用于設計飛機的方法和系統的制作方法

用于設計飛機的方法和系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于設計飛機的系統（1）和方法（10），特別是在民用領域中的客運飛機和貨運飛機。根據本發明的方法包括以下步驟：a．限定對于至少一個飛機設計的初始要求目錄（步驟11）；b．基于要求目錄實施在預期的運營成本方面優化的至少一個飛機設計（步驟13）；c．仿真具有所述至少一個飛機設計的預定的總飛行網絡且確定總飛行網絡效率（步驟18）；d．檢查所確定的總飛行網絡效率是否構成最優（步驟19）；如果不是：e．調整要求目錄（步驟19和步驟12）以及從步驟（b）開始執行迭代。根據本發明的系統（1）設計來實施所述方法（10）。
【專利說明】
用于設計飛機的方法和系統
技術領域
[0001] 本發明涉及一種用于設計飛機的方法和系統，尤其是涉及在民用領域中的客用飛 機和貨運飛機。
【背景技術】
[0002] 新飛機的設計和建造是非常復雜且極其昂貴的過程。因此，計劃新飛機型號的飛 機制造商往往在實際設計和研發階段開始之前確定(特別地)所預期的新飛機型號應該具 有的技術運營和經濟特征，以便成功商業化，且因此證明高研發成本是有道理的。
[0003] 到現在為止，慣用的是通過邀請航空公司的代表以及因此潛在客戶的代表來進行 這些，這些客戶稱為客戶焦點組或航空公司咨詢委員會活動。在這些活動中，要求航空公司 的代表明確關于新飛機型號的配置參數的要求。所詢問的配置參數包括(例如)所需的有效 載荷(例如這主要涉及相對于載客加上待攜帶的貨運的最大數量的機身尺寸）、航程要求、 起飛和著陸要求、所需的巡航高度，以及如果合適，包括另外的配置參數例如:所需的巡航 速度、用于翼展、機身長度和/或起落架的每個輪的表面壓力的最大值。
[0004] 隨后遵照且統計地估算關于由航空公司的代表提出的配置參數的估價。然后飛機 制造商將基于統計估算以及根據進一步的專家詢問限定所確定的配置參數作為用于新飛 機型號的配置點。
[0005] 基于以此方式所確定的配置點，然后應用綜合方法，其允許滿足配置點的飛機設 計關于成本以迭代的方式進行優化。根據現有技術的相應的綜合方法，特別是在由代夫特 大學出版社（Delft University Press)1982年出版，1999年第9次再版的Egbert Torenbeek的"Synthesis of Subsonic Airplane design: An introduction to the preliminary design of subsonic general aviation and transport aircraft, with emphasis on layout, aerodynamic design, propulsion and performance(亞音速飛機 設計綜述:強調布局、空氣動力學設計、推進和性能的亞音速通用航空和運輸飛機的初步設 計介紹）"和由 John Wiley & Sons于2013年出版的Egbert Torenbeek的 "Advanced Aircraft Design: Conceptual Design, Technology and Optimization of Subsonic Civil Airplanes(高級飛機設計:亞音速民用飛機的概念設計、技術和優化)"中所描述的。
[0006] 在綜合方法中，首先，與配置點參數一起獲得的推進系統、機翼和尾翼的尺寸、質 量估算和飛行性能的初步估算以此方式迭代地優化，使得根據配置點最大起飛重量收斂且 滿足航程要求以及起飛和著陸要求。隨后，做出相應優化設計的成本估算，其中尤其估算以 后的運營成本。然后，檢查設計是否是在成本方面最優的。如果不是這種情況，則上述的迭 代以其它輸出變量(例如推進系統的尺寸)頻繁地反復進行，直到實現成本最優。
