中短程宽体客机设计 (飞行器设计课程大作业) 学 院：航空航天学院 成 员：陆永帅 5104139006 斯夏依 5104139003 李之涵 5104139004 岳楠 5104139005 高晗 5104139007 李威 5104139008 指导教师：宋文滨 二O一三年六月
中短程宽体客机设计 （飞行器设计课程大作业） 学 院 ：航空航天学院 成 员 ：陆永帅 5104139006 斯夏依 5104139003 李之涵 5104139004 岳楠 5104139005 高晗 5104139007 李威 5104139008 指 导 教 师 : 宋文滨 二○一三年六月
摘要 摘要 对于更高燃油经济性和更低碳排放的追求使得民用航空业的经济性成为了最重要的 指标之一，而材料科学上的进步带来的机身重量减轻及结构进一步增强，使得针对这一 追求的进一步发展成为了可能。 基于对民用客机总体设计的基础认识和飞行器设计课程的学习，本文尝试提出了新 一代“中短程宽体”客机的概念设计：即应用椭圆机身和V型尾翼的双通道中短程客机。 通过市场调查我们发现，250座级的中短程客机需求在未来15年内将会出现巨大的缺口， 这一市场极具潜力。针对这一设计目标，结合“安全性、经济性、舒适性”设计理念， 参考当前主要型号宽体客机的研制成果，我们确定了飞机的总体布局、总体参数选择， 为推进系统选取了两款可选发动机，并对燃油、航电、飞控、起落架等各系统进行了零 维设计。通过空气动力学分析和飞行性能分析，对于飞机飞行特性进行了计算。此外， 还对经济性和产品竞争力进行了分析。 关键词：中短程 宽体概念设计 I
摘 要 I 摘 要 对于更高燃油经济性和更低碳排放的追求使得民用航空业的经济性成为了最重要的 指标之一，而材料科学上的进步带来的机身重量减轻及结构进一步增强，使得针对这一 追求的进一步发展成为了可能。 基于对民用客机总体设计的基础认识和飞行器设计课程的学习，本文尝试提出了新 一代“中短程宽体”客机的概念设计：即应用椭圆机身和 V 型尾翼的双通道中短程客机。 通过市场调查我们发现，250 座级的中短程客机需求在未来 15 年内将会出现巨大的缺口， 这一市场极具潜力。针对这一设计目标，结合“安全性、经济性、舒适性”设计理念， 参考当前主要型号宽体客机的研制成果，我们确定了飞机的总体布局、总体参数选择， 为推进系统选取了两款可选发动机，并对燃油、航电、飞控、起落架等各系统进行了零 维设计。通过空气动力学分析和飞行性能分析，对于飞机飞行特性进行了计算。此外， 还对经济性和产品竞争力进行了分析。 关键词：中短程 宽体 概念设计
Abstract Abstract The pursuit of higher fuel-efficiency and lower carbon emission has promoted economic efficiency to the chief consideration for civil aviation industry.Meanwhile,due to the development of material science,further reduction of aircraft's weight without losing strength has become applicable,and thus,making such pursuit practical for aircraft manufacturer. Based on the knowledge of civil aircraft designing and the study of the course,this report has proposed a concept for the next generation's "mid/short-range twin-aisle aircraft", which applied elliptical fuselage and a V-shaped tail.Marketing research shows huge potential requirement of productions with 250 seats in the near future.According to this design requirement,we determined the overall configuration and designed landing gear and aircraft systems.Two optional turbofan engines were selected for the propulsion systems. Based on aerodynamic and flight dynamic analysis,the flight characteristics are calculated. Analysis of aviation economics are conducted in the last part. Keywords:Mid/short-range,Twin-aisle,Conceptual Design
Abstract II Abstract The pursuit of higher fuel-efficiency and lower carbon emission has promoted economic efficiency to the chief consideration for civil aviation industry. Meanwhile, due to the development of material science, further reduction of aircraft’s weight without losing strength has become applicable, and thus, making such pursuit practical for aircraft manufacturer. Based on the knowledge of civil aircraft designing and the study of the course, this report has proposed a concept for the next generation’s “mid/short-range twin-aisle aircraft”, which applied elliptical fuselage and a V-shaped tail. Marketing research shows huge potential requirement of productions with 250 seats in the near future. According to this design requirement, we determined the overall configuration and designed landing gear and aircraft systems. Two optional turbofan engines were selected for the propulsion systems. Based on aerodynamic and flight dynamic analysis, the flight characteristics are calculated. Analysis of aviation economics are conducted in the last part. Keywords: Mid/short-range, Twin-aisle, Conceptual Design
