上游充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 超音速客机的设计 上游充通大 飞行器设计课程设计研究论文 论文题目： 超音速客机的设计 指导教师： 宋文滨 组员：孙玮(5097149048)：刘晓慧(5100209027)：卿泽旭 (5100209153):张宇轩（组长）(5101109105)：沈定东5101309040： 邱菊芳(5104139002) 学院（系）： 航空航天学院
超音速客机的设计 飞行器设计课程设计研究论文 论文题目： _超音速客机的设计 指导教师 ： 宋文滨 组员：孙玮（5097149048）；刘晓慧（5100209027）；卿泽旭 （5100209153）；张宇轩（组长）（5101109105）；沈定东(5101309040)； 邱菊芳（5104139002） 学院（系）： 航空航天学院
上游充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 超音速客机的设计 超音速客机的设计 摘要 本文通过对当今超音速客机市场进行调研后，设计出自己的超音 速飞机来满足市场需求。基于对传统的超音速客机的局限性分析后， 我们采取更加新颖独特的飞机造型，双向三角翼翼型以及超音速及亚 音速下采用不同的飞行模态来提高飞行效率。而基于CD进行气动特 性验证以及对相关飞行参数和油耗参数的计算后，我们的飞机与传统 的超音速客机相比拥有更好的气动效率，更小的噪音，更低的油耗及 相对高的性价比，因此在投入市场后，与当今的长途客机相比，将会 有更强的竞争力。 关键词：超音速客机，双向三角翼翼型，变飞行模态，高气动效率， 高性价比
超音速客机的设计 超音速客机的设计 摘 要 本文通过对当今超音速客机市场进行调研后，设计出自己的超音 速飞机来满足市场需求。基于对传统的超音速客机的局限性分析后， 我们采取更加新颖独特的飞机造型，双向三角翼翼型以及超音速及亚 音速下采用不同的飞行模态来提高飞行效率。而基于 CFD 进行气动特 性验证以及对相关飞行参数和油耗参数的计算后，我们的飞机与传统 的超音速客机相比拥有更好的气动效率，更小的噪音,更低的油耗及 相对高的性价比，因此在投入市场后，与当今的长途客机相比，将会 有更强的竞争力。 关键词：超音速客机，双向三角翼翼型，变飞行模态，高气动效率， 高性价比
上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 超音速客机的设计 DESIGN OF A SUPERSONIC PASSENGER TRANSPORT ABSTRACT This report has the intension of designing our own unique supersonic commercial aircraft to accommodate to the flourishing supersonic aircraft market after an investigation on the current ones.We will employ a novel aircraft configuration,bi-directional flying wing and distinct flight modes according to whether it is on supersonic flight or on the subsonic flight to enhance the flight efficiency of our aircraft based on the analysis of limitations of conventional supersonic aircraft.It can be verified via CFD and calculations of some aerodynamic and fuel-consuming parameters that our exclusive supersonic aircraft will be far more competitive than those long range aircrafts being at service due to a preferable lift and drag properties,low sonic boom,low fuel consumption,which all result in comparatively higher cost performances. KEY WORDS:supersonic commercial aircraft,bi-directional flying wings, different flight modes,high aerodynamic efficiency,high cost
超音速客机的设计 DESIGN OF A SUPERSONIC PASSENGER TRANSPORT ABSTRACT This report has the intension of designing our own unique supersonic commercial aircraft to accommodate to the flourishing supersonic aircraft market after an investigation on the current ones. We will employ a novel aircraft configuration, bi-directional flying wing and distinct flight modes according to whether it is on supersonic flight or on the subsonic flight to enhance the flight efficiency of our aircraft based on the analysis of limitations of conventional supersonic aircraft. It can be verified via CFD and calculations of some aerodynamic and fuel-consuming parameters that our exclusive supersonic aircraft will be far more competitive than those long range aircrafts being at service due to a preferable lift and drag properties, low sonic boom, low fuel consumption, which all result in comparatively higher cost performances. KEY WORDS: supersonic commercial aircraft, bi-directional flying wings, different flight modes, high aerodynamic efficiency, high cost
