效率,降低耗油率,从而大大提高飞机的经济性Error! No bookmark name given.。
就目前的发展情况来看,主要有以下几种气动布局:传统布局、鸭式布局、三翼面布局、变后掠翼布局、无尾布局等。
而整个气动布局逐渐演变的过程伴随着的是人类对空气动力学认识的逐渐加深。
人们设计飞机时对流形态的利用主要经历了三个阶段:附着流型、脱体涡流型和可控分离流型。
图2 F22猛禽战斗机其实早在上世纪60年代,飞机设计者们就提出了翼身融合的气动布局设计概念。
所谓翼身融合体,指机翼和机身做为一个整体来设计,二者的平面形状和剖面形状完全融合为一的机体。
2、优势分析通过翼身融合,飞机可以获取更好的气动性能。
翼身融合体的优点是结构轻、容积大、阻力小,这些有利于飞机进行超音速飞行,并且能够减少雷达反射面积,实现隐身。
具体说来体现在以下方面:1)承载能力高。
与传统布局大型飞机相比,BWB飞机的机翼与机身融合在一起,扩大了承载空间,且翼身融合体的扁平化设计具有更高的空间利用率。
2)空气动力效率高,气动载荷的分布可达到最佳。
工 业 技 术109科技资讯 S CI EN CE & T EC HNO LO GY I NF OR MA TI ON 在上世纪末期,BWB(Blended-Wing-Body)构型飞机曾在民用航空领域内掀起过一阵研究热潮,其巨大的气动潜力引得当时主流飞机制造商和研究单位竞相启动研究计划。
但是由于风险较大,空客和波音相继放弃了B W B ,重新投入传统飞机构型的研制。
然而,随着民用航空需求的增加,人们的环境保护意识的提高,作为下一代高载客量的航空器,B W B 巨大气动潜力和宽阔的客舱使得其具备天然优势。
1 BWB 飞机历史翼身融合这个概念,是由加拿大人和德国人几乎在同一时间提出的。
1930年,VincentBurnelli,一个加拿大工程师提出一个新的构型:将机身和机翼进行融合,用来增加额外的升力和客舱容积。
在这个构想牵引下,B u r n e l l i R B -1,BurnelliRB-2,BurnelliCB-16,BurnelliUB-20,BurnelliUB-14和CBY-3等飞机相继问世。
其中CBY-3在加拿大制造并运营,因为它可以飞越加拿大无尽的荒原并可以在640ft内降落。
德国人基于相同的理论也同样推出了Junker30和Junker38。
Junker30起初只能装载13名乘客,而后扩展到30名。
后继机型Junker38最多可以装载38名乘客。
八九十年代,随着燃油成本日益增加,航空公司迫切需要一种更为高效的飞机。
这次BW B飞机构型再一次进入设计人员的视野。
波音公司,推出了其B WB 概念飞机系列,座级从250-550人。
根据需要,2到3个高涵道比的发动机被安置在飞机后机身上方。
其中,X-48B被制造并且用于验证相关技术。
[1]与此同时,空客也推出了其巨型B W B 飞机概念设计方案:一个载客量为1000座级,采用与波音类似的发动机布置的超大型客机。
[2]图波列夫设计局同样也推出了其BW B 飞机概念设计:一架载客量达1200人,航程为7000海里,并装置6台推进式涡桨发动机的B W B 飞机概念设计方案,T U -404。
2009年8月第35卷第8期北京航空航天大学学报J o u r n a l o fB e i j i n g U n i v e r s i t y ofA e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s A u gu s t 2009V o l .35 N o .8收稿日期:2008-07-11基金项目:国家863资助项目(2006A A 11Z 219) 作者简介:廖慧君(1984-),男,浙江丽水人,硕士生,l h jn b d x @126.c o m.翼身融合布局客机的客舱设计廖慧君(北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191) 张曙光(北京航空航天大学交通科学与工程学院,北京100191) 摘 要:翼身融合作为一种新型民机布局,其客舱设计较常规布局有很大不同.以翼身融合布局客机客舱为研究对象,结合其自身特性,确定了与客舱设计相关的适航条例和舒适性要求;确定基本布局方案和客舱参数化设计方法;以250座三级布置为例,对客舱区座椅和设施等进行了详细布置.结果表明,翼身融合布局客舱的参数化方法是可行的,能够满足飞机系列化发展对客舱灵活布置的需要.但应急撤离设计方案是否满足90s 撤离适航要求的应急疏散问题还有待进一步的实验验证.