目录 目录 摘要… Abstract... Ⅱ 目录 I 第一章绪论 …1 1.1.简介… 1.2.国内外宽体客机发展概况. 1.2.1.国外宽体客机发展概况 1.2.2.国内宽体客机发展概况 1.3.课程设计的主要工作 6 第二章市场分析 7 2.1.需求分析 ·> 2.2.目标分析 .9 2.3.设计理念 10 第三章布局与气动设计 11 3.1.总体布局 11 3.1.1.飞机布局选择 11 3.1.2.机翼选择 11 3.1.3. 发动机选择 11 3.1.4. 起落架形式选择 12 3.2.机身设计 12 3.2.1. 机身外形 12 3.2.2.机舱布局 15 3.3.翼型选择 17 3.4.机翼设计 17 3.5.尾翼设计… 18 Ⅲ
目 录 III 目 录 摘 要................................................................................................................................. I Abstract..............................................................................................................................II 目 录.............................................................................................................................. III 第一章 绪论................................................................................................................... 1 1.1. 简介 ............................................................................................................................... 1 1.2. 国内外宽体客机发展概况.......................................................................................... 1 1.2.1. 国外宽体客机发展概况...................................................................................... 1 1.2.2. 国内宽体客机发展概况...................................................................................... 4 1.3. 课程设计的主要工作 .................................................................................................. 6 第二章 市场分析........................................................................................................... 7 2.1. 需求分析....................................................................................................................... 7 2.2. 目标分析....................................................................................................................... 9 2.3. 设计理念..................................................................................................................... 10 第三章 布局与气动设计 .............................................................................................. 11 3.1. 总体布局..................................................................................................................... 11 3.1.1. 飞机布局选择 .................................................................................................... 11 3.1.2. 机翼选择............................................................................................................. 11 3.1.3. 发动机选择 ........................................................................................................ 11 3.1.4. 起落架形式选择 ................................................................................................ 12 3.2. 机身设计..................................................................................................................... 12 3.2.1. 机身外形............................................................................................................. 12 3.2.2. 机舱布局............................................................................................................. 15 3.3. 翼型选择..................................................................................................................... 17 3.4. 机翼设计..................................................................................................................... 17 3.5. 尾翼设计..................................................................................................................... 18