上游充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 超音速客机的设计 performances 目录 一.引言.… …1 二.市场背景分析 1 2.1国际旅游客运整体回暖… 1 2.2个别地区存在巨大的超音速客机潜力 …3 2.3巨大的时间优势.… .4 2.4合理改变航线可以消除音爆的影响， ..4 2.5飞机小容量将会有更大的市场潜力… .75 三.飞机名称，总体参数与飞行任务 6 四.飞机不同飞行模态介绍及外形，内部布局和说明 7 4.1飞机外形三维立体视图 ..7 4.2飞机三视图… .7 4.3亚音速模态与超音速模态介绍 8 4.4超音速翼型介绍… 9 4.5亚音速翼型介绍 .10 4.6副翼，小翼及纵向稳定性的验证 .11 4.6.1副翼的设计… .11 4.6.2小翼的设计. 14 4.6.3纵向静稳定性验证… .14 4.7机身形状及发动机位置选取 .16 4.7.1机身形状… .16 4.7.2发动机位置选择 16 4.8飞机机舱及起落架布局. .17 4.8.1机舱布局… 17 4.8.2起落架选择 18 五.飞机气动特性CFD分析及噪声影响 ..…18
超音速客机的设计 performances 目录 一．引言................................................................................................................................... 1 二．市场背景分析................................................................................................................... 1 2.1 国际旅游客运整体回暖................................................................................................ 1 2.2 个别地区存在巨大的超音速客机潜力........................................................................ 3 2.3 巨大的时间优势............................................................................................................ 4 2.4 合理改变航线可以消除音爆的影响............................................................................ 4 2.5 飞机小容量将会有更大的市场潜力............................................................................ 5 三．飞机名称，总体参数与飞行任务................................................................................... 6 四．飞机不同飞行模态介绍及外形，内部布局和说明 ....................................................... 7 4.1 飞机外形三维立体视图................................................................................................ 7 4.2 飞机三视图................................................................................................................... 7 4.3 亚音速模态与超音速模态介绍.................................................................................... 8 4.4 超音速翼型介绍............................................................................................................ 9 4.5 亚音速翼型介绍.......................................................................................................... 10 4.6 副翼，小翼及纵向稳定性的验证.............................................................................. 11 4.6.1 副翼的设计.......................................................................................................... 11 4.6.2 小翼的设计.......................................................................................................... 14 4.6.3 纵向静稳定性验证.............................................................................................. 14 4.7 机身形状及发动机位置选取...................................................................................... 16 4.7.1 机身形状.............................................................................................................. 16 4.7.2 发动机位置选择.................................................................................................. 16 4.8 飞机机舱及起落架布局.............................................................................................. 17 4.8.1 机舱布局.............................................................................................................. 17 4.8.2 起落架选择.......................................................................................................... 18 五．飞机气动特性 CFD 分析及噪声影响............................................................................. 18
上游充更大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 超音速客机的设计 5.1.基于1cem的飞机网格建立 18 5.1.1外流场计算域建立 18 5.1.2飞机与计算域的面网格建立 19 5.1.3体网格的建立… .20 5.2基于Fluent的后处理 20 5.2.1求解器设置 .20 5.2.2边界材料定义… .20 5.2.3初始化与迭代计算 .21 5.2.4获得升阻力特性曲线 .21 5.2.5亚音速模态模拟 .21 5.2.6音爆模拟分析 21 5.3气动性能结果分析… .21 5.3.1升阻力结果分析… .21 5.3.2音爆及噪声分析… .23 六.起飞推重比(TW)to与翼载荷WS估算. .…24 6.1起飞推重比（TW)to估计. …24 6.2翼载荷WS估算 .25 七.起飞/降落距离计算… .26 7.1相关计算参数 .26 7.2相关通用经验公式 .26 7.3起飞/降落距离计算 ...26 7.3.1起飞距离计算 .27 7.3.2着陆距离计算… 28 7.4跑道距离选取… 29 八.重量的计算… .29 8.1最大起飞重量计算 .29 8.2飞机各部分质量计算 .31 8.2.1机身质量 31 8.2.2机翼质量… .31
