图7音速巡航者组图及布局 波音的构想是通过更快的速度来带来更高的经济效益，但是事实证明更大的 载客量才能带来更好的经济效益。而与此同时国际航班小型化，点到点化才是未 来的发展趋势，因此，推出一款比747一级更小，比777一级经济性更好的飞机 是非常有诱惑力的。 我们组认为鸭式布局有如下几点好处： (1)鸭翼本身能够产生升力，还能够对主翼有有利的耦合气动影响，并且在 气动力矩的表现上优于常规布局的尾翼，在翼载的表现上比常规布局的飞机 更小，使得结构加强结构更轻，经济型更好。 (2)鸭翼飞机由于气动力矩为正，起飞跑道所需距离更小。并且拥有几乎不 失速的特性，安全性能更好。 (3)在起飞等非平飞状态下不存在常规布局下机翼产生的乱流干扰平尾造成 气动性能降低的问题可以继续降低尾翼失速的风险
图 7 音速巡航者组图及布局 波音的构想是通过更快的速度来带来更高的经济效益，但是事实证明更大的 载客量才能带来更好的经济效益。而与此同时国际航班小型化，点到点化才是未 来的发展趋势，因此，推出一款比 747 一级更小，比 777 一级经济性更好的飞机 是非常有诱惑力的。 我们组认为鸭式布局有如下几点好处： （1） 鸭翼本身能够产生升力，还能够对主翼有有利的耦合气动影响，并且在 气动力矩的表现上优于常规布局的尾翼，在翼载的表现上比常规布局的飞机 更小，使得结构加强结构更轻，经济型更好。 （2） 鸭翼飞机由于气动力矩为正，起飞跑道所需距离更小。并且拥有几乎不 失速的特性，安全性能更好。 （3） 在起飞等非平飞状态下不存在常规布局下机翼产生的乱流干扰平尾造成 气动性能降低的问题可以继续降低尾翼失速的风险
Region of disturbed airflow 0 0 8 a brief description Deep Stall 所以鸭式布局对于无论是气动性能还是安全性方面都能有提升。 但是鸭式布局的缺点也是非常明显的。静不稳定问题还有俯仰操控难度问题 需要得到有效的解决。对于这些问题，除了利用有效的自动控制手法以外，我们 在设计上将机翼与机身的融合度提升以期望减小操纵稳定难度。对于鸭翼设计的 问题是本飞机的难点，在设计过程中需要结合实验对飞机布局做合理优化。 鸭翼的具体设计，在袁昊正组员的中期读书报告中有详细说明。 2.4.结论 在飞机总体布局上，我们还是比较大胆地做了一些改变。在常规机型的基础 上为了能够有效利用机舱空间而改用椭圆形机身，为了获得更好的飞行性能，我 们选择鸭式布局进行创新。这对于我们来说是个挑战，为了使飞机能力更加达到 理想，我们也不断地优化布局，最后得到了这样一个方案。我们小组认为这样一 个最终构型还是比较让人满意的。接下来的几章内容我们将针对飞机的各个参数 进行估计，以评估出我们这一设计的价值
图 8 a brief description Deep Stall 所以鸭式布局对于无论是气动性能还是安全性方面都能有提升。 但是鸭式布局的缺点也是非常明显的。静不稳定问题还有俯仰操控难度问题 需要得到有效的解决。对于这些问题，除了利用有效的自动控制手法以外，我们 在设计上将机翼与机身的融合度提升以期望减小操纵稳定难度。对于鸭翼设计的 问题是本飞机的难点，在设计过程中需要结合实验对飞机布局做合理优化。 鸭翼的具体设计，在袁昊正组员的中期读书报告中有详细说明。 2.4.结论 在飞机总体布局上，我们还是比较大胆地做了一些改变。在常规机型的基础 上为了能够有效利用机舱空间而改用椭圆形机身，为了获得更好的飞行性能，我 们选择鸭式布局进行创新。这对于我们来说是个挑战，为了使飞机能力更加达到 理想，我们也不断地优化布局，最后得到了这样一个方案。我们小组认为这样一 个最终构型还是比较让人满意的。接下来的几章内容我们将针对飞机的各个参数 进行估计，以评估出我们这一设计的价值
3.重量估算 3.1.重量估算方法简介 重量是一个非常重要的参数，它直接影响到飞行器的能力。重量的好坏还将 影响到推进系统和升力装置的选取。 这一章我们将对重量这一参数进行估计，我们采用两种方法。第一种是通过 任务燃油与装载的方法进行初步的重量估算，第二种是根据不同部件的经验公式 来大致估算出飞机的重量。 3.2.初步重量估算 我们首先进行初步的重量估算，以估算出300多人，8000千米航程这一项 目设定所对应的飞行器的空重与最大起飞重量。 通常该估算是通过迭代的方法得到。 3.2.1.确定任务装载重量Mp4y和机组人员重量MCREW 其中Mpr包括乘员，行李和货物重量，本机载人500人，每人75公斤， 携带15公斤行李（托运的算在货运重量中）。乘务人员16人，每人75kg,机 组2人，每人90kg,另外货物空间200立方米采用LD2,LD3,LD4航空集装 箱。 由以上假设： MCREW+MpAy=518×(75+15)+50600=97220kg 3.2.2.猜测一个起飞重量MTOMGUESS 由于复合材料的大量使用将是未来航空客机的主流趋势，因此参考A340之 类的以金属结构为主的客机起飞重量明显不太合适。在此，我们参考了波音 787-3的最大起飞重量165,108kg,然而由于787-3是一款300座级的客机，因