目录 3.6.三视图 20 第四章总体参数… 21 4.1.初始重量估计 21 4.1.1. 总体算法 21 4.1.2. 装载重量估算 21 4.1.3.燃油比重的估算 22 4.1.4.空重的估算 23 4.1.5.总重量的迭代计算 23 4.2.推重比约束条件 23 4.3.翼载约束条件… 25 4.4.推重比和翼载的确定… 28 第五章重量的详细计算和优化 29 5.1.部件重量详细计算 29 5.1.1.机身 29 5.1.2.机翼 29 5.13.襟翼 0 5.1.4.尾翼 30 5.1.5.起落架 30 5.1.6.控制面 30 5.1.7.动力装置以及短舱 31 5.1.8.。固定设备 31 5.2.重量参数综合 31 5.3.重量优化 31 5.4.重心估计… 33 第六章飞行性能分析 35 6.1.升力特性分析 35 6.1.1.翼型的升力 35 6.12.机翼的升力 36 6.1.3.翼身组合体的升力线斜率 37 IV
目 录 IV 3.6. 三视图......................................................................................................................... 20 第四章 总体参数......................................................................................................... 21 4.1. 初始重量估计............................................................................................................. 21 4.1.1. 总体算法............................................................................................................. 21 4.1.2. 装载重量估算 .................................................................................................... 21 4.1.3. 燃油比重的估算 ................................................................................................ 22 4.1.4. 空重的估算 ........................................................................................................ 23 4.1.5. 总重量的迭代计算............................................................................................ 23 4.2. 推重比约束条件 ........................................................................................................ 23 4.3. 翼载约束条件............................................................................................................. 25 4.4. 推重比和翼载的确定 ................................................................................................ 28 第五章 重量的详细计算和优化................................................................................ 29 5.1. 部件重量详细计算 .................................................................................................... 29 5.1.1. 机身..................................................................................................................... 29 5.1.2. 机翼..................................................................................................................... 29 5.1.3. 襟翼..................................................................................................................... 30 5.1.4. 尾翼..................................................................................................................... 30 5.1.5. 起落架................................................................................................................. 30 5.1.6. 控制面................................................................................................................. 30 5.1.7. 动力装置以及短舱............................................................................................ 31 5.1.8. 固定设备............................................................................................................. 31 5.2. 重量参数综合............................................................................................................. 31 5.3. 重量优化..................................................................................................................... 31 5.4. 