超音速客机的设计 5.1.基于 Icem 的飞机网格建立....................................................................................... 18 5.1.1 外流场计算域建立.............................................................................................. 18 5.1.2 飞机与计算域的面网格建立.............................................................................. 19 5.1.3 体网格的建立...................................................................................................... 20 5.2 基于 Fluent 的后处理................................................................................................ 20 5.2.1 求解器设置.......................................................................................................... 20 5.2.2 边界材料定义...................................................................................................... 20 5.2.3 初始化与迭代计算.............................................................................................. 21 5.2.4 获得升阻力特性曲线.......................................................................................... 21 5.2.5 亚音速模态模拟.................................................................................................. 21 5.2.6 音爆模拟分析...................................................................................................... 21 5.3 气动性能结果分析...................................................................................................... 21 5.3.1 升阻力结果分析.................................................................................................. 21 5.3.2 音爆及噪声分析.................................................................................................. 23 六．起飞推重比（ ） 与翼载荷 估算..................................................................... 24 6.1 起飞推重比（ ） 估计....................................................................................... 24 6.2 翼载荷 估算............................................................................................................ 25 七．起飞/降落距离计算....................................................................................................... 26 7.1 相关计算参数.............................................................................................................. 26 7.2 相关通用经验公式...................................................................................................... 26 7.3 起飞/降落距离计算.................................................................................................... 26 7.3.1 起飞距离计算...................................................................................................... 27 7.3.2 着陆距离计算...................................................................................................... 28 7.4 跑道距离选取............................................................................................................. 29 八．重量的计算..................................................................................................................... 29 8.1 最大起飞重量计算...................................................................................................... 29 8.2 飞机各部分质量计算.................................................................................................. 31 8.2.1 机身质量.............................................................................................................. 31 8.2.2 机翼质量.............................................................................................................. 31
