低成本通用飞机的概念设计

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摘 要 以低成本为驱动主线，完成了一款19座通用飞机的概念设计。文中分析了在整个概念设计阶段中与成本相关的因素，包括了总体参数选择、构型设计、部件的详细设计和动力系统的选择，针对这些因素，笔者提出了降低成本的设计方法，同时还给出了这款通用飞机的总体性能和初步的成本分析，成本分析中主要涉及到设计、制造和直接使用成本。

关键词 通用飞机；概念设计；成本；构型设计

中图分类号：V261 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）22-0022-03

1 概述

随着通用航空的发展，通用飞机在现代经济发展中发挥着举足轻重的作用，得到国内外的广泛关注和应用。由于通用飞机对机场的要求不高，可以在简易机场上短距离起降，所以通用飞机被广泛的应用于农业、旅游观光和医疗救助方面，在一些偏远地区或者地面交通不便利的地区，通用飞机发挥了重要的作用。另一方面，通用飞机重量轻、操作方便，而且成本较低，还可以作为私人的交通工具。

随着客户要求的不断增长，这些通用飞机逐渐不能满足客户对通用飞机的要求，如低成本，长航程和高巡航速度等。因此可以设计一款满足客户需求的通用飞机用以代替目前已经使用很长时间的同类型的飞机。

本文的目的是设计一型19座的通用飞机，该飞机应该具有除了其他类似飞机的性能外，还要有相对高的巡航速度和航程，能够短距离起降，并且成本相对较低。低成本在整个设计过程中起主要驱动作用。

对比目前存在的19座飞机的主要参数，如表1所示，可以初步确定所要设计的飞机的基本设计输入如下。

表1 19座不同飞机的参数对比

DH-6 1900D Do228

最大起飞重量 千克 5670 7688 6400

有效载荷 千克 1940 1984 2200

乘客人数 19 19 19

机长 米 15.77 17.63 16.6

翼展 米 19.8 17，67 17

空机重量 千克 3120 4831 3740

最大巡航速度 节 183 274 232

着陆距离 米 320 844 450

起飞距离 米 365 1140 800

转场航程 海里 989 1476 1320

单机价格 百万美元 7 4.99 7

最大有效载荷：2000kg；升限：25000ft；

起飞距离：小于400m；着陆距离：小于 500m；

爬升率：大于 2000ft/min；最大巡航速度：250knots；

有效载荷航程：1000nm；标准集装箱：LD2；

乘客数：19；升限：25000ft；

起飞距离：小于400m；着陆距离：小于 500m；

爬升率：大于 2000ft/min。

同时参照CS-23部的相关条款还可以确定飞机的最大起飞重量和失速速度等。

最大起飞重量：小于8618 kg；失速速度：小于 61 节。

2 概念设计阶段影响成本的因素及对应设计方法

概念设计中与成本相关的主要因素有总体参数的选择、总体构型的设计、部件的详细设计和动力系统的选择。

2.1 总体参数的选择

总体参数是根据初始的设计要求中所确定的飞机的性能来选取的，这些性能主要包括了起飞性能、着陆性能、爬升性能和最大巡航速度等。根据总体要求中的性能参数可以绘制出总体参数的曲线图，如图1所示。

图1 总体参数的选择

受成本的限制，在总体参数选择时，既要保证飞机的性能，又要考虑到成本要求，比如最大升力系数的选择，升力系数能够满足起降要求即可，没有必要选择高升力系数，高升力系数需要先进的增升装置，这就会增加设计和制造以及后期的使用维护成本。第二个参数为翼载，翼载大，机翼面积小，但需要大的结构强度。翼载小，机翼面积大，重量增加。翼载要综合考虑确定，可以对比类似机型的翼载选取适中的翼载，功重比与之类似。经过分析，本机型选择的设计参数如表2。

表2 总体参数

干净构型最大升力系数 CLmaxclean 1.7

起飞构型最大升力系数 CLmaxTO 1.9

着陆构型最大升力系数 CLmaxL 2.2

翼载W/S 27 lbs/ft2

展弦比 11

功率载荷 9 lbs/hp

起飞需求功率 2105hp

机翼面积 702 ft2

2.2 总体构型设计及详细设计

总体构型包括了机翼、机身、尾翼和起落架的形式，下面分别分析各部件的构型对成本的影响。

机翼的构型包含了单翼、联合翼和飞翼等布局形式，由于联合翼和飞翼布局成本高，设计制造复杂，对于通用飞机一般不予考虑。单翼是通用飞机的合理选择，单翼包括了上单翼、中单翼和下单翼。上单翼可以给飞行员提供较好的转弯下视界，还可以降低机身高度，便于货物装载，也可使机翼及机翼上的安装部件免受地面灌木和飞石的破坏。中单翼需要占据机身内的部分空间，通用飞机一般也不予考虑。下单翼给飞行员提供了较好的转弯上视界，同时可以在起飞降落时产生地效作用，提供升力，但机翼距离地面较近，容易受地面灌木和飞石破坏。

