潘立軍，余雄慶

(南京航空航天大學(xué) 飛行器先進設(shè)計技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，江蘇 南京 210016)

民用飛機概念設(shè)計中客艙布置的工具開發(fā)

潘立軍，余雄慶

(南京航空航天大學(xué) 飛行器先進設(shè)計技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，江蘇 南京 210016)

客艙布置是民用飛機設(shè)計的重要內(nèi)容，對飛機的安全性、經(jīng)濟性和舒適性有重要影響。根據(jù)適航條例中對客艙座椅、應(yīng)急出口和過道分布等的規(guī)定，總結(jié)出了一套客艙快速布置的方法，并應(yīng)用MATLAB編程技術(shù)開發(fā)了一個具有良好用戶界面的設(shè)計工具。算例驗證表明，該設(shè)計工具可實現(xiàn)快速的客艙布置方案設(shè)計，且設(shè)計結(jié)果與參考機型基本一致。

客機；概念設(shè)計；客艙布置；飛機設(shè)計

客艙布置的安全性、舒適性是客戶和乘客最直觀的體驗，同時對飛機的經(jīng)濟性也有重要影響，因此客艙布置設(shè)計是民用飛機總體設(shè)計的一個重要方面。為了使設(shè)計人員能快速進行客艙布置方案設(shè)計，國內(nèi)外研究人員開發(fā)了一些客艙分析和設(shè)計工具。例如，Scholz基于Excel表格開發(fā)了民用飛機客艙布置程序[1]；羅明強等以開放式飛機總體設(shè)計系統(tǒng)為基礎(chǔ), 提出了民用飛機機身剖面構(gòu)型、客艙布置和自動化調(diào)整方法，并完成若干客艙設(shè)計實例[2]；陳小榮在其開發(fā)的噴氣客機概念設(shè)計系統(tǒng)中也包含了客艙的初步布置模塊[3]。

本文通過參考相關(guān)飛機總體設(shè)計文獻和適航條例，總結(jié)出了一套客艙快速布置的方法，并應(yīng)用MATLAB編程技術(shù)開發(fā)了一個具有良好用戶界面、易于使用的客艙布置設(shè)計工具。

1 客艙布置方法

1.1客艙截面的選擇

客艙截面的類型有圓形截面、橢圓形截面和多圓弧過渡截面等[3]。圓形截面結(jié)構(gòu)對稱，因而受力均勻、易加工、生產(chǎn)成本低，適用于機身直徑較大或適中的客機，如波音B767/B777。多圓弧過渡截面，能充分利用設(shè)計空間，一般用于具有多層客艙的超大型客機，如波音B747，或者機身截面較小的客機，其缺點是結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、制造成本較高。而橢圓形截面則介于兩者之間，既考慮了空間的充分利用，又考慮了結(jié)構(gòu)設(shè)計的方便，如A380就采用了橢圓形截面。

在客機設(shè)計初始階段，可用橢圓形作為客艙截面的初始外形。因為圓形是橢圓形的一個特例，而多圓弧過渡截面也可由橢圓形來近似，因此橢圓形可同時兼顧簡單性和靈活性。

確定了客艙截面為橢圓截面之后，再考慮到過道、座椅和貨艙的布置以及乘客的位置，確定10個關(guān)鍵點，如圖1所示。其中：Haisle為過道高度，Waisle為過道寬度，Wc為坐墊寬度，Wa為把手寬度，Hb為靠背長度，Hat為把手頂端高度，Hab為把手底端高度，Tc為坐墊厚度，Dcf為坐墊到地板的距離，Tf為地板厚度，Df為地板到截面x軸的距離，Wdt為貨艙頂部寬度，Hd為貨艙高度，Wdb為貨艙底部寬度，Dhw為頭部到客艙壁的距離，Dsw為肩部到客艙壁的距離。