[0007] 所描述的方法產生了依據預定配置點進行優化的飛機設計。然而，從現有技術已 知的方法中，不保證優化飛機設計所優化至的配置點也以優化方式被選擇。例如現有技術 中，最終配置點基于客戶咨詢和主觀的專家意見所限定，這無疑會引起選擇"不正確的配置 點"的風險。因此，飛機會具有"超出市場要求"的尺寸且然后只能找到幾個客戶（如果存在 的話）。由于對于飛機制造商而言的高研發成本，后果可能是"致命"的。

【發明內容】

[0008] 本發明基于提供一種用于設計飛機的方法和系統的目的，它不再具有現有技術中 的缺點，或僅具有降低程度的這些缺點。
[0009] 此目的是借助于根據主權利要求的方法和借助于根據獨立權利要求1的系統所實 現的。從屬權利要求的主題是有利的改進。
[0010] 因此，本發明涉及一種用于設計飛機的方法，包括以下步驟： a. 限定對于至少一個飛機設計的初始要求目錄； b. 根據預期的運營成本基于要求目錄實施至少一個飛機設計的優化； c. 仿真具有所述至少一個飛機設計的預定的總飛行網絡且確定總飛行網絡效率； d. 檢查所確定的總飛行網絡效率是否構成最優;如果不是： e. 調整要求目錄以及從步驟(b)開始執行迭代。
[0011] 本發明還涉及一種系統，包括： -用于存儲對于至少一個飛機設計的要求目錄的要求目錄存儲器； -綜合模塊，其用于基于來自要求目錄存儲器的要求目錄依據成本確定優化的飛機設 計； -仿真模塊，其用于實施采用由綜合模塊(3)所確定的飛行設計的總飛行網絡的仿真 以及用于確定總飛行網絡效率；以及 -優化模塊，其用于檢查由仿真模塊所確定的總飛行網絡效率是否是最優的，并且如 果不存在總飛行網絡效率的最優值，則其用于改變在要求目錄存儲器中的要求目錄。
[0012] 根據本發明的用于設計飛機的方法如此限定，使得不僅飛機設計優化至特定的、 預定的要求目錄，而且另外目錄要求以此方式優化，使得最終的飛機設計盡可能地匹配預 定的總飛行網絡。與現有技術不同，其不僅是基于預定的配置點在成本方面最優的單個飛 行設計，而且也確保了用于飛機設計的配置點是相對于預定的總飛行網絡所優化的。
[0013] 在本發明及其優點的進一步描述之前，首先將更詳細地說明用于本發明的多個術 語。
[0014] "要求目錄"包含與至少一個飛機設計有關的單個技術要求的匯編。這些要求可包 括，例如，有效載荷、航程以及起飛和著陸要求，例如，對于在熱區域中處于高海拔的機場 (熱和高的機場），或特別短的跑道。最小巡航高度、最小巡航速度和/或對于翼展、機身長度 和/或起落架的每個輪的表面壓力的最大值也可被預先限定。可替代地或附加到最小有效 載荷，也可提供與乘客座椅的數量有關的要求。
[0015] 要求目錄能夠包括用于單個飛機設計的技術要求。然而，要求目錄也有可能包括 用于多個不同的飛機設計的相應要求。因此，例如，要求目錄有可能一方面包括用于短程飛 機的要求以及另一方面包括用于遠程飛機的要求。用于多個不同的飛機設計的要求之間的 某些環節也能夠在要求目錄中進行預先限定。因此，例如，有可能限定兩個飛機設計具有相 同的翼以減少對于兩個飛機設計的總研發成本。
[0016] "總飛行網絡"是由這些航空公司服務的或將服務的一個或更多個航空公司的所 有飛行航線的集合。因此，總飛行網絡不僅限于根據專家意見可能由新飛機設計來服務的 那些飛行航線。形成根據本發明的方法或系統的基礎的總飛行網絡也可能僅構成實際存在 的飛行網絡的一部分網絡。例如，為了簡化總飛行網絡的仿真，已經專門研發的現有的飛機 類型(例如極端遠程)的單個航線能夠從仿真的總飛行網絡中被排除。然而，在此情況下，總 飛行網絡也仍然不僅限于根據專家意見可能由新的飛機設計服務的那些航線。
