客舱布局对民机经济性影响的分析方法

客舱布局对民机经济性影响的分析方法

陈小荣¹　张　帅¹　余雄庆¹

（1．南京航空航天大学航空宇航学院，南京　210016）

摘要：本文目的是为民机客舱布局与经济性之间的权衡分析提供一种方法。根据不同的客舱布局方案，确定相应的客舱剖面和机身外形；然后应用客机总体参数优化方法，确定基准客舱布局的客机总体尺寸；在此基础上通过应用客机总体参数综合分析程序评估不同客舱布置方案对客机的重量、性能和直接运营成本的影响。以典型的150级客机为例，研究了不同宽度的客舱剖面对飞机重量、性能和经济性的影响。研究结果表明：本文提出的方法能快速获得不同客舱布局方案对重量、性能和经济性影响的定量结果，为客机总体设计阶段进行舒适性和经济性权衡分析提供了一种有效的方法。关键词：客舱布局；运营经济性；性能；优化设计

A Method for Analyzing the Effect of Cabin Layout on DOC

Chen Xiaorong¹ Zhang Shuai ¹ Yu Xiongqing¹

(1.Institute of Aeronautics and Astronautics,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016)

Abstract:This paper provides a method for trade-off study between cabin layout design and airline operating economics.The study first determines the cabin section and fuselage geometry based on cabin design requirements.The aircraft parameters are then optimized based on conceptual optimization methods relating the aircraft weight,performance,and direct operating cost.A typical 150-seat aircraft is used as an example in the study.Results showed that the methods proposed in the paper can efficiently compare different cabin layout design in terms of its effect on aircraft weight,performance and economics,thus provide an effective methods for civil aircraft concept evaluation of cabin comfort and economics.

Key words:Cabin Layout;Operational Economics;Aircraft Performance;Optimization

0　引言

经济性与舒适性是航空公司选购新机型时的重要参考指标，也是一对互相制约的指标。新型民机设计如何在提高舒适性的同时又兼顾经济性，需要对两者及其相互影响作定量的分析。因此，在客机总体设计阶段，需要对舒适性和经济性进行权衡分析。通过权衡分析可确定出合理的舒适性和经济性指标。

民机舒适性与客舱布局密切相关。因此，弄清客舱布局对民机经济性的影响是非常必要的。文献［1-2］曾研究过民机客舱布局对经济性的影响。但总的来说，有关民机客舱布局与经济性之间权衡分析的公开发表文献很少。本文目的是为客舱布局与经济性之间的权衡分析提供一种方法。通过应用快速的机身外形生成程序、客机总体参数综合分析程序和优化软件，可定量地分析客舱布局对经济性的影响。

1　问题表述

客机的舒适性主要取决于客舱内部的通道宽度、座椅宽度、相邻两排座椅的排距以及飞机飞行时舱内的噪声和飞行的平稳性。当然，还与客舱内饰、空调、光线、客舱娱乐系统以及空勤服务有关。本文以典型的150级（全经济级布置为168座）客机为例，研究不同宽度的客舱剖面对飞机重量和经济性的影响。

假设该客机的客舱布置有三种方案：

1）客舱布局方案一（基准方案）

参考空客A320客舱布置的相关数据，利用客机外形快速生成程序进行快速客舱布置，绘制出客舱的剖面草图如图1所示。经济级客舱的座椅宽度为18in，过道宽度为19in，排距为32in，客舱剖面宽为153．79in（3．91m），这种客舱布局方案称为基准方案。

图1　基准客舱方案的剖面草图（单位：in）

2）客舱布局方案二

该方案在上述基准方案基础上，增加了座椅宽度和过道宽度，如图2所示。经济级客舱的座椅宽度为18．67in，过道宽度为20in，排距仍为32in，客舱剖面宽为157．57in（4．00m）。

图2　客舱布局方案二的剖面草图（单位：in）

3）客舱布局方案三

采用双通道布局方案，如图3所示。经济级客舱的座椅宽度为18in，过道宽度为18in，排距仍为32in，客舱剖面宽为171．29in（4．35m）。

图3　双通道客舱布局的剖面草图（单位：in）

该客机除机身宽度由于通道宽度和座椅宽度的设置不同而不同外，其余部件包括机翼、尾翼、发动机和短舱以及起落架系统均相同。

由于方案二和方案三的机身宽度增加了，舒适性得到了提高，但是飞机的使用空重、最大起飞重量以及直接运营成本都有所增加。这是因为机身加宽会增加结构重量和飞机飞行时的阻力，从而增大了油耗和飞机总重，使得直接运行成本增大。

