民用飞机概念设计中客舱布置的工具开发

潘立军，余雄庆

(南京航空航天大学 飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210016)

民用飞机概念设计中客舱布置的工具开发

潘立军，余雄庆

(南京航空航天大学 飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210016)

客舱布置是民用飞机设计的重要内容，对飞机的安全性、经济性和舒适性有重要影响。根据适航条例中对客舱座椅、应急出口和过道分布等的规定，总结出了一套客舱快速布置的方法，并应用MATLAB编程技术开发了一个具有良好用户界面的设计工具。算例验证表明，该设计工具可实现快速的客舱布置方案设计，且设计结果与参考机型基本一致。

客机；概念设计；客舱布置；飞机设计

客舱布置的安全性、舒适性是客户和乘客最直观的体验，同时对飞机的经济性也有重要影响，因此客舱布置设计是民用飞机总体设计的一个重要方面。为了使设计人员能快速进行客舱布置方案设计，国内外研究人员开发了一些客舱分析和设计工具。例如，Scholz基于Excel表格开发了民用飞机客舱布置程序[1]；罗明强等以开放式飞机总体设计系统为基础, 提出了民用飞机机身剖面构型、客舱布置和自动化调整方法，并完成若干客舱设计实例[2]；陈小荣在其开发的喷气客机概念设计系统中也包含了客舱的初步布置模块[3]。

本文通过参考相关飞机总体设计文献和适航条例，总结出了一套客舱快速布置的方法，并应用MATLAB编程技术开发了一个具有良好用户界面、易于使用的客舱布置设计工具。

1 客舱布置方法

1.1客舱截面的选择

客舱截面的类型有圆形截面、椭圆形截面和多圆弧过渡截面等[3]。圆形截面结构对称，因而受力均匀、易加工、生产成本低，适用于机身直径较大或适中的客机，如波音B767/B777。多圆弧过渡截面，能充分利用设计空间，一般用于具有多层客舱的超大型客机，如波音B747，或者机身截面较小的客机，其缺点是结构设计复杂、制造成本较高。而椭圆形截面则介于两者之间，既考虑了空间的充分利用，又考虑了结构设计的方便，如A380就采用了椭圆形截面。

在客机设计初始阶段，可用椭圆形作为客舱截面的初始外形。因为圆形是椭圆形的一个特例，而多圆弧过渡截面也可由椭圆形来近似，因此椭圆形可同时兼顾简单性和灵活性。

确定了客舱截面为椭圆截面之后，再考虑到过道、座椅和货舱的布置以及乘客的位置，确定10个关键点，如图1所示。其中：Haisle为过道高度，Waisle为过道宽度，Wc为坐垫宽度，Wa为把手宽度，Hb为靠背长度，Hat为把手顶端高度，Hab为把手底端高度，Tc为坐垫厚度，Dcf为坐垫到地板的距离，Tf为地板厚度，Df为地板到截面x轴的距离，Wdt为货舱顶部宽度，Hd为货舱高度，Wdb为货舱底部宽度，Dhw为头部到客舱壁的距离，Dsw为肩部到客舱壁的距离。

图1 客舱截面尺寸定义及10个关键点位置

1.1.1乘客尺寸

出于对乘客舒适性的考虑，对靠窗乘客的头部、肩部以及肘部、脚部等节点距客舱内壁的最小距离都有要求，如图2所示，图中所标示的人体尺寸为2000年美国国家航空航天局(NASA)对95%的40岁美国男性的统计所得的标准数据[4]。另外，对标准身高的乘客在过道内直立行走时，其头顶到客舱天花板之间应留有一定的间隙，此间隙一般不小于75mm。

图2 标准人与客舱侧壁间隙

1.1.2座椅尺寸

对座椅作了适当的简化，其主视图和左视图如图3所示，Ls为座椅长度。图中各尺寸可参考文献[5]中“客舱布置”一章关于座椅尺寸的数据，也可参考同类机型。

1.1.3过道

根据中国民用航空规章第25部《运输类飞机适航标准》(简称CCAR-25)，对于20座以上的客机，座椅之间的过道宽度在任何一处不得小于表1中的值。

图3 座椅尺寸定义

表1 过道最小宽度

1.1.4座椅布置

根据CCAR-25规定，在只有一条旅客过道的飞机上，过道每侧任何一排的并排座椅数不得大于3，每排座椅的具体排布可参考文献[6]。

1.1.5货舱尺寸

货舱装载形式分为集装箱或货物托盘和散装式两类。在概念设计阶段通常采用典型集装箱的尺寸来设计货舱，此外集装箱的角点与货舱内壁之间要考虑留有一定的间隙，通常取50mm。典型集装箱类型、尺寸主要参考文献[7]。

1.1.6客舱截面尺寸的确定

根据上述尺寸定义，可以得到图1中10个关键点的坐标，如式(1)～(10)。

(1)

式中：xL，xR分别为头顶行李架左、右边缘的横坐标。

(2)

式中：Ab为每排座椅数；Na为过道数。

(3)

(4)

根据文献[4]，人头部宽为165mm，一半为82.5mm，则

(5)

(6)

脚外侧到最外侧座椅的外侧把手边缘的距离为50mm，则

(7)

(8)

(9)

概念设计中一般设定货舱的拐角α为45°。

(10)

若用户自定义了椭圆的长短轴之比b/a，则通过每个点都可以唯一确定一个椭圆，最大的椭圆即为所需的客舱截面尺寸。

根据椭圆公式，椭圆的x轴半径可表示为：

(11)