圖1 客艙截面尺寸定義及10個關(guān)鍵點位置

1.1.1乘客尺寸

出于對乘客舒適性的考慮，對靠窗乘客的頭部、肩部以及肘部、腳部等節(jié)點距客艙內(nèi)壁的最小距離都有要求，如圖2所示，圖中所標(biāo)示的人體尺寸為2000年美國國家航空航天局(NASA)對95%的40歲美國男性的統(tǒng)計所得的標(biāo)準數(shù)據(jù)[4]。另外，對標(biāo)準身高的乘客在過道內(nèi)直立行走時，其頭頂?shù)娇团撎旎ò逯g應(yīng)留有一定的間隙，此間隙一般不小于75mm。

圖2 標(biāo)準人與客艙側(cè)壁間隙

1.1.2座椅尺寸

對座椅作了適當(dāng)?shù)暮喕渲饕晥D和左視圖如圖3所示，Ls為座椅長度。圖中各尺寸可參考文獻[5]中“客艙布置”一章關(guān)于座椅尺寸的數(shù)據(jù)，也可參考同類機型。

1.1.3過道

根據(jù)中國民用航空規(guī)章第25部《運輸類飛機適航標(biāo)準》(簡稱CCAR-25)，對于20座以上的客機，座椅之間的過道寬度在任何一處不得小于表1中的值。

圖3 座椅尺寸定義

表1 過道最小寬度

1.1.4座椅布置

根據(jù)CCAR-25規(guī)定，在只有一條旅客過道的飛機上，過道每側(cè)任何一排的并排座椅數(shù)不得大于3，每排座椅的具體排布可參考文獻[6]。

1.1.5貨艙尺寸

貨艙裝載形式分為集裝箱或貨物托盤和散裝式兩類。在概念設(shè)計階段通常采用典型集裝箱的尺寸來設(shè)計貨艙，此外集裝箱的角點與貨艙內(nèi)壁之間要考慮留有一定的間隙，通常取50mm。典型集裝箱類型、尺寸主要參考文獻[7]。

1.1.6客艙截面尺寸的確定

根據(jù)上述尺寸定義，可以得到圖1中10個關(guān)鍵點的坐標(biāo)，如式(1)～(10)。

(1)

式中：xL，xR分別為頭頂行李架左、右邊緣的橫坐標(biāo)。

(2)

式中：Ab為每排座椅數(shù)；Na為過道數(shù)。

(3)

(4)

根據(jù)文獻[4]，人頭部寬為165mm，一半為82.5mm，則

(5)

(6)

腳外側(cè)到最外側(cè)座椅的外側(cè)把手邊緣的距離為50mm，則

(7)

(8)

(9)

概念設(shè)計中一般設(shè)定貨艙的拐角α為45°。

(10)

若用戶自定義了橢圓的長短軸之比b/a，則通過每個點都可以唯一確定一個橢圓，最大的橢圓即為所需的客艙截面尺寸。

根據(jù)橢圓公式，橢圓的x軸半徑可表示為：

(11)

客艙內(nèi)壁的x軸半徑acabin為：

acabin=max(ai)

(12)

客艙內(nèi)壁的y軸半徑bcabin為：

(13)

從而可以得到客艙內(nèi)橢圓的高和寬：

hf,i=2bcabin

wf,i=2acabin

(14)

故客艙內(nèi)橢圓的等效直徑為：

(15)

此外，根據(jù)文獻[8]，機身的厚度tf的變化范圍為25mm(小型公務(wù)機)～100mm(大型噴氣客機)，以提供機身結(jié)構(gòu)所需的結(jié)構(gòu)高度。

故機身高和寬分別為：

hf,o=hf,i+2tf

wf,o=wf,i+2tf

(16)

機身等效直徑為：

(17)

1.2客艙平面布置方法

1.2.1座椅排距

座椅排距直接影響到乘客乘坐的舒適性。參考文獻[6]～[9]列出了座椅排距的參考值，見表2。設(shè)計人員可參考這些數(shù)據(jù)，自行設(shè)置座椅排距。