本文以下要研究的问题是：如何定量分析这三种客舱布置方案对飞机的重量和经济性的影响程度。

2　研究方法和计算工具

2．1　研究方法

民机客舱布局对经济性的影响分析过程分为四个步骤：

（1）根据不同的客舱布局方案，确定相应的客舱剖面和机身外形。

（2）根据客舱布局的基准方案，应用客机总体参数综合分析和优化程序，确定该基准客舱布局的客机总体尺寸，获得初步的总体三面图，及其相关的重量、性能和经济性的参数。

（3）将客舱布局的基准方案替换为方案二（座椅和过道放宽）和方案三（双通道布局），其他参数保持不变，应用客机总体参数综合分析程序，分析客舱布局采用方案二和方案三后，客机的重量、性能和经济性的参数。

（4）比较和分析不同客舱布局方案的飞机重量、性能和经济性的数据，从而获得客舱布局对重量、性能和经济性影响的定量分析结果。

2．2　计算工具

研究客舱布局对经济性的影响，主要应用了三个计算工具。第一个是机身外形快速生成程序；第二个是客机总体参数综合分析程序；第三个是优化计算软件。

1）机身外形快速生成程序

在参考了文献［3］给出的客机机身外形确定方法基础上，编制了“机身外形快速生成程序”。在总体设计初步阶段，只要给出客舱布局方案，便可确定客舱剖面和机身外形的初步尺寸，并绘制相应的草图。在计算模型中，考虑了不同座级的应急舱门的布置、应急通道宽度要求、厨房、卫生间等因素对机身长度的影响。图1～图3所示的客舱剖面就是用该程序自动绘制的客舱剖面草图。

2）喷气客机总体参数综合分析程序

“喷气客机总体参数综合分析程序”^［4］是中国商飞上海飞机设计研究院和南京航空航天大学合作开发的、面向客机总体初步设计的计算工具。该程序包括几何、动力、重量、气动、性能、操稳和直接运营成本（DOC）分析计算模块。几何分析模型描述了飞机各主要部件的外形，包括机翼、机身、尾翼、鼓包、发动机短舱以及翼梢小翼的外形尺寸及位置参数。这些参数确定后就可以绘制出三面图，计算出飞机的平均气动弦长、外露面积，客舱容积、油箱容积。动力分析模型可根据发动机的主要设计参数（海平面最大静推力、涵道比、比推力及总压比等），估算发动机的推力和油耗特性、特征尺寸和重量。重量分析模块的功能是计算各部件结构重量、基本空重、使用空重、零燃油重量、最大起飞重量，以及飞机在使用时重心变化范围。气动分析模块用于计算飞机各种构形情况下的升力特性、阻力特性、力矩特性和各控制面的气动导数。性能分析模块主要用于起飞性能、着陆性能、航线性能和商载航程图的分析。操稳分析模块主要用于对飞机的平衡特性、稳定性和操纵性进行校核。直接运营成本（DOC）模块采用AEA方法^［5］，用于估算轮挡成本和座公里成本。

图4　喷气客机总体综合分析模型

各模块采用了较详细的工程算法，均采用MATLAB语言编写。气动导数计算则是通过动态链接库的方式在MATLAB环境下直接调用DATCOM程序。各模块计算精度已经过初步测试，满足总体初步设计阶段的精度要求。

该程序通过统一的数据文件来存储和传递各类数据，将各专业的分析模块集成在一起，建立喷气客机总体综合分析模型，如图4所示。在应用该程序时，只需输入客机的主要几何数据（均可从三面图获得）、发动机主要参数、巡航速度和高度（可分段阶梯式巡航）、运营环境参数，通过计算（1分钟以内），便可输出该方案的几何、发动机的推力和油耗、重量、气动、性能、操稳和DOC特性，供设计人员对该设计方案进行综合评估。

3）喷气客机总体参数优化计算环境

将上述“客机总体参数综合分析程序”集成到优化计算平台（例如iSIGHT或OPTIMUS）中，便可建立喷气客机总体参数优化计算环境^［4］。应用这个优化计算环境，可计算出满足设计要求的机翼参数、尾翼参数、发动机推力、设计燃油量等参数，并获得优化计算后该总体方案的重量、气动、性能、操稳和DOC数据。