机身的设计参数包含了，截面形状和是否存在等直段。截面形式可以采用圆形和近似矩形，圆形设计加工简单方便，同时可以承受高舱压，靠近侧壁的乘客的舒适度也得到提高。近似矩形截面设计制造复杂，在承受舱压方面没有圆形截面具有优势。在同样的装载方式下，近似矩形截面要比圆形截面的面积稍小，可以减小阻力，但通过计算，阻力差别不是很明显。

尾翼的构型包括了“V”型尾翼、“H”型尾翼、“T”型尾翼和单垂尾低平尾形式。前面三种设计和制造及维护成本较高，相对来讲，单垂尾低平尾属于传统构型，设计制造技术相对成熟，同时如果飞机采用双发螺旋桨发动机，平尾处于螺旋桨滑流中，可以提高平尾的效率，减小平尾面积。

起落架可以选择固定式和可收放式。固定式结构简单、重量轻，但阻力较大，对于该机型的巡航速度大于200节，起落架需采用可收放式，这势必要增加重量，但可以降低阻力，从而减小油耗和使用成本。

2.3 动力系统的选择

通用飞机可供选择的发动机为活塞发动机、涡桨发动机和涡喷发动机，一般不选择涡扇发动机。

最终本方案采用的构型为：1）平直上单翼，简单后退襟翼；2）单垂尾低平尾；3）单轮可收放起落架；4）圆形机身截面和中机身等直设计；5）机翼下吊挂发动机。

图2 总体构型方案

3 总体性能分析

本节对飞机的起降性能、装载性能和重量重心进行了计算，通过计算分析结果如下：

起飞距离米

着陆距离米

起降距离与初始提出的设计要求相一致，即起飞距离不大于400米，着陆距离不大于500米。

有效载荷航程：

图3 有效载荷航程对比图

通过对比分析，本机的有效载荷航程要比参照机型更远，具有很强的竞争力。

典型的转载设计：

根据设计要求，本机具有搭载19名乘客，装载简单货物LD-2集装箱和医疗救援的功能，典型的转载设计如图4所示。

图4 典型装载设计

图5 重心位置

通过计算分析，重心位置位于17%-35%的平均弦长的范围内，对于通用飞机将这个重心范围是可以接受的。

4 成本分析

飞机的成本包括了设计、制造、使用和报废成本。本文针对本机的设计制造和直接使用成本机型了分析计算，采用Roskam、Raymer和Burn的分析方法进行了对比分析设计制造成本。经计算其成本随制造架数的变化如图6所示。

图6 设计和制造成本

直接使用成本的组成和最终的计算结果如表3。

表3 直接使用成本

项目 DOC

USD/海里

飞行成本 机组薪水 0.55

燃油、滑油 1.27

飞机保险 0.135

维护成本 结构及系统维护成本 1.6

发动机维护成本 0.13

材料维护成本 0.27

发动机材料 0.44

使用维护 1.46

折旧成本 机体 0.0074

发动机 0.228

螺旋桨 0.0079

航电 1.99

机体备件 0.086

发动机备件 0.17

DOClnr 着陆费用 0.017

导航费用 0.01

注册税费 0.008

资金管理费用 0.5

直接使用成本总计 8.8

以生产500架为例，该飞机的成本加利润价格为4.5百万美元左右，对比表1中的同类型的飞机，该飞机具有一定的竞争能力。

5 结论

经过整个概念设计阶段的设计、分析和计算，完成了一架19座的通用飞机的设计。进过分析，该飞机能够满足设计的要求，并且实现了低成本的设计目标。

本通用飞机采用传统构型设计，圆形截面机身，并且采用等截面的中机身。使用上单翼的构型，使机翼远离来自地面的潜在的破坏威胁，翼下加装两台涡桨发动机抵消部分翼载带来的弯矩，襟翼采用单缝襟翼，结构简单，维护方便，成本低。尾翼设计为单垂尾和机身安装的平尾的形式。起落架采用单轮可收放式，降低阻力，以满足最大250节的巡航速度。高效低油耗的涡桨发动机的选择，对降低直接使用成本具有显著的作用。

本通用飞机设计为能够装载2000kg的有效载荷。载荷包括乘客、行李和LD-2的标准集装箱。本通用飞机具有短程起降的能力，并且能够适应起降条件较差的机场。

总之，所提出的设计要求和目标基本实现，与竞争机型相比，本通用飞机具有一定的市场竞争能力。

参考文献

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[2]http：///wiki/.

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