基于适航符合性的翼身融合布局客机客舱布置设计

潘立军，吴大卫，谭兆光，张怡哲，柴啸,袁昌盛，陈迎春,*

1. 中国商用飞机有限责任公司 上海飞机设计研究院，上海 201210 2. 西北工业大学 航空学院，西安 710072

翼身融合(BWB)布局的概念从出现到现在已有100余年，但早期主要集中在军用飞机领域的研究。由于当时技术水平所限，其固有的操纵性和稳定性问题亟待解决，随着YB-49的两架原型机相继坠毁，翼身融合布局研究进入低潮期[1]。直到战略轰炸机B2的出现，重新提起了人们对此类外形的浓厚兴趣，并探讨了应用于民航客机或运输机的可能性[2]。麦道公司首先提出了早期的融合式布局客机初步方案[3]。近30年来，翼身融合布局得到了很大发展，国内外许多高校、企业和研究机构分别开展了总体设计与优化[3-6]、气动设计[7-9]、结构与重量评估[10-12]、推进系统[13]和操稳特性设计[14-17]等相关研究。但对于客舱的设计还不够完善，尤其基于适航标准的设计更是少之又少，因此有必要针对翼身融合布局较为系统地基于适航符合性开展客舱设计。

翼身融合布局客机的客舱设计与常规桶状机身有着很大区别。由于乘客集中在大堂式的中心体内，且应急出口不同于常规桶状机身位于两侧，因此需要合理设计应急撤离系统。此外，由于中心体需要承受增压弯曲载荷和机翼弯曲载荷，同时又需要满足乘坐空间、客舱地板倾角与巡航迎角要求，因此需要综合考虑结构和气动进行客舱优化设计。

本文以某翼身融合布局客机方案为对象，基于适航符合性，结合结构空间限制，从过道宽度、最大并排座椅数、应急出口布置、应急撤离、乘务员座椅布置、洗手间和厨房布置、乘客舒适性等方面，对其客舱布置开展设计。

1 某翼身融合布局客机主要参数

某翼身融合布局客机如图1所示，采用前三点式起落架，机翼为中单翼、后掠、下反，融合式翼梢小翼，两个发动机布置于中心体与机翼融合处上侧，V型尾翼，翼展约为74 m，主轮距约为11 m。

图1 某翼身融合布局客机Fig.1 A BWB civil aircraft

2 客舱剖面设计

常规客机的客舱剖面有圆形、椭圆形和多圆弧过渡等，翼身融合布局客机的客舱剖面与此截然不同，大多采用多舱室的结构形式，为了承受增压弯曲载荷和机翼弯曲载荷，Velicki等提出了采用拉挤棒缝合高效组合结构(Pultruded Rod Stitched Efficient Unitized Structure, PRSEUS)[10]。

出于对乘客舒适性的考虑，对靠窗(或舱室壁板)乘客的头部、肩部以及肘部、脚部等节点与客舱内壁的最小距离都有要求，经济舱乘客头部、肩部分别不小于50 mm、25 mm，肘部、脚外侧可以触碰客舱内壁，且标准身高的乘客在过道内直立行走时，其头顶距离客舱天花板的最小距离一般不小于75 mm[18]。此外，适航标准[19]规定：① 对 于大于20座的客机，过道宽度在任何一处不得小于380 mm(15 in，离地板小于635 mm处)或510 mm(20 in，离地板等于或大于635 mm处)；② 在只有一条过道的客机上，过道每侧任何一排的并排座椅数不得大于3。

基于上述适航要求，同时考虑到中间乘客的舒适性，首先对经济舱座椅进行设计，中间座椅靠背宽为469.9 mm(18.5 in)，其余座椅靠背宽为457.2 mm(18 in)，扶手宽为50.8 mm(2 in)。由此形成的经济舱典型客舱剖面如图2所示，整个客舱采用4舱室的结构形式，全部舱室都为单通道“3+3”布局，货舱可容纳4个标准LD3集装箱。

图2 经济舱典型客舱剖面Fig.2 Typical cabin cross-section of economy class

客舱窗户的设计是提高舒适性时需重点考虑的问题，其设计有如下原则[18]：

1) 最大面积以获得最大的自然光通过量。

2) 尽可能多地让乘客有最大的外部视角，一般需要获得大于50°的视角。

3) 窗户间距主要由机身框距确定，而不是由座椅排距确定。

4) 增压舱的窗户形状为圆形、带圆角的矩形、椭圆形或卵形，以减小应力集中。

5) 窗户上沿大致与标准人眼位齐平。

翼身融合布局客机的客舱窗户不同于常规客机，受气动外形和结构限制，通常布置于中心体前部两侧，公务舱客舱窗户尺寸和位置如图3所示，窗户尺寸与B787机型相当，根据5百分位和95百分位的40岁美国男性的身体尺寸确定眼位，可以看出，靠窗乘客视角偏小，仅21°～22°。

图3 公务舱典型客舱剖面及窗户尺寸和位置Fig.3 Typical cabin cross-section and window’s dimension and position of business class