关 键 词:翼身融合体;民机;适航性;系列化;客舱布置中图分类号:V223.2文献标识码:A 文章编号:1001-5965(2009)08-0986-04D e s i g no f c a b i n l a y o u t f o r b l e n d e dw i n g b o d yp a s s e n g e r t r a n s po r t s L i a o H u i ju n (S c h o o l o fA e r o n a u t i c S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ,B e i j i n g U n i v e r s i t y o fA e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s ,B e i j i n g 100191,C h i n a )Z h a n g S h u g u a n g(S c h o o l o fT r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ,B e i j i n g U n i v e r s i t y o fA e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s ,B e i j i n g 100191,C h i n a )A b s t r a c t :T h e b l e n d e dw i n g b o d y (B W B )c o mm e r c i a l a i r c r a f t c o n f i g u r a t i o nh a s b e c o m e a h o t t o p -i c a n dh a s b e e nw i d e l y s t u d i e d a r o u n d t h ew o r l d .A s a n e wc o n f i g u r a t i o n ,i t s c a b i nd e s i g n i s v e r y d i f -f e r e n t f r o mt h e c o n v e n t i o n a l ,s o i t s n e c e s s a r y t o s t u d y t h e n e w p r o b l e m sw i t h t h e B W B c a b i n d e s i g n .F o c u s e do n t h em a r k e dt r a i t s ,s o m eb a s i c c a b i n -r e l a t i v e i s s u e sw e r es t u d i e d .T h ec a b i n l a y o u tm u s t m e e t t h eC C A R -25c r i t e r i a ,a sw e l l a s t h e p a s s e n g e r s c o m f o r tn e e d ,s o t h ec a b i nr e l a t e da i r w o r t h i -n e s s a n d c o m f o r t i t e m sw e r e f i r s t l y a b s t r a c t e d .Ac a b i n l a y o u t s o l u t i o n a n d t h e a c c o m p a n y i n g p a r a m e -t e r i z a t i o nm e t h o dw e r e f o l l o w e d .T h e 250s e a t i n g B W Bt r a n s p o r tw a s t h e nt a k e na s e x a m pl e f o r t h e d e t a i l s o f l a y o u t d e s i g n .T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e p a r a m e t e r i z a t i o nm e t h o d o f t h e c a b i n l a y o u t i s f e a -s i b l e f o r t h en e e do f aB W Bf a m i l y .H o w e v e r ,s u c hr e q u i r e m e n t sa se m e r ge n t e v a c u a t i o nw i t h i n90s e c o n d sm u s t b ef u r t h e r h igh li g h t e da n dv e r i f i e db y e x pe r i m e n t s .K e y w o r d s :b l e n d e dw i n g b o d y (B W B );c o mm e r c i a l a i r c r af t ;a i r w o r t h i n e s s ;f a m i l y d e v e l o p m e n t ;c a b i n l a yo u t 传统布局运输机在增大载运量㊁提高升阻比㊁降低油耗等方面的提升空间有限,人们开始寻求新的气动布局方案以提高载运量和经济性.国外航空业较为发达的国家经过多年的摸索,基本确定翼身融合体布局为引领未来航空工业 文艺复兴 的新布局[1],被认为是最有可能取代现有传统布局的大型客机设计方案.翼身融合体(B W B ,B l e n d e dW i n g B o d y )概念最早由N A S A 的L a n g -l e y 研究中心于20世纪90年代提出,其最初的设计着眼点在于大幅度的减小浸润面积,减小阻力,提高升阻比[1].