重心估计..................................................................................................................... 33 第六章 飞行性能分析 ................................................................................................ 35 6.1. 升力特性分析............................................................................................................. 35 6.1.1. 翼型的升力 ........................................................................................................ 35 6.1.2. 机翼的升力 ........................................................................................................ 36 6.1.3. 翼身组合体的升力线斜率 ............................................................................... 37
目录 62.阻力特性分析 37 6.3.1. 零升阻力… 6.3.2. 诱导阻力分析 38 6.3.3.激波阻力 40 6.3.速度特性分析… 42 6.3.1.最大平飞速度 42 6.3.2. 失速速度 42 9.3.3.其它速度参数 43 6.4.起降性能分析 43 6.4.1.起飞距离 43 6.4.2. 着陆距离. 45 第七章飞机分系统设计 46 7.1.推进系统… 46 7.11.发动机类型选择 46 7.12.发动机性能参数 46 7.13.发动机安装. 48 7.2.燃油系统… 50 7.3.航电系统. 51 7.4.飞行控制系统… 51 7.4.1.电传飞行控制系统 52 7.4.2.余度设计… 54 7.5.起落架系统… 55 7.5.1.起落架布置形式 55 7.52.起落架参数设计 55 7.5.3.轮胎参数的选择 57 7.5.4.起落架的安装及收放 57 第八章经济性分析… 59 8.1.所有权成本 60 8.2.现金运营成本… 61
目 录 V 6.2. 阻力特性分析............................................................................................................. 37 6.3.1. 零升阻力............................................................................................................. 38 6.3.2. 诱导阻力分析 .................................................................................................... 38 6.3.3. 激波阻力............................................................................................................. 40 6.3. 速度特性分析............................................................................................................. 42 6.3.1. 最大平飞速度 .................................................................................................... 42 6.3.2. 失速速度............................................................................................................. 42 9.3.3. 其它速度参数 .................................................................................................... 43 6.4. 起降性能分析............................................................................................................. 43 6.4.1. 起飞距离............................................................................................................. 43 6.4.2. 着陆距离............................................................................................................. 45 第七章 飞机分系统设计............................................................................................ 46 7.1. 推进系统..................................................................................................................... 46 7.1.1. 发动机类型选择 ................................................................................................ 46 7.1.2. 发动机性能参数 ................................................................................................ 46 7.1.3. 发动机安装 ........................................................................................................ 48 7.2. 燃油系统..................................................................................................................... 50 7.3. 航电系统..................................................................................................................... 51 7.4. 