3 客舱平面设计

3.1 座椅排距

座椅排距直接影响着乘客的舒适性，各家航空公司的方案不尽相同，各级座舱座椅排距参考值[18, 20-23]如表1所示。

出于乘客舒适性的考虑，当今主流机型(如B787、B777、A350等)典型两舱布局的座椅排距较早期参考资料值偏大，故典型两舱布局的座椅排距分别取为1 524 mm(60 in)和812.8 mm(32 in)。此外，各级座舱第1排座椅与前隔板的距离可分别取508 mm(20 in)和407 mm(16 in)[18]。

表1 典型座椅排距Table 1 Typical seat pitch

注：1 in = 25.4 mm。

3.2 应急出口

适航标准[19]对应急出口的类型和数量都作了明确的规定，对于300座以上的客机应急出口通常采用A型出口：宽不少于1 066 mm(42 in)，高不少于1 829 mm(72 in)，圆角不得大于178 mm(7 in)，与地板齐平的矩形开口，最大许可乘客座椅数为110。此外，适航标准[19]规定：出口应考虑乘客座椅的分布，尽可能均匀布置；且在机身每一舱段每侧的相邻出口的距离不得超过18.3 m(60 ft)。出口均布性可根据咨询通告(AC25.807-1)的方法检验。

3.3 应急出口通路

适航标准[19]对应急出口通路作了详细规定，现归纳如下：

1) “…通往A型和B型出口的通道不得有障碍物，宽度至少为914 mm(36 in)…”。

2) “…当有两条或多条主过道时，两条主过道之间必须设置若干宽度至少为510 mm(20 in)的无障碍横向过道，其设置要满足以下要求：必须有一条横向过道通向最近的主过道与A型、B型应急出口之间的每一条通道…”。

为满足应急出口无障碍通道最小宽度的要求，靠近应急出口处的座椅布置可以采用加大排距、限制座椅靠背后倾、去掉一个座椅等措施；靠近应急出口处厨房、洗手间、衣帽间等的布置，也应满足最小通道宽度的要求；此外，要考虑帮助乘客撤离的乘务员的活动区域(咨询通告AC25-17A中规定此区域不小于12 in×20 in，即304.8 mm×508 mm)，A型出口的通道宽度如图4 所示。

适航标准[19]规定对客座量大于44座的飞机，必须表明其最大乘座量的乘员能在90 s内在模拟的应急情况下从飞机撤离至地面。

图4 A型出口的通道宽度Fig.4 Width of Type A exit passageway

3.4 洗手间和厨房

洗手间和厨房是客机必须考虑的乘客服务设施，洗手间布置时，应考虑以下因素[18]：

1) 每个舱室至少有一个洗手间，避免穿过其他舱室使用洗手间。

2) 避免穿过厨房工作区域使用洗手间。

3) 洗手间应布置在乘坐舒适性差的地方。

4) 洗手间布置应考虑客舱布置的灵活性，能较容易地改变座椅位置。

5) 希望每一个舱室有一个可供残疾人使用的洗手间。

根据主流宽体客机数据，头等舱每6～16名旅客配置1个洗手间；公务舱、经济舱分别为约20名和50名；洗手间尺寸取为965.2 mm×1 219.2 mm (即38 in×48 in)。

厨房布置时，应考虑以下因素[18]：

1) 厨房位于右侧，靠近服务门的位置，避免影响乘客登机。

2) 厨房的工作区域应当避开飞行中乘客的活动区域。

3) 每一个舱室都应有厨房。

4) 厨房位置应可变动，以便换成其他服务设施。

厨房的占地面积则根据标准的食品车的数量来估算。根据主流宽体客机数据，头等舱每1名旅客配置0.4～1.3个食品车，公务舱、经济舱分别为0.24～0.58个和0.08～0.11个。知道食品车的规格与数量，考虑到食品车之间的间隙和厨房结构的厚度等，就可得出厨房占客舱地板的总面积。

3.5 乘务员座椅数

适航标准[24]规定：对于100座以上的客机，在配备2名客舱乘务员的基础上，按照每增加50个旅客座位增加1名客舱乘务员的方法配备，不足50的余数部分按照50计算。此外，乘务员座椅应尽量布置在能直接观察到其所负责客舱区域的位置，可根据咨询通告(AC25.785-1B)的方法检验。

根据主流宽体客机数据，头等舱乘务员均不少于3人，头等舱每2～7.3名旅客配置1名乘务员，公务舱、经济舱分别约为7～27名和40名配置1名乘务员。

4 最终方案

4.1 典型两舱布置方案

考虑上述要求，最终设计的382座典型两舱布置方案如图5所示,具体描述如下：

1) 公务舱30座，排距60 in，洗手间2个，厨房2个(全尺寸食品车9个)，衣帽间1个，储物间2个，小型吧台2个，乘务员4人，每个舱室都含有洗手间、厨房和衣帽间，避免穿过其他舱室使用洗手间的情况，保证了公务舱乘客乘坐舒适性。