3. 重量估算 3.1.重量估算方法简介 重量是一个非常重要的参数，它直接影响到飞行器的能力。重量的好坏还将 影响到推进系统和升力装置的选取。 这一章我们将对重量这一参数进行估计，我们采用两种方法。第一种是通过 任务燃油与装载的方法进行初步的重量估算，第二种是根据不同部件的经验公式 来大致估算出飞机的重量。 3.2.初步重量估算 我们首先进行初步的重量估算，以估算出 300 多人，8000 千米航程这一项 目设定所对应的飞行器的空重与最大起飞重量。 通常该估算是通过迭代的方法得到。 3.2.1. 确定任务装载重量 MPAY 和机组人员重量 MCREW 其中 MPAY 包括乘员，行李和货物重量，本机载人 500 人，每人 75 公斤， 携带 15 公斤行李（托运的算在货运重量中）。乘务人员 16 人，每人 75kg，机 组 2 人，每人 90kg，另外货物空间 200 立方米采用 LD2，LD3，LD4 航空集装 箱。 由以上假设： 518 (75 15) 50600 97220kg M M CREW PAY 3.2.2. 猜测一个起飞重量 MTOMGUESS 由于复合材料的大量使用将是未来航空客机的主流趋势，因此参考 A340 之 类的以金属结构为主的客机起飞重量明显不太合适。在此，我们参考了波音 787-3 的最大起飞重量 165,108kg，然而由于 787-3 是一款 300 座级的客机，因
此我们猜测我们设计的客机的最大起飞重量为240,000kg。由于设计起飞重量一 般为最大起飞重量的80%-90%之间，所以我们取MTOMGUES=210000kg。 3.2.3.计算燃油系数Me/MTOM 为了确定飞机执行任务时耗去的油量，通常采用燃油系数法。其基本思想如 下：将飞机的典型任务剖面分段并标号，按简单计算公式或由统计值得出各段的 终了重量和初始重量比，进而可以得出任务结束与初始的重量比，对于民用运输 机，因为整个任务剖面中重量的减少全部由燃油消耗引起，故用1减去结束初 始重量比可得出燃油系数。 (1)发动机启动和暖机。令起始重量MTOM,中止重量M,,这个阶段燃油系 数取M,/MTOM=0.985 (2)滑跑和起飞爬升到巡航高度并加速到巡航速度阶段。令起始重量为M,, 终止重量为M,这个阶段根据经验系数取0.9576，即M2/M1=0.9576 (3)巡航阶段。这个阶段内起始重量M,终止重量为M,本阶段的燃油系数 M/M2可以根据Breguet航程公式： M=ep二 RC计算 V(二) D 其中R=8000000m,巡航高度11,000m下，音速a=295.2m/s,巡航马赫 数0.85，则巡航速度V=0.85×295.2m/s=250.92m/s。 由于超临界翼型的广泛采用，如今客机的巡航升阻比己经达到了18-22，我 们设计的客机由于采用椭圆机身，边条翼以及鸭翼的设计，在升阻比上假设能够 达到22。巡航阶段的发动机耗油率SFC我们查阅了相关数据 运用在波音767上的CF6-C2引擎的SFC为0.330~0.347，在空客A330 上的CF6-80E1引擎的SFC为0.324~0.335，而最新的GEnx-1B引擎数据显示 巡航耗油率比CF6-80E1降低了15.4%。我们有信心在2030年左右迎来耗油率 相比现在降低百分之20的发动机，这个估计已经非常保守了。 取C=2×0.330kg/(daW.h×0.8=0.264kg/(daN-h)=1.437×10kg/(kg·s)
此我们猜测我们设计的客机的最大起飞重量为 240,000kg。由于设计起飞重量一 般为最大起飞重量的 80%-90%之间，所以我们取 210000kg MTOMGUESS 。 3.2.3. 计算燃油系数 / M MTOM F 为了确定飞机执行任务时耗去的油量，通常采用燃油系数法。其基本思想如 下：将飞机的典型任务剖面分段并标号，按简单计算公式或由统计值得出各段的 终了重量和初始重量比，进而可以得出任务结束与初始的重量比，对于民用运输 机，因为整个任务剖面中重量的减少全部由燃油消耗引起，故用 1 减去结束/初 始重量比可得出燃油系数。 （1） 发动机启动和暖机。令起始重量 MTOM ，中止重量 M1 ，这个阶段燃油系 数取 1 M MTOM / 0.985 （2） 滑跑和起飞爬升到巡航高度并加速到巡航速度阶段。