其在安全性㊁舒适性和环境噪声等方面也具潜在优势.B W B布局飞机改变了传统的机身载重方式,装载区由传统布局的桶状机身变为宽敞的大堂式中央机身机翼融合体.B W B布局客舱设计的最初着眼点在于装载空间的大幅度提高,可装载体积增大20%~30%[2],可布置客舱㊁货舱和各种设备,并且装载区的宽度更大,对货物的尺寸要求更为宽松,特别是为一些特种设备的空中运输提供了可能.同时作为一种全新的布局,也对客舱设计提出了新的课题和挑战,如传统布局客机,乘客分布于桶状机身的纵向两侧,其应急逃生出口可在机身两侧设置,直接将乘客疏散到机体外;而B W B布局客机,乘客集中在广场式的机身中部,其人群疏散更加复杂,必须合理设计应急撤离系统.另外客舱设计还需要关注安全性㊁舒适性以及经济性之间的对立统一问题㊁客舱参数化设计方法问题㊁系列化发展问题等.1适航性与舒适性要求适航规范以安全性为出发点,其中与客舱布置密切相关的条款包括出口㊁通道和服务设施等.在满足乘客 安全第一 物理需求基础上,要尽可能地满足乘客对舒服㊁豪华等的价值需求.与舒适性密切相关要素包括乘坐品质和活动空间㊁内饰和环境㊁生活设施和服务质量等,舒适性更加注重于客舱内部细节设计.1.1基本适航规范要求[3]1)应急出口类型和大小准则,见表1.表1应急出口类型应急出口类型最低高度/mm最小宽度/mmA型18301067Ⅰ型1220610Ⅱ型1120510Ⅲ型910510Ⅳ型660480 2)应急出口最小数目准则,见表2和表3.表2最小应急出口数(机身每侧)客座数/座(大于80)Ⅰ型Ⅱ型Ⅲ型Ⅳ型80~1091-1-110~1392-1-140~1792-2-表3应急出口允许增加的客座数型号允许增加的客座数/座A型110Ⅰ型45Ⅱ型40Ⅲ型353) 60英尺 准则:任何两个应急出口之间的距离不超过18.29m.4) 90s 准则:所有乘员撤离飞机的时间不超过90s.5)出口通道准则:A型出口必须有无障碍通道,通道宽度至少914mm.其他类型出口,通道宽度至少508mm.6)舱内过道准则:必须满足 在地板以上参考高度635mm以下和以上,过道最小宽度分别为381mm和508mm 的要求.7)洗手间设计准则:应能容纳一个最高身长为1.91m的成年人正常使用;不小于典型尺寸914mmˑ914mm(长ˑ宽),面积不小于1.5m2;门一侧的宽度不小于1m,内部从地板到天花板高度在1.92~1.94m之间.8)厨房设计准则:不小于典型尺寸762mmˑ914mm(长ˑ宽);对于旅行级,常规的服务为每位乘客251c m2;对于头等舱,常规的服务为每位乘客929c m2.1.2相关舒适性要求[4]1)舒适性与票价的关系.不同座位等级可享受的舒适度不同,等级高的可享受更佳的舒适度.2)舒适性与旅行时间的关系.旅行时间越长,乘客感到舒适所需的空间越大,同时还要求更多的消遣娱乐设施和公共空间.3)舒适感与排距和每个座椅单元的联体座椅数目直接相关,还与座椅宽度和过道宽度息息相关.4)座椅的设计与安排,强调座椅的可调性与腿部空间.2设计方案2.1基本设计方案根据第1节的基本适航性和舒适性要求,确定B W B布局客机客舱基本设计方案.决定客舱剖面形状和尺寸是首要的设计,机身剖面形状由实现增压的结构设计要求所支配.这对于B W B布局结构设计一直是一个挑战,目前比较成熟的方案是 多泡机身 [5]结构.一个航空产品能够存活的关键,是能够进行较快速灵活的改装,得以系列化发展.常规布局的机身与机翼的独立化程度高,可以方便地进行改型.与常规布局飞机相比,B W B的高度一体化特性给其系列化发展带来了挑战.通过借鉴常规布789第8期廖慧君等:翼身融合布局客机的客舱设计局的独立模块化思路,将整机分成驾驶舱㊁内外翼以及中央体3个相对独立的部分.将中央客舱区独立出来,当座数小于350时进行单层展向扩展,通过展向增加中间隔舱进行系列化扩展,在扩展中尽量保证外弦长不变,以便于在不影响其它性能的情况下采用相同的外翼和驾驶舱,实现经济高效的系列化发展.而当座数大于350时,采用双层上下扩展方式.B W B 客机系列化发展方案(相同机翼㊁相同驾驶舱㊁相似化客舱)如图1如示[1].图1 B W B 客机系列化发展方案2.2 客舱参数化尺寸设计参数化客舱平面,如图2所示.B 767的乘客人均客舱面积为0.7m 2,本文以更具竞争力的人均面积1m 2为设计基础,由总座数N 确定相应座级的客舱区面积S ,并由S 根据隔舱宽度w 确定座舱总长:L =S /w(1)图2 参数化客舱平面应用 等效隔舱法 [6]求外隔舱长l w ,见式(2);再求中隔舱长l c ,见式(3).l w =L -w 2t a n æèçöø÷θðni =1(i -1)n(2)l c =l w +n2ˑw ˑt a n θ(3)式中,n 为隔舱数;θ为中央体后掠角.3 250座B W B 客舱典型三级布置为了确定初步布局,需要估计各级座舱的乘客比例,通常在远程航班上采用三座级布局,其典型数据为头等舱8%㊁公务舱13%㊁经济舱79%[4].对于本例250座级:头等舱20座㊁公务舱32座㊁经济舱198座.根据第2节参数化方法确定250座B W B 客舱区尺寸,然后进一步对客舱进行舱内布置.