表2 座椅排距 mm

1.2.2應(yīng)急出口

CCAR-25對不同座級客機應(yīng)急出口的類型和數(shù)量都作了明確的規(guī)定。本文根據(jù)CCAR-25和文獻[6]的建議來布置出口。

1.2.3應(yīng)急通道

CCAR-25對各種應(yīng)急出口的通路作了詳細規(guī)定，包括通道和橫向過道的尺寸有明確規(guī)定。

1.2.4廁所和廚房的布置

綜合分析文獻 [1]和文獻[6]～[9]給出的廁所和廚房布置的建議，廁所面積取典型數(shù)據(jù)1 016mm×1 016mm。頭等艙每15人配置1個廁所；公務(wù)艙每25人配置1個廁所；經(jīng)濟艙按航程不同分別為每60人(中短程)、45人(遠程)配置1個廁所；而廚房則可根據(jù)占地面積估算。

1.2.5機頭和機尾

在概念設(shè)計中，機頭和機尾的長度可以根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)近似得出。例如根據(jù)文獻[1]，客機機頭長度占機身外直徑的比例(即機頭長徑比)約為1.70；機尾占機身外直徑的比例(即機尾長徑比)約為3.50。而文獻[6]指出，部分機型的機頭長徑比統(tǒng)計數(shù)據(jù)為1.48，且機頭長徑比對飛機的阻力發(fā)散馬赫數(shù)有較明顯的影響，用戶可根據(jù)馬赫數(shù)初步確定機頭長徑比。機尾的長徑比對阻力也有一定的影響，文獻[9]列出的機尾長徑比統(tǒng)計數(shù)據(jù)為：噴氣客機2.60～4.00，噴氣公務(wù)機2.50～5.00。

2 工具開發(fā)

根據(jù)上述民機客艙布置方法和規(guī)則，應(yīng)用MATLAB的GUIDE模塊，開發(fā)了一個可以快速進行客艙布置的工具。該工具界面如圖4所示。

Ⅰ區(qū)：項目名稱及上級輸入?yún)?shù)。用于顯示項目名稱和上級輸入?yún)?shù)。

Ⅱ區(qū)：出口參數(shù)區(qū)。分別顯示了出口的類型、出口距客艙前緣的距離和應(yīng)急通道的寬度。用戶可根據(jù)需要改變上述參數(shù)，然后重新繪制各種視圖。

Ⅲ區(qū)：圖形顯示區(qū)。用于顯示機身側(cè)視圖、客艙平面俯視圖和客艙截面圖。利用MATLAB的plot繪圖功能，根據(jù)已知關(guān)鍵點的坐標(biāo)，連點成線(直線、拋物線和樣條線)，即可繪制出各視圖。

Ⅳ區(qū)：輸入?yún)?shù)設(shè)置區(qū)。用于輸入客艙、貨艙的各種參數(shù)以及必要的客機總體外形參數(shù)。點擊幫助按鈕“？”，工具將給出定義該數(shù)據(jù)的建議和數(shù)據(jù)范圍，該功能可利用MATLAB的信息對話框msgbox實現(xiàn)。

Ⅴ區(qū)：控制按鍵區(qū)。點擊“導(dǎo)入”按鈕可以導(dǎo)入已有的輸入文件；“確認輸入”按鈕用于確認各輸入?yún)?shù)，為繪圖做準備；“繪圖”按鈕可以實現(xiàn)機身側(cè)視圖、客艙俯視圖以及客艙截面圖的繪制。

若修改了參數(shù)，可以再次單擊“確認輸入”和“繪圖”按鈕，重新繪制圖形。在完成繪圖后，“保存視圖”按鈕可以將各視圖保存到用戶指定的路徑下，默認路徑為當(dāng)前工作目錄路徑?！氨４鏀?shù)據(jù)”按鈕可以將數(shù)據(jù)文件保存到用戶指定的路徑下，默認路徑為導(dǎo)入文件目錄路徑。點擊“退出”按鈕，將彈出確定退出程序的對話框，單擊“是”之后將退出程序。以上功能可利用MATLAB的數(shù)據(jù)讀寫、繪圖、消息對話框功能來實現(xiàn)。

