大型飞机的新设计（为什么非得长圆柱体？我们改成长方体！）

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新型长方体飞机设计

设计师：李庆宏

摘要：

新型长方体飞机将目前的长圆柱体大型客机改为上撑大平板下为长方机体的上下两层结构。这种最根本层次的结构更新将带来各方面的好处：结构简单、坚固实用、设计和制造难度低、对材料和工艺的要求低、制造成本低、重量轻、油耗低、并可充分利用太阳能作为辅助动力，故足以堪称“大型客机发展史上的一个里程碑式更新”。

这个更新可以在很大程度上填补中国飞机制造公司和波音、空客两大巨头目前在技术、工艺方面的差距，由此中国将出现一个类似波音、空客那样的大公司，实现政府发展中国大型客机的计划。中国的大飞机翱翔蓝天的时代即将到来！

背景技术：

目前的大型客机无论美国波音公司还是欧洲空中客车公司的都是锥头长圆柱体机身，“空中客车”虽名为“客车”，但它的形状和波音机相比看不出有什么明显区别。那么这两家瓜分当今全球主要大型客机市场的公司不约而同地将飞机设计成这种形状不是没有原因的：作为载客数百人的大型客机，安全性是首先需要尽可能地保障的，那么唯有横截面为圆形的机体才最不容易受上下左右气流影响而失去平衡。

目前结构的大型客机缺乏有效的在失去平衡下恢复平衡的能力，因为它只有方向向正前方的动力，那么若被上下气流吹歪怎么办呢？主要是靠调整两侧发动机的动力以改变航向，使得两侧机翼的前行速度不同导致升力不同来恢复平衡。比如向右转的时候左机翼速度快升力大于右机翼，那么左侧就会上抬。这当然不是一种很有效的办法。而目前结构的飞机若被吹歪不能尽快恢复，那还可能更歪（机内人货会向下倾方向滑），然后就要失去控制机毁人亡了。所以目前的飞机设计师们尽可能地在机体设计方面下功夫，比如将机体设计成圆形、及增加尾翼等，尽管这代价很大，但为确保安全也只能付。

首先第一个重大代价是：这种圆形机体当然不是一种牢固的形状，而它的体重又那么重，目前的大型客机如波音747－400是三百多吨，A380则超过了500吨，这么重又是圆形，还要在高速飞行中保持安全强度，那这对材料、设计技术、和制造工艺的要求就非常高了。波音747的设计图纸有上万张，每架波音747－400超过2亿美元；而空客公司在多年技术积累下，为研发A380投入的设计经费超过一百亿美元，每架A380约3亿美元，就是因为这种结构的飞机设计太复杂、制作起来非常难、对材料的要求也高，所以制造成本也非常高。正是由于这种对综合设计制造能力的极高要求，目前全球只剩下美国波音和欧洲空客两家大公司，瓜分了每年超千亿美元的大型客机市场。

其次第二个重大代价是：这种长圆柱体明显不是实现客机首要目的，也即用于载客的最佳结构，用于载客的最佳结构显然是扁长方体，也即下面我们即将看到的本设计的结构。这导致相同载客下机体横截面积大增，而横截面积大增意味着空气阻力大增，空气阻力大增意味着要达到相同速度油耗大增。

新型长方体飞机的设计：

新型长方体飞机采用上撑大平板的方式确保整个飞机的安全平衡，而取代目前将机体设计成圆形、及使用尾翼等来维持平衡的方式。如图1所示。

这个设计维持整个飞机平衡的原理就是降落伞的原理，即上面的大平板轻且垂直方向面积大，因此降落起来比下面重且面积小的机体慢得多，由此使整个飞行器的形状构成一个类似降落伞的结构，这是一种非常安全稳定的结构，即使被风吹歪也歪不到哪儿去，风一小就自动恢复平衡。

