諸位北京航空航天大學的師生們好！
我有一個關于大型飛機的新設計，想找一下貴大學的飛機設計專家們，不知如何聯(lián)系：
新型長方體飛機設計 設計師：李慶宏 摘要： 新型長方體飛機將目前的長圓柱體大型客機改為上撐大平板下為長方機體的上下兩層結構。這種最根本層次的結構更新將帶來各方面的好處：結構簡單、堅固實用、設計和制造難度低、對材料和工藝的要求低、制造成本低、重量輕、油耗低、并可充分利用太陽能作為輔助動力，故足以堪稱“大型客機發(fā)展史上的一個里程碑式更新”。 這個更新可以在很大程度上填補中國飛機制造公司和波音、空客兩大巨頭目前在技術、工藝方面的差距，由此中國將出現(xiàn)一個類似波音、空客那樣的大公司，實現(xiàn)政府發(fā)展中國大型客機的計劃。中國的大飛機翱翔藍天的時代即將到來！
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2014-7-14 09:48 上傳
背景技術： 目前的大型客機無論美國波音公司還是歐洲空中客車公司的都是錐頭長圓柱體機身，“空中客車”雖名為“客車”，但它的形狀和波音機相比看不出有什么明顯區(qū)別。那么這兩家瓜分當今全球主要大型客機市場的公司不約而同地將飛機設計成這種形狀不是沒有原因的：作為載客數(shù)百人的大型客機，安全性是首先需要盡可能地保障的，那么唯有橫截面為圓形的機體才最不容易受上下左右氣流影響而失去平衡。 目前結構的大型客機缺乏有效的在失去平衡下恢復平衡的能力，因為它只有方向向正前方的動力，那么若被上下氣流吹歪怎么辦呢？主要是靠調整兩側發(fā)動機的動力以改變航向，使得兩側機翼的前行速度不同導致升力不同來恢復平衡。比如向右轉的時候左機翼速度快升力大于右機翼，那么左側就會上抬。這當然不是一種很有效的辦法。而目前結構的飛機若被吹歪不能盡快恢復，那還可能更歪（機內人貨會向下傾方向滑），然后就要失去控制機毀人亡了。所以目前的飛機設計師們盡可能地在機體設計方面下功夫，比如將機體設計成圓形、及增加尾翼等，盡管這代價很大，但為確保安全也只能付。 首先第一個重大代價是：這種圓形機體當然不是一種牢固的形狀，而它的體重又那么重，目前的大型客機如波音747－400是三百多噸，A380則超過了500噸，這么重又是圓形，還要在高速飛行中保持安全強度，那這對材料、設計技術、和制造工藝的要求就非常高了。波音747的設計圖紙有上萬張，每架波音747－400超過2億美元；而空客公司在多年技術積累下，為研發(fā)A380投入的設計經費超過一百億美元，每架A380約3億美元，就是因為這種結構的飛機設計太復雜、制作起來非常難、對材料的要求也高，所以制造成本也非常高。正是由于這種對綜合設計制造能力的極高要求，目前全球只剩下美國波音和歐洲空客兩家大公司，瓜分了每年超千億美元的大型客機市場。 其次第二個重大代價是：這種長圓柱體明顯不是實現(xiàn)客機首要目的，也即用于載客的最佳結構，用于載客的最佳結構顯然是扁長方體，也即下面我們即將看到的本設計的結構。這導致相同載客下機體橫截面積大增，而橫截面積大增意味著空氣阻力大增，空氣阻力大增意味著要達到相同速度油耗大增。 新型長方體飛機的設計： 新型長方體飛機采用上撐大平板的方式確保整個飛機的安全平衡，而取代目前將機體設計成圓形、及使用尾翼等來維持平衡的方式。如圖1所示。 這個設計維持整個飛機平衡的原理就是降落傘的原理，即上面的大平板輕且垂直方向面積大，因此降落起來比下面重且面積小的機體慢得多，由此使整個飛行器的形狀構成一個類似降落傘的結構，這是一種非常安全穩(wěn)定的結構，即使被風吹歪也歪不到哪兒去，風一小就自動恢復平衡。 這種方式看上去多了個東西，按一般習慣性的思維不及在機體本身上下功夫，但仔細分析下，其實代價遠小于在機體本身上下功夫，由此獲得的好處，除了可以將機體改成結構簡單、設計難度小、建造所需的材料和工藝要求低、成本低、空間利用率高、風阻面積小的長方體結構，還可以很方便的使用大面積太陽能。 