2) 经济舱352座，排距为32 in，洗手间8个，厨房7个(前舱2个，全尺寸食品车10个；后舱5个，全尺寸食品车25个)，储物间2个，乘务员9人，每个舱室都含有洗手间和厨房，避免了穿过其他舱室使用洗手间的情况。

3) 前部工作区上方布置了2个乘务员床位和1个座椅，后部工作区上方布置了6个乘务员床位，满足机组休息需求。

4) 机头布置了2对A型出口，中心体后部机腹处布置了4个A型出口(MD-82、B717等有相近的尾锥型出口)，且每个出口处都配有乘务员，客舱具有4条纵向通道和5条横向通道，可以满足适航规章对应急出口和应急出口通路的要求。

4.2 应急撤离分析

适航标准[19]的“90 s应急撤离”要求通常需要实际演示来表明符合性。国内外已有一些仿真系统，可对应急撤离特性进行分析。张玉刚等[25]设计了基于元胞自动机的民机应急撤离仿真系统，利用该系统对本客舱布置方案进行了评估，如图6所示，其中不同颜色、不同大小的方块代表随机生成的不同属性(年龄、性别、体重、运动速率等)的个体，包括机组15人，乘客382人(女性比例为40.05%，50岁以上比例为35.34%，50岁以上女性比例为15.18%，3人模拟携带婴孩)；带圆圈方块和带叉方块分别代表散落的物品，来模拟轻微障碍；2对机头A型出口和4个机腹A型出口每对出口各选择1个作为可用出口。以上设定满足适航标准要求。

图5 382座典型两舱客舱布置Fig.5 Typical layout of 2-class cabin with 382 seats

仿真结果显示总撤离时间为88.27 s，初步证明了方案的可行性。但考虑到仿真系统模型作了简化，且未能准确模拟翼身融合布局外形及出口位置，因此翼身融合客舱布置方案的应急撤离特性尚需要进一步的研究。

4.3 舒适性对比

选取座级相当的常规客机B777-200作为参考，其典型两舱客舱布置如图7所示，共375座。

1) 公务舱30座，排距为38 in，洗手间2个，厨房3个(全尺寸食品车8个，半尺寸食品车3个)，衣帽间1个，储物间1个，乘务员3人。

2) 经济舱345座，排距为32 in(其中152座排距为31 in)，洗手间8个，厨房5个(前舱2个，全尺寸食品车9个；后舱3个，全尺寸食品车16个)，储物间2个，乘务员9人。

对比4.1节可以看出，翼身融合布局客机382座典型两舱客舱布置方案纵向空间舒适性较高,具体如下：

1) 有效载客多出7人。

2) 公务舱、经济舱排距上都存在优势，前者高出达58%。

3) 公务舱厨房空间相对略小，但经济舱厨房可多容纳10个食品车。

4) 公务舱乘务员多1人，经济舱相同。

5) 公务舱储物间多1个，经济舱相同。

6) 洗手间个数相同。

B777-200典型客舱剖面如图8所示，公务舱采用双通道“2+2+2”布局，经济舱采用双通道“2+5+2”布局，与图2和图3对比可以看出，翼身融合布局客机382座典型两舱客舱布置方案横向空间舒适性稍差,具体表现为：

图6 应急撤离仿真Fig.6 Emergency evacuation simulation

1) 经济舱三联座两侧座椅靠背窄0.5 in，中间靠背宽度相同，扶手宽度相同；公务舱座椅靠背宽1.5 in，中央扶手窄1 in，两侧扶手宽度相同。不过，B777-200五联座中间乘客舒适性较差。

2) 经济舱过道宽度窄0.5 in；公务舱过道宽度窄3 in。

3) 经济舱无窗户，公务舱靠窗乘客视角偏小(B777-200为26°～31°)。

但翼身融合布局客机382座典型两舱客舱布置方案垂向空间舒适性较高,具体表现为：

1) 过道高度约高0.1 m(4.2%)。

2) 两侧舱室外侧乘客头部空间约多0.1 m(4%)，其余靠近舱室壁板的乘客头部空间约多0.3 m(18%)。

此外，适航规章中对应急照明、应急出口标记、应急撤离辅助措施和撤离路线等也有要求，这里不再赘述。

图7 B777-200典型两舱客舱布置Fig.7 Typical layout of B777-200 2-class cabin

图8 B777-200典型客舱剖面Fig.8 Cross-section of B777-200 typical cabin

5 结 论

1) 针对某翼身融合布局客机，设计了符合适航标准的382座典型两舱客舱布置方案。

2) 客舱设置有2对机头A型出口和4个机腹A型出口，4条纵向通道和5条横向通道，满足适航标准要求。

3) 该方案可以满足适航标准对过道宽度、最大并排座椅数、应急出口类型、应急出口均布性、应急出口通路、乘务员数量、乘务员视界等相关要求。

4) 通过与座级相当的常规客机对比，该布局纵向和垂向空间舒适性较高，公务舱座椅排距约多出58%，靠近舱室壁板的乘客头部空间约多出4%～18%；但横向空间舒适性稍差。

5) 通过应急撤离仿真系统分析，该布局满足“90 s应急撤离”要求。