这种方式看上去多了个东西，按一般习惯性的思维不及在机体本身上下功夫，但仔细分析下，其实代价远小于在机体本身上下功夫，由此获得的好处，除了可以将机体改成结构简单、设计难度小、建造所需的材料和工艺要求低、成本低、空间利用率高、风阻面积小的长方体结构，还可以很方便的使用大面积太阳能。

我们来具体比较一下：

首先作为载客来讲，现在人很少有超过2米高的，那么客舱2米高就行了，因为高度影响到风阻面积进而影响油耗，所以综合考虑还是2米就行了，极少数超过2米的大个子就请稍微委屈一下了；然后，因为飞机所能达到的巡航速度主要取决于推力和空气阻力，只要推力大于空气阻力飞机就会一直加速，直到两者相等，那么同样的发动机推力下空气阻力实质上是决定巡航速度的主要因素。空气阻力的大小决定于飞机形状所导致的风阻系数（比如尖头的肯定比钝头的风阻系数小）、与迎风面积成正比、与速度的平方成正比。也即相同形状下，迎风面积大一倍，空气阻力也大一倍，速度大一倍，空气阻力则要乘以4。那么油耗呢？我们大致可以按油耗增一倍推力也增一倍计算。所以我们肯定要把飞机设计成狭长的，以得到较高的速度，或降低油耗。本例中我们设定客舱宽10米长60米。

这么大小的客舱可以载多少人呢？我们假设采用类似火车软卧的上下铺结构，一张床2米，过道1米，如此宽里每5米2个上下铺，10米即4个上下铺；那么床的宽度可以是1.2米，两床间距离0.6米，之间放桌子，可方便乘客在旅途中吃饭、用手提电脑、或打牌、下棋等，总之长里大概每三米一对上下铺。如此宽10米长60米的客舱，可以有4×40个上下铺。

那么我们当然也不需要全软卧，一个软卧下铺可以坐三人，由此可以提供160个软卧上铺加480个坐席总计640载客量；或者也可以前10排为全软卧头等舱，即80个上下铺纯软卧，加120软卧上铺、360坐席，总计560载客量。

对于乘客来说若两人出行买一坐一卧可能会是不错的选择。航空公司则还可以推出一对上下铺的套票，一张这样的套票允许乘2到4人。

总之，如此设计的一个高2米×宽10米×长60米的扁长方体盒子，就可以超过目前波音747－400的载客量，和A380差不多，并且乘客的舒适程度更高。因为坐着再怎么舒服，都不及躺着舒服；长时间坐总是累，躺着才堪称休息；另外打牌下棋等是旅途中打发时间的好方法，堪称娱乐，否则可能坐得很闷。

那么我们再来看速度和油耗。为此我们需要计算空气阻力。那么我们先算横截面积。

这个扁长方体机舱的横截面积是20平方米，轮子按半径0.8米算，因为还要有些空间放油箱、行李舱等，我们干脆把底盘和轮子之间的空间填到接近满，然后在飞行途中用活动罩子把轮子罩起来以减小空气阻力，总计机体横截面积可以按2.8×10＝28平方米算。

而波音747－400机体的横截面积是多少呢？它是个直径接近10米的圆形，面积约为：3.14×5×5＝78.5平方米。也即单机体横截面积就付出了50平方米的代价。而我们上面撑个大平板的代价呢？宽30米厚2厘米的大平板加约45根撑杆，风阻面积约6－7个平方米。