以下应用上述三个计算工具，按照2．1节给出的方法，首先确定出150座级客机基准客舱布置方案的总体参数，然后分析不同客舱布置方案对重量、性能和经济性的影响。

3　客机总体参数的确定

首先根据基准客舱布置方案，应用“机身外形快速生成程序”确定机身外形；然后用尾容量的方法确定尾翼面积。尾翼外形的展弦比、梯形比和后掠角参考A320的参数来确定。

机翼参数、发动机推力、燃油量通过优化计算获得。该客机总体参数优化问题可表述为：

（1）目标函数：DOC最小。

（2）设计变量：

①机翼参数，包括机翼参考面积、机翼展弦比、1/4弦处后掠角；

②发动机海平面静推力；

③设计燃油量。

（3）约束条件：

①起飞场长小于2 000m；

②第二阶段爬升梯度（单发失效）大于2．4%；

③着陆场长小于1 500m；

④设计航程不小于5 500km；

⑤初始巡航高度的最大爬升率（最大巡航推力）大于1．5m/s（300ft/min）；

⑥抖振升力系数大于巡航起始段需用升力系数的1．3倍；

⑦机翼油箱容积能容纳设计燃油量。

在客机总体参数优化计算环境下，计算出基准客舱布置方案的机翼参数、发动机推力、设计燃油量。优化计算结果列在表1中。

表1　优化后的主要参数（基准客舱布局方案）

在获得优化总体参数之后，应用飞机总体参数综合分析程序评估该方案的操稳特性。校核操稳特性的指标主要有：巡航和着陆配平、起飞抬头配平、纵向静稳定度、平尾面积、短周期模态特性、长周期模态特性、单发失效配平、侧风配平、垂尾失速限制、垂尾面积、荷兰滚模态的固有频率和阻尼比、单发失效加操纵后的最大偏航角。评估结果表明，该初步方案满足操稳特性的指标要求。

优化计算后的飞机的三面草图如图5所示。

图5　飞机的三面草图（单位：m）

4　经济性对比分析

用客舱布置方案二和方案三分别替换上述基准客舱布置方案，用“机身外形快速生成程序”确定出客舱布置方案二和方案三对应的机身外形；然后调整设计燃油量，在设计航程一致和其他总体参数保持不变的条件下，用“客机总体参数综合分析程序”评估客舱布置方案二和方案三的重量、性能和经济性特性。

评估结果见表2和表3。表2中给出了三种客舱布置方案机身宽度、重量、起降性能和DOC的数据。考虑到DOC分析环境的不确定，表3给出了三种客舱布置方案的相对值比较。

表2　三种客舱方案的对比

（续表）

注：座公里成本只用于相对比较，绝对值不准确。

表3　三种客舱布局方案的相对值比较

由表3看出，与基准方案相比，方案二（增加座椅宽度和过道宽度）的使用空重会增加0．88%，最大起飞重量增加0．72%；DOC（座公里成本）增加0．84%；而方案三（双通道客舱布局）的使用空重会增加3．57%，最大起飞重量会增加3．09%，DOC（座公里成本）会增加2．51%。从这些数据可看出，方案二的经济性比基准方案略有下降，但在可接受范围；而方案三将在经济性方面付出很大的代价。

5　结论

本文研究了一种民机客舱布置方案对经济性影响的定量分析方法。该方法主要应用了三个计算工具，即机身外形快速生成程序、客机总体参数综合分析程序和优化计算软件。以典型的150级客机为例，分析了不同宽度的客舱剖面对飞机重量、性能和经济性的影响。研究结果表明：本文提出的方法能快速获得不同客舱布局方案对重量、性能和经济性影响的定量分析结果，为客机总体设计阶段进行舒适性和经济性权衡分析提供了一种有效的方法。

应用本文方法，还可以进一步分析客舱布局对DOC和重量的影响。例如，DOC对机身宽度和长度的敏感性，很可能并非是线性的，可以多选几种机身宽度和长度，分析相应DOC的变化；还可以应用响应面方法，获取DOC随机身宽度和长度变化的函数关系。此外，还可以利用航空公司的客流数据，建立民机舒适性对上座率的影响模型，更为全面和深入地研究民机舒适性与经济性之间的关系。

参考文献

[1] Eckels W E.Civil Transport Aircraft Design Methodology[R].AIAA,83-2463.

[2] Jenkinson L,Bishton M.The Economic Assessment of Passenger Cabin Space[R].AIAA 97-5594.

[3] Pasaribu H M.A Computer Augmented Procedure for Transport Aircraft Fuselage Design Synthesis[D].Cranfield Institute of Technology,UK,1989.

［4］俞金海，周琳，李晨，等．喷气客机总体参数优化计算环境的开发［J］．航空工程进展，2000，21（2）：163-168．

［5］飞机设计编委会．飞机设计手册，第22册：技术经济设计［S］．北京：航空工业出版社，2001．60-73．