上游充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 超音速客机的设计 8.2.3机舱质量 32 8.2.4落架组件质量 .32 8.2.5操纵面质量 32 8.2.6推进系统质量 .33 8.2.7固定装备质量 33 8.2.8运营设备质量 .33 8.2.9机务人员及乘客（包括行李货物）质量 ...34 8.3空重的吻合性验证.… .34 九.发动机的选取与设计… 35 9.1发动机推力要求.… .35 9.2发动机的设计… 35 9.3发动机几何尺寸与参数 .37 十.稳定性与模态转换控制 .38 10.1稳定性控制 .39 10.1.1副翼的作用.… ..39 10.1.2小翼的作用 39 10.1.3矢量喷管的作用. .39 10.2模态转换控制.… 40 十一.圣西罗号与协和号的相关参数对比 40 11.1飞机特征尺寸的对比.… 11.2飞机基本气动性能对比 ..41 11.3飞机重量与推力耗油率对比 41 十二.圣西罗号经济成本分析与票价确定 .41 12.1D0C分析… 42 12.1.1飞机总投资额 .42 12.1.2飞机每航段租金… .43 12.1.3航段空勤成本 A3 12.1.4航段燃油成本 ..43 12.1.5民航基础建设基金 43 12.1.6飞机维修成本 ..43
超音速客机的设计 8.2.3 机舱质量............................................................................................................. 32 8.2.4 落架组件质量..................................................................................................... 32 8.2.5 操纵面质量......................................................................................................... 32 8.2.6 推进系统质量..................................................................................................... 33 8.2.7 固定装备质量..................................................................................................... 33 8.2.8 运营设备质量..................................................................................................... 33 8.2.9 机务人员及乘客（包括行李货物）质量 ......................................................... 34 8.3 空重的吻合性验证...................................................................................................... 34 九．发动机的选取与设计..................................................................................................... 35 9.1 发动机推力要求.......................................................................................................... 35 9.2 发动机的设计.............................................................................................................. 35 9.3 发动机几何尺寸与参数.............................................................................................. 37 十．稳定性与模态转换控制................................................................................................. 38 10.1 稳定性控制................................................................................................................ 39 10.1.1 副翼的作用........................................................................................................ 39 10.1.2 小翼的作用........................................................................................................ 39 10.1.3 矢量喷管的作用................................................................................................ 39 10.2 模态转换控制............................................................................................................ 40 十一.圣西罗号与协和号的相关参数对比........................................................................... 40 11.1 飞机特征尺寸的对比................................................................................................ 40 11.2 飞机基本气动性能对比............................................................................................ 41 11.3 飞机重量与推力耗油率对比.................................................................................... 41 十二．