我們來具體比較一下： 首先作為載客來講，現(xiàn)在人很少有超過2米高的，那么客艙2米高就行了，因為高度影響到風阻面積進而影響油耗，所以綜合考慮還是2米就行了，極少數(shù)超過2米的大個子就請稍微委屈一下了；然后，因為飛機所能達到的巡航速度主要取決于推力和空氣阻力，只要推力大于空氣阻力飛機就會一直加速，直到兩者相等，那么同樣的發(fā)動機推力下空氣阻力實質上是決定巡航速度的主要因素�？諝庾枇Φ拇笮Q定于飛機形狀所導致的風阻系數(shù)（比如尖頭的肯定比鈍頭的風阻系數(shù)�。⑴c迎風面積成正比、與速度的平方成正比。也即相同形狀下，迎風面積大一倍，空氣阻力也大一倍，速度大一倍，空氣阻力則要乘以4。那么油耗呢？我們大致可以按油耗增一倍推力也增一倍計算。所以我們肯定要把飛機設計成狹長的，以得到較高的速度，或降低油耗。本例中我們設定客艙寬10米長60米。 這么大小的客艙可以載多少人呢？我們假設采用類似火車軟臥的上下鋪結構，一張床2米，過道1米，如此寬里每5米2個上下鋪，10米即4個上下鋪；那么床的寬度可以是1.2米，兩床間距離0.6米，之間放桌子，可方便乘客在旅途中吃飯、用手提電腦、或打牌、下棋等，總之長里大概每三米一對上下鋪。如此寬10米長60米的客艙，可以有4×40個上下鋪。 那么我們當然也不需要全軟臥，一個軟臥下鋪可以坐三人，由此可以提供160個軟臥上鋪加480個坐席總計640載客量；或者也可以前10排為全軟臥頭等艙，即80個上下鋪純軟臥，加120軟臥上鋪、360坐席，總計560載客量。 對于乘客來說若兩人出行買一坐一臥可能會是不錯的選擇。航空公司則還可以推出一對上下鋪的套票，一張這樣的套票允許乘2到4人。 總之，如此設計的一個高2米×寬10米×長60米的扁長方體盒子，就可以超過目前波音747－400的載客量，和A380差不多，并且乘客的舒適程度更高。因為坐著再怎么舒服，都不及躺著舒服；長時間坐總是累，躺著才堪稱休息；另外打牌下棋等是旅途中打發(fā)時間的好方法，堪稱娛樂，否則可能坐得很悶。 那么我們再來看速度和油耗。為此我們需要計算空氣阻力。那么我們先算橫截面積。 這個扁長方體機艙的橫截面積是20平方米，輪子按半徑0.8米算，因為還要有些空間放油箱、行李艙等，我們干脆把底盤和輪子之間的空間填到接近滿，然后在飛行途中用活動罩子把輪子罩起來以減小空氣阻力，總計機體橫截面積可以按2.8×10＝28平方米算。 而波音747－400機體的橫截面積是多少呢？它是個直徑接近10米的圓形，面積約為：3.14×5×5＝78.5平方米。也即單機體橫截面積就付出了50平方米的代價。而我們上面撐個大平板的代價呢？寬30米厚2厘米的大平板加約45根撐桿，風阻面積約6－7個平方米。 這還不算完。上撐大平板所帶來的平衡性優(yōu)勢使得我們可以毫無顧忌地用機頭和機尾來產生類似機翼性質的升力，如本圖例中的斜面所示。這使得機翼可以短、迎風面小，大概兩機翼各10米就夠了，平均厚度也只要0.5～1米，如此面積為10～20平方米�？傆嬶L阻面積約44～55平方米。 現(xiàn)在結構的飛機因為怕影響平衡不用機頭機尾產升力，機尾還要豎個尾翼保平衡，那又要幾個平方米。 波音747－400自重約180噸，最多可載170噸航空汽油，加上約60噸的商重，最大起飛重量約400噸，那么要抬起這么重的飛機，機翼橫截面積小不了，翼展64.4米扣除約10米的機體，按兩機翼總長54米，平均厚度1米算，是54平方米，加機體總計風阻面積約132平方米。 兩種機型都是尖頭，風阻系數(shù)差不了多少，所以橫截面積的對比就基本決定了要達到相同速度所需的油耗對比。 也就是說：我們這種飛機與波音747在相同載客量和速度的情況下，油耗將至少低一半。這還沒有算上太陽能光電轉換片所提供的能量。 那么這大約2700平方米光電轉換片能在一般日照下產生多少電能呢？目前的太陽能光電轉換效率是大約每平方米150瓦，2700平方米即約400千瓦的功率。這樣功率的電能也很可觀了，比如假設乘客手提電腦是100瓦，那么即使100個乘客同時使用手提電腦也只不過是10千瓦，所以這樣的飛機是可以允許乘客用飛機內的電源為手提電腦充電的。