飞行控制系统............................................................................................................. 51 7.4.1. 电传飞行控制系统............................................................................................ 52 7.4.2. 余度设计............................................................................................................. 54 7.5. 起落架系统................................................................................................................. 55 7.5.1. 起落架布置形式 ................................................................................................ 55 7.5.2. 起落架参数设计 ................................................................................................ 55 7.5.3. 轮胎参数的选择 ................................................................................................ 57 7.5.4. 起落架的安装及收放........................................................................................ 57 第八章 经济性分析..................................................................................................... 59 8.1. 所有权成本................................................................................................................. 60 8.2. 现金运营成本............................................................................................................. 61
目录 8.3.小结 64 第九章总结 65 参考文献 66 4444 任务分配表.… 68 vl
目 录 VI 8.3. 小结 ............................................................................................................................. 64 第九章 总结................................................................................................................. 65 参考文献 ......................................................................................................................... 66 任务分配表..................................................................................................................... 68
第一章绪论 第一章绪论 1.1.简介 客机，即民用飞机，是指一切非军事用途的飞机，也称民航飞机。客机是体型较大、 载客量较多的集体飞行运输工具，用于来往国内及国际商业航班，一般由航空公司运营。[】 根据LR詹金森、P.辛普金和D.罗兹的定义[2]，载客量超过100座的喷气式民用运输机， 包括将其改造而成的民用货物运输机称之为大型民用飞机或大型商用飞机（简称“大飞 机”)。业内人士还普遍认为，大飞机同时也包括载货重量在14969g以上的民用运输机。 根据詹金森等人的看法，大型民用飞机可分三类： 1)巨型民用飞机(Jumbo),其典型特征是载客能力超过400座，航程超过7000n mile; 2)宽体民用飞机，其典型特征是载客量为200~400座，航程超过6000 n mile: 3)窄体民用飞机，其典型特征是载客量为100-200座，航程最远为5000 n mile, 主要瞄准最大航程段2000~3000 n mile的市场。 根据以上定义可知，宽体飞机的客容量比窄体客机要多一些，座位数在200以上， 飞机上有一般有双通道通行。[3]国际市场主要宽体客机主要包括：波音B767、B777、 B787、B747等系列机型，空客A300、310、A330、A340、A380以及即将推出的A350, 此外还包括麦道10系列(DC10-10/30/40)。 展望21世纪民用飞机的发展，由于预测世界航空运输的客流量2020年将达到4万 亿人次，航空港将达到饱和状态，这将进一步推动民用飞机向大型化发展[4]。同样，我 国航空界也普遍认为，我国在目前发展具有第四代技术水平的支线民机ARJ21-700和中 短程窄体民机C919之后，紧接着发展新一代宽体民用飞机将具有战略意义。 1.2.国内外宽体客机发展概况 1.2.1.国外宽体客机发展概况 发展中短程宽体民用飞机，对运送大量乘客快速到达不同的远方目的地，避免机场拥 挤有着非常重要的意义。为此，随着航空技术的发展，国外先进航空公司在发展小型中短
第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1.简介 客机，即民用飞机，是指一切非军事用途的飞机，也称民航飞机。客机是体型较大、 载客量较多的集体飞行运输工具，用于来往国内及国际商业航班，一般由航空公司运营。[1] 根据 L.R.詹金森、P.辛普金和 D.罗兹的定义[2]，载客量超过 100 座的喷气式民用运输机， 包括将其改造而成的民用货物运输机称之为大型民用飞机或大型商用飞机（简称“大飞 机”）。业内人士还普遍认为，大飞机同时也包括载货重量在 14 969kg 以上的民用运输机。 根据詹金森等人的看法，大型民用飞机可分三类: 1) 巨型民用飞机( Jumbo) ，其典型特征是载客能力超过 400 座，航程超过 7 000n mile; 2) 宽体民用飞机，其典型特征是载客量为 200~ 400 座，航程超过 6 000n mile; 3) 窄体民用飞机，其典型特征是载客量为 100~ 200 座，航程最远为 5 000n mile， 主要瞄准最大航程段 2 000 ～ 3 000n mile 的市场。 根据以上定义可知，宽体飞机的客容量比窄体客机要多一些，座位数在 200 以上， 飞机上有一般有双通道通行。[3]国际市场主要宽体客机主要包括：波音 B767、B777、 B787、B747 等系列机型，空客 A300、310、A330、A340、A380 以及即将推出的 A350， 此外还包括麦道 10 系列（DC10-10/30/40）。 展望 21 世纪民用飞机的发展，由于预测世界航空运输的客流量 2020 年将达到 4 万 亿人次，航空港将达到饱和状态，这将进一步推动民用飞机向大型化发展[4]。同样，我 国航空界也普遍认为，我国在目前发展具有第四代技术水平的支线民机 ARJ21-700 和中 短程窄体民机 C919 之后，紧接着发展新一代宽体民用飞机将具有战略意义。 1.2.国内外宽体客机发展概况 1.2.1. 国外宽体客机发展概况 发展中短程宽体民用飞机，对运送大量乘客快速到达不同的远方目的地，避免机场拥 挤有着非常重要的意义。为此，随着航空技术的发展，国外先进航空公司在发展小型中短