圣西罗号经济成本分析与票价确定......................................................................... 41 12.1DOC 分析...................................................................................................................... 42 12.1.1 飞机总投资额.................................................................................................... 42 12.1.2 飞机每航段租金................................................................................................ 43 12.1.3 航段空勤成本.................................................................................................... 43 12.1.4 航段燃油成本.................................................................................................... 43 12.1.5 民航基础建设基金............................................................................................ 43 12.1.6 飞机维修成本.................................................................................................... 43
上游充更大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 超音速客机的设计 12.1.7发动机维修成本 43 12.1.8旅客餐食成本 44 12.1.9机场服务成本 44 12.210C分析. …44 12.3票价确定… 44 十三.总结与展望. .45 十四.参考文献… …46 十五.小组成员贡献 .47
超音速客机的设计 12.1.7 发动机维修成本................................................................................................ 43 12.1.8 旅客餐食成本.................................................................................................... 44 12.1.9 机场服务成本.................................................................................................... 44 12.2 IOC 分析.................................................................................................................... 44 12.3 票价确定.................................................................................................................... 44 十三. 总结与展望................................................................................................................. 45 十四. 参考文献..................................................................................................................... 46 十五. 小组成员贡献............................................................................................................. 47
上降充通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 超音速客机的设计 一.引言 自从莱特兄弟为人类插上翅膀的一个世纪以来，飞得“更快、更远、更高” 是人类不断追求的目标。其中最能体现“更快”的超音速客机一直都是飞行器设 计师和商务人员非常感兴趣的一类机型，这是因为它们的高马赫数能够大大减小 洲际飞行的时间，从而拥有巨大的市场潜能和市场价值，尤其是在国际交流日益 频繁的今天。因此，超音速飞机有着亚音速飞机不可比拟的优势。 历史上著名的协和号飞机是首架超音速客机。协和式飞机（英文Concorde) 是由英国和法国联合研制的一种超音速客机，设计主导者是Mr.Lucien Servanty,这种飞机一共只生产了20架，其中仅有16架投入运营。它的最大 巡航速度可达2.02马赫，最大巡航高度可达18300米。协和飞机于1969年研制 成功，并于1976年1月21日投入商业飞行。英国航空公司和法国航空公司曾使 用协和飞机运营跨越大西洋的航线。协和飞行的高昂费用以及的特点限制了它商 业上的成功。 然而，协和号超音速客机具有两大主要的问题，一是效率，二是噪声。效 率源自于飞机超音速飞行中，产生的激波会导致很大的波阻，同时起飞降落和巡 航过程的巨大速度差异也降低了协和号的气动效率，从而带来更大的阻力及油耗， 这些使得协和号的运行需要消耗高昂费用。而噪声则是由激波产生的声爆导致的， 因此协和号不允许在人口稠密的地区运营。终于在2003年，协和号超音速客机 由于高昂的运行费用而停飞。到目前为止，暂时无超音速客机服役。 然而，人类的超音速之梦并没有因为前进道路上的一点挫折挥之而去。目前， 超音速和高超音速客机方案再次被众多航空大国提上了研制的日程，以求在未来 的航空领域中占有一席之地，一场没有硝烟的战争已经打响。基于这种情况，我 们想概念设计一架自己的超音速飞机，兼顾减小音爆和改善超音速飞机系统的气 动性能，使超音速飞机在允许范围内达到二者性能最优的参数组合，同时，具有 良好的安全性与舒适性，以满足乘客的良好体验需求，从而能打破波音和空客对 国际航空运输市场的垄断，成为远途航行的最佳选择之一。 二. 市场背景分析 2.1国际旅游客运整体回暖 下图表是源于IATA的关于近七年国际航空经济走势。 1