這400千瓦功率的電能用來供機內電子系統(tǒng)用也只需要一小部分，大部分可以用來驅動安裝在機體頭部或尾部的電動螺旋槳作為飛行的輔助動力。 再來算重量。本發(fā)明的機體明顯比波音747－400小，并且上表面幾乎沒有承重的要求可以用很輕質的材料，側面也是，因此整個機體可以比747－400輕很多，我們來估算一下：大平板約13.5噸，45根撐桿假設每根20公斤，即0.9噸，蓄電池組大概1～2噸，燃油發(fā)動機只要兩臺PW4062，油量也只要波音747的一半，按80噸計算，總計估計自重只要波音747的一半，按90噸計算，商重按600人平均每人100公斤計算為60噸，總計約90＋80＋60＝230噸。 我們再來算這種飛機的設計建造成本。這種飛機外表面基本都是平的，所以設計建造起來難度遠低于目前這種圓的。除了機頭可以考慮設計成底平上扁圓弧面，當然這種弧面會對材料及工藝要求較高，因為我們還要用這個弧面產生較大的上升升力。因為設計建造難度低，對材料、工藝要求也低，所以總的來說整個飛機的成本會降低很多。保守估計是至少降一半。 設計建造難度低將意味著很多公司能生產這種飛機。目前中國的飛機制造公司，如上海商用飛機公司、西安飛機制造廠等，離能造波音747那樣的飛機還有很長一段距離，但造我這種飛機的能力是綽綽有余。 這種新型飛機該叫什么名字呢？本來這樣的飛機才最適合叫“空中客車”，但現(xiàn)在因為這名字已經有人用了，我們也只能另取名字，可以就叫“長方體飛機”（CuboidAircraft），如此以C為代號，排在空客（A）和波音（B）后面。像本例中客艙600平方米載客600人左右的機型可稱“C600”。如果要小一點呢？要小一點就把寬里改為5米，即客艙300平方米載客300人左右，可稱“C300”。 這種飛機的主要缺點是因為有個大平板，垂直方向上空氣阻力很大，所以爬升起來慢，當然下降也慢，估計大概只能達到現(xiàn)有飛機的1/3。為此我們可以把部分板塊設計為活動的，在需要上升時可更向下傾斜一點。這大平板平時則只是從中間向兩邊略微向下傾斜一點，一方面減小上升時的空氣阻力；另一方面是為下雨時免積水。 這種最根本層次的創(chuàng)新所帶來的好處非常大：結構簡單、堅固實用、設計建造難度低、重量輕、體積小、同載客航速油耗低，無論建造成本還是運營成本都明顯下降，提供的服務也更好。綜合以上優(yōu)點，本發(fā)明足以堪稱“大型客機發(fā)展史上的一個里程碑式更新”。 這個更新可以在很大程度上填補中國飛機制造公司和波音、空客兩大巨頭目前在技術、工藝方面的差距，實現(xiàn)國務院《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中發(fā)展中國大型客機的計劃。中國的大飛機翱翔藍天的時代即將到來！估計若將來天上飛的客機都改成這種飛機，那么目前占全球人類溫室氣體排放總量2％的民航業(yè)會降低一半排放量，全世界人和動物也都會受益。
附：新型長方體飛機C600與現(xiàn)有機型波音747-400的各方面綜合比較 1，飛機性能比較表： | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 3000米，但若使用地面電力助推則只需1000～2000米 | | 4臺PW 4062或 GE CF6-80C2B5F或 RR RB211-524H | |
2，飛機制造廠的制造成本比較表 3，航空公司的購買和運營成本比較表 4，乘客經濟性和舒適度比較表 | | | | | 前者普通坐席票價可買后者軟臥上鋪，后者坐席則可便宜1/3 | | | | | | | | |
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發(fā)表于 2014-7-14 09:50:00
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