令起始重量为 M1 ， 终止重量为 M2 ，这个阶段根据经验系数取0.9576，即 2 1 M M/ 0.9576 （3） 巡航阶段。这个阶段内起始重量 M2 ，终止重量为 M3 ，本阶段的燃油系数 3 2 M M/ 可以根据Breguet航程公式： 3 2 exp ( ) M RC M L V D 计算 其中 R=8000000m，巡航高度 11,000m 下，音速 a=295.2m/s，巡航马赫 数 0.85，则巡航速度 V m s m s 0.85 295.2 / 250.92 / 。 由于超临界翼型的广泛采用，如今客机的巡航升阻比已经达到了 18-22，我 们设计的客机由于采用椭圆机身，边条翼以及鸭翼的设计，在升阻比上假设能够 达到 22。巡航阶段的发动机耗油率 SFC 我们查阅了相关数据 运用在波音 767 上的 CF6-C2 引擎的 SFC 为 0.330~0.347，在空客 A330 上的 CF6-80E1 引擎的 SFC 为 0.324~0.335，而最新的 GEnx-1B 引擎数据显示 巡航耗油率比 CF6-80E1 降低了 15.4%。我们有信心在 2030 年左右迎来耗油率 相比现在降低百分之 20 的发动机，这个估计已经非常保守了。 取 4 C kg daN h kg daN h kg kg s 2 0.330 / ( ) 0.8 0.264 / ( ) 1.437 10 / ( )
则M=exp -RC -8000000×0.0001437、 exp( )=0.8120 M, 250.92×22 (4)待机阶段。这个阶段中起始重量为M,终止重量为M,,这个阶段的燃油 系数为M,/M,这个阶段的升阻比为最大升阻比，而已知巡航升阻比为 最大升阻比的0.866时取得。则此时的升阻比 L/D=(L/D)x=22/0.866=25.4,待机时间E=20min=1200s。则 =S=209g014 )=0.999 M 25.4 (5)下降及着陆-滑行-关机阶段。此阶段中，起始重量为M4,终止重量为M,, 本阶段内的燃油系数为M,/M4。由统计值得M/M4=0.9952=0.99 =(总 则任务燃油系数 =0.985×0.9576×0.8120×0.999×0.99 =0.7575 所以燃油系数，=106×1-m7)=106×1-0.7575)=02571 MTOM 其中系数1.06是考虑到飞机有6%的燃油（包括安全余油和死油）不可用。 3.2.4.计算空重系数Me/MTOM 采用拟合经验公式法，拟合公式为 :ME=a.MTOM.K MTOM 对于常规飞机，各系数用统计回归的方法可得： a 飞机类型 英制b 公制kg 农业飞机 0.74 0.72 -0.03 双发涡浆飞机 0.96 0.92 -0.05 喷气教练机 1.59 1.47 -0.10 喷气战斗机 2.34 2.11 -0.13 军用货机/轰炸机 0.93 0.88 -0.07
则 3 2 8000000 0.0001437 exp exp( ) 0.8120 250.92 22 ( ) M RC M L V D （4） 待机阶段。这个阶段中起始重量为 M3 ，终止重量为 M4 ，这个阶段的燃油 系数为 4 3 M M/ ，这个阶段的升阻比为最大升阻比，而已知巡航升阻比为 最大升阻比的0.866时取得。则此时的升阻比 / ( / ) 22 / 0.866 25.4 L D L D MAX ，待机时间 E s 20min 1200 。则 4 3 1200 0.0001437 exp( ) exp( ) 0.999 / 25.4 M E C M L D （5） 下降及着陆-滑行-关机阶段。此阶段中，起始重量为 M4 ，终止重量为 M5 ， 本阶段内的燃油系数为 5 4 M M/ 。由统计值得 2 5 4 M M/ 0.995 0.99 则任务燃油系数 1 1 1,4 ( ) ( ) 0.985 0.9576 0.8120 0.999 0.99 0.7575 i f i i M M m MTOM M 所以燃油系数 1.06 (1 ) 1.06 (1 0.7575) 0.2571 F ff M m MTOM 其中系数 1.06 是考虑到飞机有 6%的燃油(包括安全余油和死油)不可用。 3.2.4. 计算空重系数 / M MTOM E 采用拟合经验公式法，拟合公式为： ME c a MTOM K MTOM 对于常规飞机，各系数用统计回归的方法可得： 飞机类型 a c 英制 lb 公制 kg 农业飞机 0.74 0.72 -0.03 双发涡浆飞机 0.96 0.92 -0.05 喷气教练机 1.59 1.47 -0.10 喷气战斗机 2.34 2.11 -0.13 军用货机/轰炸机 0.93 0.88 -0.07