超音速客机的设计 1 一．引言 自从莱特兄弟为人类插上翅膀的一个世纪以来，飞得“更快、更远、更高” 是人类不断追求的目标。其中最能体现“更快”的超音速客机一直都是飞行器设 计师和商务人员非常感兴趣的一类机型，这是因为它们的高马赫数能够大大减小 洲际飞行的时间，从而拥有巨大的市场潜能和市场价值，尤其是在国际交流日益 频繁的今天。因此，超音速飞机有着亚音速飞机不可比拟的优势。 历史上著名的协和号飞机是首架超音速客机。协和式飞机（英文 Concorde） 是由英国和法国联合研制的一种超音速客机，设计主导者是 Mr. Lucien Servanty，这种飞机一共只生产了 20 架， 其中仅有 16 架投入运营。它的最大 巡航速度可达 2.02 马赫，最大巡航高度可达 18300 米。协和飞机于 1969 年研制 成功，并于 1976 年 1 月 21 日投入商业飞行。英国航空公司和法国航空公司曾使 用协和飞机运营跨越大西洋的航线。协和飞行的高昂费用以及的特点限制了它商 业上的成功。 然而，协和号超音速客机具有两大主要的问题，一是效率， 二是噪声。效 率源自于飞机超音速飞行中，产生的激波会导致很大的波阻，同时起飞降落和巡 航过程的巨大速度差异也降低了协和号的气动效率，从而带来更大的阻力及油耗， 这些使得协和号的运行需要消耗高昂费用。而噪声则是由激波产生的声爆导致的， 因此协和号不允许在人口稠密的地区运营。终于在 2003 年，协和号超音速客机 由于高昂的运行费用而停飞。到目前为止，暂时无超音速客机服役。 然而，人类的超音速之梦并没有因为前进道路上的一点挫折挥之而去。目前， 超音速和高超音速客机方案再次被众多航空大国提上了研制的日程，以求在未来 的航空领域中占有一席之地，一场没有硝烟的战争已经打响。基于这种情况，我 们想概念设计一架自己的超音速飞机，兼顾减小音爆和改善超音速飞机系统的气 动性能，使超音速飞机在允许范围内达到二者性能最优的参数组合，同时，具有 良好的安全性与舒适性，以满足乘客的良好体验需求，从而能打破波音和空客对 国际航空运输市场的垄断，成为远途航行的最佳选择之一。 二．市场背景分析 2.1 国际旅游客运整体回暖 下图表是源于 IATA 的关于近七年国际航空经济走势
上帝充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 超音速客机的设计 International Passenger Market Source:IATA 210 190 170 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 图2-1近七年Monthly RPK变化趋势图 Largest 8 airlines,EBITDA as revenues,seasonally adjusted 20% Asia-Pacific 0% -5% 2006 2007 20082009201020112012 Source:Bloombera.IATA 图2-2几大航线近七年Revenues变化趋势图 Worldwide growth in air travel and business confidence Source:IATA,JP Morgan/Markit 15% 60 10% 55 50 45 0% 40 5% -Business Confidence 一Growth in RPKs .10% 30 25 15% 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 图2-3近七年世界对航空运营业信心变化趋势图 2
超音速客机的设计 2 图 2-1 近七年 Monthly RPK 变化趋势图 图 2-2 几大航线近七年 Revenues 变化趋势图 图 2-3 近七年世界对航空运营业信心变化趋势图
上帝充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 超音速客机的设计 RPK ASK PLF Africa 8.1% 4.9% 67% Asia/Pacific 3.4% 1.8% 78.2% Europe 2.2% -0.4% 78.4% Latin America 10.2% 12% 77.7% Middle East 13.9% 12.9% 78.8% North America 1.5% -2% 79.6% 2-1 YTD 2013vsYTD 2012 由上述图表可见：虽然2008年与2009年的经济危机使得航空客运业整体不 景气，但从2010年开始，航空客运业市场逐步好转，尤其到了2013年，相比于 2012年，国际旅游客运市场的增长趋势进一步扩大，其中国际航空旅行与一年 前同比增长6%。同时，新兴地区的航空公司持续推动国际旅游客运的增长。亚 太航空公司从10月至3月国际PKs(收入客公里)增长一半。在欧洲与美洲由 于经济贸易的回暖，航空旅游的需求将持续上涨。 2.2个别地区存在巨大的超音速客机潜力 下表是通过对全球分销系统(GDS)中所获取的全球航空始发地一目的地(0/D) 需求数据的分析，其中预期收益率的变化越高，越有可能使得乘客从普通客机转 移至SST。 Revenue Dist. Avg.Fare Avg.Fare Var.from Avg.Var.from Time Origin Destination Pax (USD) (km)(USD)/km (Yield)Exp.Yield LOS (d)Exp.LOS Diff. London New York 254.816559.9215955.592 2197 0.393 39% 52 -18% 5 New York London 257.033559.633.1145.592 2.177 0.389 37% 4.8 -23% Los Angeles New York 196361 202.000.0793.978 1.029 0.259 -12% 3.7 -32% 3 New York Los Angeles 192.097 196.233.2733.978 1.022 0.257 -13% 3.4 -38% Paris New York 76.146187.872.7305863 2.467 0.421 49% 5.1 -21% 6 New York Paris 74.039180.341.6345.863 2.436 0415 48% 5.6 -12% Hong Kong London 72.503157.351.0539.648 2.170 0.225 -12% 7.8 -6% -8 Los Angeles London 60.088155.684.5848.769 2.591 0.295 13% 7.5 8 London Hona Kona 71.052153.219.4879.648 2156 0.224 .13% 8.0 4% 表2-2全球航空始发地一目的地(0/D)需求数据的分析 由上我们可以得到某些地区如伦敦、纽约等对于超音速客机有着高需求，说 明了这些地区超音速客机市场的巨大潜力。 此外，下图是相关专家通过的数据分析，可以推测出上述地区的优质旅游需 求。 3
超音速客机的设计 3 RPK ASK PLF Africa 8.1% 4.9% 67% Asia/Pacific 3.4% 1.8% 78.2% Europe 2.2% -0.4% 78.4% Latin America 10.2% 12% 77.7% Middle East 13.9% 12.9% 78.8% North America 1.5% -2% 79.6% 表 2-1 YTD 2013vsYTD 2012 由上述图表可见：虽然 2008 年与 2009 年的经济危机使得航空客运业整体不 景气，但从 2010 年开始，航空客运业市场逐步好转，尤其到了 2013 年，相比于 2012 年，国际旅游客运市场的增长趋势进一步扩大，其中国际航空旅行与一年 前同比增长 6%。同时，新兴地区的航空公司持续推动国际旅游客运的增长。亚 太航空公司从 10 月至 3 月国际 RPKs（收入客公里）增长一半。在欧洲与美洲由 于经济贸易的回暖，航空旅游的需求将持续上涨。 2.2 个别地区存在巨大的超音速客机潜力 下表是通过对全球分销系统（GDS）中所获取的全球航空始发地—目的地（O/D） 需求数据的分析，其中预期收益率的变化越高，越有可能使得乘客从普通客机转 移至 SST。 表 2-2 全球航空始发地—目的地（O/D）需求数据的分析 由上我们可以得到某些地区如伦敦、纽约等对于超音速客机有着高需求，说 明了这些地区超音速客机市场的巨大潜力。 此外，下图是相关专家通过的数据分析，可以推测出上述地区的优质旅游需 求