為了增加工具的靈活性，允許用戶更改出口位置、應(yīng)急通道寬度和機頭、機尾長徑比的數(shù)據(jù)。

圖4 客艙布置工具界面

3 算例

以典型單通道客機A320-200和雙通道客機A330-300為算例，驗證本工具的有效性。

A320-200和A330-300的客艙設(shè)計參數(shù)和外形可從空中客車公司官網(wǎng)獲得。應(yīng)用本工具，通過用戶界面設(shè)置相關(guān)的客艙布置參數(shù)，即可自動生成單通道客機和雙通道客機的客艙布置方案。圖5～8給出了應(yīng)用本工具的設(shè)計結(jié)果與A320-200和A330-300的客艙實際數(shù)據(jù)的對比。從這些圖中可以看出，由本工具獲得的設(shè)計結(jié)果是合理的。

4 結(jié)束語

本文通過考察各種文獻中關(guān)于民機客艙布置方法，根據(jù)CCAR-25要求，提煉了一套客艙布置的方法，并應(yīng)用MATLAB開發(fā)了民機客艙布置設(shè)計工具。經(jīng)典型算例測試表明，該工具可快速生成客艙的初始方案，且具有較好的準確性。在概念設(shè)計階段，本工具可作為民機客艙布置的一個輔助設(shè)計工具。

圖5 A320-200客艙平面對比圖

圖6 A320-200客艙截面對比圖

圖7 A330-300客艙平面對比圖

圖8 A330-300客艙截面對比圖

[1] Scholz D. A preliminary sizing tool for passenger aircraft cabins[R/OL]. [2014-09-12].http://www.ProfScholz.de.

[2] 羅明強，馮昊成，劉虎，等. 民用飛機客艙快速設(shè)計及自動化調(diào)整[J]. 航空學(xué)報, 2009, 30(1): 73-80.

[3] 陳小榮. 噴氣客機概念設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用[D]. 南京：南京航空航天大學(xué), 2012.

[4] NASA. Anthropometry and biomechanics[DB/OL]. [2014-09-12].http://msis.jsc.nasa.gov/sections/section03.htm.

[5] Torenbeek E. Synthesis of Subsonic Airplane Design[M]. Delft: Delft University Press, 1982.

[6] Roger D S. The Elements of Aircraft Preliminary Design[M].California: Aries Publications, 2000：121-131.

[7] Jenkinson L R, Simpkin P, Rhodes D, et al. Civil Jet Aircraft Design[M]. London: Arnold, 1999:87-93.

[8] Raymer D P. Aircraft Design:A Conceptual Approach [M]. 5th ed. Reston: AIAA, 2012:269-270.

[9] Roskam J. Airplane Design: part II-III[M]. Kansas: Roskam Aviation and Engineering Corporation:1985:59, 73-75, 110.

Thetooldevelopmentforcivilairplanecabindesigninconceptualdesign

PAN Lijun, YU Xiongqing

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Jiangsu Nanjing, 210016, China)

Cabin design is one of the important tasks in conceptual design of civil airplanes, which has essential impacts on airplane safety, economy and comfort. According to the aviation regulation about seats, emergency exits and aisles and literature review, it presents a rapid cabin design method of civil airplanes, develops a tool with friendly graphical user interface based on MATLAB programming. The validation cases show that the tool can generate rapidly the cabin layouts, the results are fairly consistent with that of baseline airplanes.

civil airplane; conceptual design; cabin design; aircraft design

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.10.006

2014-09-12

潘立軍(1988—)，男，吉林磐石人，南京航空航天大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為飛行器總體設(shè)計。

V221

A

2095-509X(2014)10-0027-05