客舱内壁的x轴半径acabin为：

acabin=max(ai)

(12)

客舱内壁的y轴半径bcabin为：

(13)

从而可以得到客舱内椭圆的高和宽：

hf,i=2bcabin

wf,i=2acabin

(14)

故客舱内椭圆的等效直径为：

(15)

此外，根据文献[8]，机身的厚度tf的变化范围为25mm(小型公务机)～100mm(大型喷气客机)，以提供机身结构所需的结构高度。

故机身高和宽分别为：

hf,o=hf,i+2tf

wf,o=wf,i+2tf

(16)

机身等效直径为：

(17)

1.2客舱平面布置方法

1.2.1座椅排距

座椅排距直接影响到乘客乘坐的舒适性。参考文献[6]～[9]列出了座椅排距的参考值，见表2。设计人员可参考这些数据，自行设置座椅排距。

表2 座椅排距 mm

1.2.2应急出口

CCAR-25对不同座级客机应急出口的类型和数量都作了明确的规定。本文根据CCAR-25和文献[6]的建议来布置出口。

1.2.3应急通道

CCAR-25对各种应急出口的通路作了详细规定，包括通道和横向过道的尺寸有明确规定。

1.2.4厕所和厨房的布置

综合分析文献 [1]和文献[6]～[9]给出的厕所和厨房布置的建议，厕所面积取典型数据1 016mm×1 016mm。头等舱每15人配置1个厕所；公务舱每25人配置1个厕所；经济舱按航程不同分别为每60人(中短程)、45人(远程)配置1个厕所；而厨房则可根据占地面积估算。

1.2.5机头和机尾

在概念设计中，机头和机尾的长度可以根据统计数据近似得出。例如根据文献[1]，客机机头长度占机身外直径的比例(即机头长径比)约为1.70；机尾占机身外直径的比例(即机尾长径比)约为3.50。而文献[6]指出，部分机型的机头长径比统计数据为1.48，且机头长径比对飞机的阻力发散马赫数有较明显的影响，用户可根据马赫数初步确定机头长径比。机尾的长径比对阻力也有一定的影响，文献[9]列出的机尾长径比统计数据为：喷气客机2.60～4.00，喷气公务机2.50～5.00。

2 工具开发

根据上述民机客舱布置方法和规则，应用MATLAB的GUIDE模块，开发了一个可以快速进行客舱布置的工具。该工具界面如图4所示。

Ⅰ区：项目名称及上级输入参数。用于显示项目名称和上级输入参数。

Ⅱ区：出口参数区。分别显示了出口的类型、出口距客舱前缘的距离和应急通道的宽度。用户可根据需要改变上述参数，然后重新绘制各种视图。

Ⅲ区：图形显示区。用于显示机身侧视图、客舱平面俯视图和客舱截面图。利用MATLAB的plot绘图功能，根据已知关键点的坐标，连点成线(直线、抛物线和样条线)，即可绘制出各视图。

Ⅳ区：输入参数设置区。用于输入客舱、货舱的各种参数以及必要的客机总体外形参数。点击帮助按钮“？”，工具将给出定义该数据的建议和数据范围，该功能可利用MATLAB的信息对话框msgbox实现。

Ⅴ区：控制按键区。点击“导入”按钮可以导入已有的输入文件；“确认输入”按钮用于确认各输入参数，为绘图做准备；“绘图”按钮可以实现机身侧视图、客舱俯视图以及客舱截面图的绘制。

若修改了参数，可以再次单击“确认输入”和“绘图”按钮，重新绘制图形。在完成绘图后，“保存视图”按钮可以将各视图保存到用户指定的路径下，默认路径为当前工作目录路径。“保存数据”按钮可以将数据文件保存到用户指定的路径下，默认路径为导入文件目录路径。点击“退出”按钮，将弹出确定退出程序的对话框，单击“是”之后将退出程序。以上功能可利用MATLAB的数据读写、绘图、消息对话框功能来实现。

为了增加工具的灵活性，允许用户更改出口位置、应急通道宽度和机头、机尾长径比的数据。

图4 客舱布置工具界面

3 算例

以典型单通道客机A320-200和双通道客机A330-300为算例，验证本工具的有效性。

A320-200和A330-300的客舱设计参数和外形可从空中客车公司官网获得。应用本工具，通过用户界面设置相关的客舱布置参数，即可自动生成单通道客机和双通道客机的客舱布置方案。图5～8给出了应用本工具的设计结果与A320-200和A330-300的客舱实际数据的对比。从这些图中可以看出，由本工具获得的设计结果是合理的。

4 结束语

本文通过考察各种文献中关于民机客舱布置方法，根据CCAR-25要求，提炼了一套客舱布置的方法，并应用MATLAB开发了民机客舱布置设计工具。经典型算例测试表明，该工具可快速生成客舱的初始方案，且具有较好的准确性。在概念设计阶段，本工具可作为民机客舱布置的一个辅助设计工具。

图5 A320-200客舱平面对比图

图6 A320-200客舱截面对比图

图7 A330-300客舱平面对比图

图8 A330-300客舱截面对比图

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

[2] 罗明强，冯昊成，刘虎，等. 民用飞机客舱快速设计及自动化调整[J]. 航空学报, 2009, 30(1): 73-80.

[3] 陈小荣. 喷气客机概念设计系统的实现与应用[D]. 南京：南京航空航天大学, 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

潘立军(1988—)，男，吉林磐石人，南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为飞行器总体设计。

V221

A

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