客舱布置的两个主要方向为横向内舱剖面和纵向客舱长度,主要决策是选择横跨飞机的座位数和由此而来的过道安排.在等宽隔舱中最经济布置是单通道3-3布置,对现有常规椅宽475mm 和常规过道510mm 适当增加,w 取为3660mm.在三级布置中该隔舱宽度可以在头等舱布置4座,公务舱5座,经济舱6座.考虑到布置灵活性,在此公务舱和头等舱一样横向4座2-2排布,两舱差别只体现在纵向椅距.本机客舱剖面如图3所示.图3 250座B W B 客舱剖面图(单位:m )本机在适航要求基础上为航空公司提供了更具竞争力的乘客个人空间,主要体现在座椅和通道的布置,详细参数和排布情况如表4及图4所示.表4 不同座级座椅宽度、排距以及通道宽mm座级椅宽椅距通道头等7401575700公务7401016700经济520914540图4 头等舱和经济舱座椅排布图(单位:mm )为体现乘客的实际市场价值,考虑到发动机和横向扰动的影响,头等舱和公务舱位于前部客舱区,经济舱位于后部.另外,根据应急出口的相关适航规定,本机在客舱三角区前缘每侧两个登机门,舱尾每侧两个机腹型出口.所有出口展向对889北京航空航天大学学报 2009年称分布,每个出口与通道对应,同时在座舱中部设有贯穿通道.根据服务设施的相关适航规定,为保证有充足的服务资源,洗手间㊁厨房㊁衣帽间面积至少分别需要10m2左右.同时将其布置在客舱的前后部或登机门的两侧,以便客舱各种方案的灵活布置.详细客舱布置,见图5.L 洗手间;S 储藏室;A 乘务员折椅;R 乘务员休息室;G 厨房;B 酒吧;W 衣柜.图5250座B W B客舱布置及应急撤离系统平面图本文在布置方案的基础上对250座客舱进行了仿真虚拟装配,其三维效果如图6所示.可见由参数化方法确定的客舱能够满足舒适度和灵活度更佳的内部布置需要,同时也直观体现了其装载空间大的特性.图6250座客舱仿真三维模型对于下货舱布置,由于B W B布局货舱的装载空间大且限制少,因此其载货方式可以有多种可选方案.本文采用容积为4.5m3的L D-3标准集装箱,参考现有同座级飞机,前货舱布置16个L D-3,后货舱布置12个L D-3,散装货舱14m3,见图7.图7250座B W B货舱布置4结束语自B W B布局概念提出后,国内外相关研究很广泛,这是缘于该布局经济性和环保性等方面的潜在优势.本文在现有B W B相关研究的基础上,对B W B布局客舱设计相关问题进行了研究和探讨,并通过250座算例对客舱进行了详细布置.客舱布置以安全性和舒适性为主要依据;构成舒适性的要素比较复杂,本文还处于概念研究阶段,因此本文所强调的舒适性主要体现在座椅空间㊁活动空间及服务设施等方面,暂不考虑内饰和环境等细节.配合上述研究,开发了客舱模型自动化工具,并对其它如350座㊁450座等载客要求进行了设计,证明了设计思路和设计工具的有效性.参考文献(R e f e r e n c e s)[1]L i e b e c k R H.D e s i g no ft h eb l e n d e d w i n g b o d y s u b s o n i ct r a n s p o r t[R].A I A A-2002-0002,2002[2]R e u t h e r J,J a m e s o nA.A e r o d y n a m i c s h a p eo p t i m i z a t i o no fw i n g a n dw i n g-b o d y c o n f i g u r a t i o nu s i n g c o n t r o l t h e o r y[R].A I A A-95-0123,1995[3]中国民用航空局.中国民用航空规章第25部:运输类飞机适航标准C C A R-25[S]C i v i lA v i a t i o n A d m i n i s t r a t i o no fC h i n a.T r a n s p o r ta i r p l a n ea i r w o r t h i n e s s c r i t e r i o nC C A R-25[S](i nC h i n e s e)[4]J e n k i n s o nLR,S i m p k i nP,R h o d e sD.C i v i l j e t a i r c r a f t d e-s i g n[M].L o n d o n:A r n o l d,1999:80-104[5]M u k h o p a d h y a y V.B l e n d e d-w i n g-b o d y f u s e l a g es t r u c t u r a ld e s i g n f o rw e i g h t r e d u c t i o n[R].A I A A-2005-2349,2005[6]B r a d l e y KR.As i z i n g m e t h o d o l o g y f o r t h e c o n c e p t u a l d e s i g no f b l e n d e d-w i n g-b o d y t r a n s p o r t s[R].N A S A/C R-2004-213016,2004(责任编辑:赵海容)989第8期廖慧君等:翼身融合布局客机的客舱设计。