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这还不算完。上撑大平板所带来的平衡性优势使得我们可以毫无顾忌地用机头和机尾来产生类似机翼性质的升力，如本图例中的斜面所示。这使得机翼可以短、迎风面小，大概两机翼各10米就够了，平均厚度也只要0.5～1米，如此面积为10～20平方米。总计风阻面积约44～55平方米。
现在结构的飞机因为怕影响平衡不用机头机尾产升力，机尾还要竖个尾翼保平衡，那又要几个平方米。
波音747－400自重约180吨，最多可载170吨航空汽油，加上约60吨的商重，最大起飞重量约400吨，那么要抬起这么重的飞机，机翼横截面积小不了，翼展64.4米扣除约10米的机体，按两机翼总长54米，平均厚度1米算，是54平方米，加机体总计风阻面积约132平方米。
两种机型都是尖头，风阻系数差不了多少，所以横截面积的对比就基本决定了要达到相同速度所需的油耗对比。
也就是说：我们这种飞机与波音747在相同载客量和速度的情况下，油耗将至少低一半。这还没有算上太阳能光电转换片所提供的能量。
那么这大约2700平方米光电转换片能在一般日照下产生多少电能呢？目前的太阳能光电转换效率是大约每平方米150瓦，2700平方米即约400千瓦的功率。这样功率的电能也很可观了，比如假设乘客手提电脑是100瓦，那么即使100个乘客同时使用手提电脑也只不过是10千瓦，所以这样的飞机是可以允许乘客用飞机内的电源为手提电脑充电的。这400千瓦功率的电能用来供机内电子系统用也只需要一小部分，大部分可以用来驱动安装在机体头部或尾部的电动螺旋桨作为飞行的辅助动力。
再来算重量。本发明的机体明显比波音747－400小，并且上表面几乎没有承重的要求可以用很轻质的材料，侧面也是，因此整个机体可以比747－400轻很多，我们来估算一下：大平板约13.5吨，45根撑杆假设每根20公斤，即0.9吨，蓄电池组大概1～2吨，燃油发动机只要两台PW4062，油量也只要波音747的一半，按80吨计算，总计估计自重只要波音747的一半，按90吨计算，商重按600人平均每人100公斤计算为60吨，总计约90＋80＋60＝230吨。
我们再来算这种飞机的设计建造成本。这种飞机外表面基本都是平的，所以设计建造起来难度远低于目前这种圆的。除了机头可以考虑设计成底平上扁圆弧面，当然这种弧面会对材料及工艺要求较高，因为我们还要用这个弧面产生较大的上升升力。因为设计建造难度低，对材料、工艺要求也低，所以总的来说整个飞机的成本会降低很多。保守估计是至少降一半。
设计建造难度低将意味着很多公司能生产这种飞机。目前中国的飞机制造公司，如上海商用飞机公司、西安飞机制造厂等，离能造波音747那样的飞机还有很长一段距离，但造我这种飞机的能力是绰绰有余。
这种新型飞机该叫什么名字呢？本来这样的飞机才最适合叫“空中客车”，但现在因为这名字已经有人用了，我们也只能另取名字，可以就叫“长方体飞机”（Cuboid Aircraft），如此以C为代号，排在空客（A）和波音（B）后面。像本例中客舱600平方米载客600人左右的机型可称“C600”。如果要小一点呢？要小一点就把宽里改为5米，即客舱300平方米载客300人左右，可称“C300”。
这种飞机的主要缺点是因为有个大平板，垂直方向上空气阻力很大，所以爬升起来慢，当然下降也慢，估计大概只能达到现有飞机的1/3。为此我们可以把部分板块设计为活动的，在需要上升时可更向下倾斜一点。这大平板平时则只是从中间向两边略微向下倾斜一点，一方面减小上升时的空气阻力；另一方面是为下雨时免积水。
这种最根本层次的创新所带来的好处非常大：结构简单、坚固实用、设计建造难度低、重量轻、体积小、同载客航速油耗低，无论建造成本还是运营成本都明显下降，提供的服务也更好。综合以上优点，本发明足以堪称“大型客机发展史上的一个里程碑式更新”。
这个更新可以在很大程度上填补中国飞机制造公司和波音、空客两大巨头目前在技术、工艺方面的差距，实现国务院《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中发展中国大型客机的计划。中国的大飞机翱翔蓝天的时代即将到来！估计若将来天上飞的客机都改成这种飞机，那么目前占全球人类温室气体排放总量2％的民航业会降低一半排放量，全世界人和动物也都会受益。