第一章绪论 程窄体民用飞机的同时，还不遗余力地发展大型宽体民用飞机。例如，美国波音和欧洲空 客两大寡头公司为了抢占国际民用航空市场，从二十世纪六十年代就开始研制宽体民机， 如美国波音公司300座级以上的波音747(1966年开始研制)和欧洲空客200-300座级的 A300(1969年开始研制)，其中空客的A330/A340(1987年开始研制)、A380(2000年年底项 目正式启动，如图1所示)和波音7671978年开始研制)、波音747以及波音777为宽体和 巨型民用飞机的典型机型。以美国的波音777、波音737NG、欧洲空客公司的A3301A340、 A380、俄罗斯的图-204以及伊尔-96为代表的第四代民用飞机通过进一步加大机翼展弦比或 加装翼梢小翼来提高巡航效率：在动力装置上采用了推力大、耗油率低、停车率低、污染 小、噪声低的涵道比为7~9的先进高涵道比涡扇发动机：在机体结构上广泛采用了轻型结 构材料，加大了复合材料用量，波音777和A380的复合材料用量占总结构重量的比重分别 达到12%和25%，远高于过去机型3%的复合材料用量，较大幅度地减少了飞机的结构重量： 客舱宽敞舒适：驾驶舱为双人驾驶体制，使用电传操纵系统，采用先进液晶平板显示器代 替过去飞机上的阴极射线管(C℉T)显示器，所有主要的飞行、导航及发动机信息数据都显 示在6块大型屏幕上，从而大大减轻了驾驶员的工作负荷[⑤]。 … A380 图1空客A3806 进入21世纪，以波音787和空客A350XWB的宽体民用飞机（如图2所示）为代表 的第五代干线飞机将陆续出现在世人面前。这一代民机非常强调客舱的舒适性：在气动 设计上采用先进的计算流体力学设计，融合式翼梢小翼的三维一体化机翼提高了飞机的 空气动力性能和巡航效率：在动力装置上采用推力大、耗油率低、环保的涵道比为9~11 2
第一章 绪论 2 程窄体民用飞机的同时，还不遗余力地发展大型宽体民用飞机。例如，美国波音和欧洲空 客两大寡头公司为了抢占国际民用航空市场，从二十世纪六十年代就开始研制宽体民机， 如美国波音公司 300 座级以上的波音 747(1966 年开始研制) 和欧洲空客 200~300 座级的 A300(1969 年开始研制)，其中空客的 A330 /A340(1987 年开始研制) 、A380(2000 年年底项 目正式启动，如图 1 所示)和波音 767(1978 年开始研制)、波音 747 以及波音 777 为宽体和 巨型民用飞机的典型机型。以美国的波音 777、波音 737NG、欧洲空客公司的 A330 /A340、 A380、俄罗斯的图-204 以及伊尔-96 为代表的第四代民用飞机通过进一步加大机翼展弦比或 加装翼梢小翼来提高巡航效率；在动力装置上采用了推力大、耗油率低、停车率低、污染 小、噪声低的涵道比为 7~9 的先进高涵道比涡扇发动机；在机体结构上广泛采用了轻型结 构材料，加大了复合材料用量，波音 777 和 A380 的复合材料用量占总结构重量的比重分别 达到 12%和 25%，远高于过去机型 3%的复合材料用量，较大幅度地减少了飞机的结构重量； 客舱宽敞舒适；驾驶舱为双人驾驶体制，使用电传操纵系统，采用先进液晶平板显示器代 替过去飞机上的阴极射线管( CRT) 显示器，所有主要的飞行、导航及发动机信息数据都显 示在 6 块大型屏幕上，从而大大减轻了驾驶员的工作负荷[5]。 图1 空客A380[6] 进入 21 世纪，以波音 787 和空客 A350XWB 的宽体民用飞机(如图 2 所示) 为代表 的第五代干线飞机将陆续出现在世人面前。这一代民机非常强调客舱的舒适性；在气动 设计上采用先进的计算流体力学设计，融合式翼梢小翼的三维一体化机翼提高了飞机的 空气动力性能和巡航效率；在动力装置上采用推力大、耗油率低、环保的涵道比为 9~11
第一章绪论 的先进高涵道比涡扇发动机，燃油消耗比同类型现役飞机低20%以上：最显著的技术特 点是在机体结构上大量采用复合材料，波音787和A350XWB飞机的复合材料用量分别 占飞机总结构重量的50%和52%，远高于以前大型干线飞机的用量（目前最高水平在 25%左右)，显著地降低了飞机的结构重量，提高了飞机的维修性，改善了乘客的舒适性： 采用开放式结构的中央计算机取代传统的数十条独立总线，控制整个飞机的航电和通用 系统，提高了飞机系统的可靠性：首次采用了电刹车等多电系统，将环控系统由传统的 发动机引气系统驱动改为电驱动：采用更大尺寸的双屏液晶平板显示器，并采用垂直状 态显示模式以显示飞机航迹的相关数据，可以加入增强视景系统和三维合成视景系统， 从而进一步减轻了驾驶员的工作负荷[5]。 图2波音7877川 根据波音公司和空中客车公司公布的主要宽体机型数据8][9]，面对航空运输市场发展 方向，波音公司和空客公司略有分歧。波音公司基于满足更多点对点需求的考虑，推出了 200座级的B787:而空客公司认为大型枢纽市场发展前景更好，于是推出了500座级以上 的A380。体现在市场上，根据波音公司的统计数据显示，到2011年底，全球共有双通道 的宽体飞机（含超大型飞机）数量为4500架，其中：B747以及A380等大型客机的数量为 790架。 在航空公司而言，200-300座级的宽体飞机，可以均衡满足高端市场（头等舱和公务 舱)、大众市场（经济舱）的需求：在运营总成本上，也小于空客A380和B747-8,具有 3
第一章 绪论 3 的先进高涵道比涡扇发动机，燃油消耗比同类型现役飞机低 20%以上；最显著的技术特 点是在机体结构上大量采用复合材料，波音 787 和 A350XWB 飞机的复合材料用量分别 占飞机总结构重量的 50% 和 52%，远高于以前大型干线飞机的用量( 目前最高水平在 25%左右) ，显著地降低了飞机的结构重量，提高了飞机的维修性，改善了乘客的舒适性； 采用开放式结构的中央计算机取代传统的数十条独立总线，控制整个飞机的航电和通用 系统，提高了飞机系统的可靠性；首次采用了电刹车等多电系统，将环控系统由传统的 发动机引气系统驱动改为电驱动；采用更大尺寸的双屏液晶平板显示器，并采用垂直状 态显示模式以显示飞机航迹的相关数据，可以加入增强视景系统和三维合成视景系统， 从而进一步减轻了驾驶员的工作负荷[5]。 图2 波音787[7] 根据波音公司和空中客车公司公布的主要宽体机型数据[8][9]，面对航空运输市场发展 方向，波音公司和空客公司略有分歧。波音公司基于满足更多点对点需求的考虑，推出了 200 座级的 B787；而空客公司认为大型枢纽市场发展前景更好，于是推出了 500 座级以上 的 A380。体现在市场上，根据波音公司的统计数据显示，到 2011 年底，全球共有双通道 的宽体飞机（含超大型飞机）数量为 4500 架，其中：B747 以及 A380 等大型客机的数量为 790 架。 在航空公司而言，200~300 座级的宽体飞机，可以均衡满足高端市场（头等舱和公务 舱）、大众市场（经济舱）的需求；在运营总成本上，也小于空客 A380 和 B747-8，具有