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附：新型长方体飞机C600与现有机型波音747-400的各方面综合比较

1，飞机性能比较表：

	波音747-400	新型长方体飞机C600
载客量	416～568人	560～640人
长度	70.6米	90米
宽度	64.4米	30米
高度	19.4米	9米
空载重量	180吨	90吨
最大油量	170吨	80吨
商业载重	60吨	60吨
最大起飞重量	400吨	230吨
典型巡航速度	0.85马赫（1040公里／小时）	0.86马赫
爬升及下降速度	较快	约前者的1/3
最大续航能力	10000～15000公里	10000～16000公里
所需跑道长度	3000米	3000米，但若使用地面电力助推则只需1000～2000米
发动机	4台PW 4062或    GE CF6-80C2B5F或    RR RB211-524H	2台相同发动机

2，飞机制造厂的制造成本比较表

	波音747-400	新型长方体飞机C600
设计复杂度	很高，超过1万张图纸	较高，不到前者一半
对材料性能的要求	很高	不很高
对制造工艺的要求	很高	不到前者的一半
综合制造成本	很高	至少低一半
售价	超过2亿美元	可低一半，但只略低点也可以

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3，航空公司的购买和运营成本比较表

	波音747-400	新型长方体飞机C600
购买价格	超过2亿美元	低于前者
载客量	416～568人	560～640人
平均每坐席百公里油耗	2.8升	不到一半
故障率（维护费用）	结构非常复杂	结构简单，坚固实用
一次万公里飞行油耗成本	约150吨航空燃油，按7元／吨算是100万元	不到一半

4，乘客经济性和舒适度比较表

	波音747-400	新型长方体飞机C600
票价	前者普通坐席票价可买后者软卧上铺，后者坐席则可便宜1/3
飞行所需时间	相同
乘坐舒适度	只能坐或稍斜躺	很多人可坐可平躺
娱乐性	难以提供，长时间坐总会闷	坐在位子上就可以打牌、下棋、使用手提电脑等

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liu_x

我不是专业人士。。也没看完整篇文章。。但说实话这玩意看了挺假。首先现在客舱高度和普通楼房差不多 3米左右吧 很宽敞 两米的高度你还想放两张卧铺 再算上下铺的垫高和床板、床垫的高度、天花板 60厘米高的舱位给谁去睡呢？潜艇兵？2米坐着都憋屈。整个机身设计也十分奇葩 方形机身 你考虑空气动力学问题真的只考虑了风阻面积吗？流线型目前还没有人能拿出实际产品来反驳 何况这平头平脑的东西。机身轻质结构考虑了强度的问题吗 飞机考虑效益的前提是考虑安全性。这种飞机强度低又兜风 空载停靠遇到个大风就被吹的四分五裂了吧？内陷进机身的轮子 请问降落是准备要怎么降？降落伞？总之吧 奇思妙想也要有个限度 别理论都不过关 实际测试更无从谈起的情况下就连名字都起好了。

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liu_x 发表于 2014-7-17 01:16
我不是专业人士。。也没看完整篇文章。。但说实话这玩意看了挺假。首先现在客舱高度和普通楼房差不多 3米左 ...

请看清楚完整了再回复。

一战二战之间，航空业快速发展，当时由于制造工艺的限制，很多飞机无奈被设置成方形的机身，这些飞机几乎很快都被淘汰了，为什么会被淘汰？作者想法很好，但是还需要广泛了解一下相关方面的知识...

callmecen

不知作者有没做过航空器设计，包括对风洞测试是否了解，最基本的气流等因素都没考虑到，只会基本的加减乘除，没有严谨的理工科思维、理论基础与实践。

hbdodo

小男孩嘛 想法可以是宇宙无敌超级飞行器 实际上当个笑话就行