[0017] 對于總飛行網絡的仿真，對于每個單獨的飛行航線，不僅關于相應的飛行航線的 長度的信息，而且優選地關于在相應的飛行航線的各個機場處的起飛及著陸的信息也是可 用的。此外，例如，對于翼展、機身長度和/或起落架的輪的表面壓力的最大值在總飛行網絡 中能夠對于單個機場被預先限定。另外，關于在飛行航線上的有效載荷容量的信息和/或關 于在機場處允許起降的特定航空公司的時間窗的數量(航班起降時段）的信息也能夠是可 用的。可替代地或除了有效載荷容量之外，飛行航線的載客容量也能夠是可用的。
[0018] 用作根據本發明的方法的仿真的基礎的總飛行網絡能夠是一個或更多個航空公 司的實際總飛行網絡。然而，理論上的總飛行網絡用作仿真的基礎也是可能的。因此，例如， 能夠基于實際的總飛行網絡規劃未來總飛行網絡，其構成(例如)在不久的將來或在十年或 二十年中所預期或計劃的總飛行網絡。
[0019] 在根據本發明的方法中，首先，限定用于至少一個新飛機設計的初始要求目錄。此 初始要求目錄能夠包含用于僅一個飛機設計的技術要求。然而，初始要求目錄也能夠包含 用于例如一個或更多個短程飛機和一個或更多個遠程飛機的多個飛機設計的技術要求。
[0020] 隨后，相應的飛機設計的優化對于每個飛機設計的要求目錄所包含的技術要求分 別實施。優化此處主要依據飛機設計的運營成本所實施，其中，運營成本能夠根據技術變量 或飛機設計配置來進行計算。因此，例如，有可能從(例如)特別是推力/質量比和/或飛機設 計的空氣動力品質的技術參數計算相關的燃料消耗和相關成本;維護成本能夠根據與飛機 質量或發動機數量來確定;機場稅取決于飛機的質量等。用于飛機設計的預期成本的相應 計算從現有技術是已知的。
[0021] 為了優化運營成本或根本的技術變量，能夠依靠從現有技術已經公知的綜合方 法。在此方法中，首先迭代各個設計變量直到最大起飛重量收斂，例如推進系統、機翼和尾 翼的尺寸以及至少一定程度基于其的所產生的變量(例如機翼的升力分布、質量、重心、阻 力和飛行性能），同時遵循例如航程要求、起飛及著陸要求等的其它約束。隨后，實施運營成 本的估算且重復如上所述的迭代方法，直到獲得最優的運營成本。能夠如上所述地基于飛 機設計的技術變量確定預期的運營成本。
[0022] 以此方式優化的飛機設計或多個飛機設計，隨后對總飛行網絡進行仿真，并且確 定總飛行網絡效率。在此背景下，確定對于總飛行網絡的每個飛行航線的飛行航線效率，并 且對單獨的飛行航線效率求和以形成總飛行網絡效率。飛行航線效率是從在特定飛行航線 上的特定飛機設計所預期的收入，減去在這條航線上使用飛機設計的成本所計算的。用于 特定航線的飛行航線效率值此處僅對滿足服務飛行航線的技術要求的飛機設計能夠被確 定，例如，即具有足夠的航程。
[0023] 在總飛行網絡的仿真期間，能夠使兩個或多個飛機設計適合于使用在一個特定的 飛行航線上。在此情況下，優選地計算適于用在相應的飛行航線上的每個單個飛機設計的 潛在效率。隨后，在此仿真步驟期間選擇對于此飛行航線其效率值有助于最大的總飛行網 絡效率值的飛機設計。
[0024] 在仿真期間，單個飛行航線無法由任何仿真的飛機設計所服務也是有可能的。在 此情況下，不能被服務的航線會與高成本有關，這最終導致這樣的情形:仿真期間單個飛行 航線不能被服務的總飛行網路效率無法構成最優。可替代地，如果飛行航線不能由任何仿 真的飛機設計提供服務，則也能夠中止總飛行網絡的仿真。
[0025] 提供用于單個飛行航線的與飛機設計的選擇有關的約束能夠被預先限定用于總 飛行網絡的仿真和總飛行網絡效率的確定。因此，例如，有可能預先限定:在總飛行網絡或 在總飛行網絡的特定部分中只是待使用的不同的飛機設計的最大數量;和/或使用在總飛 行網絡中的任何飛機設計待使用或必須能夠使用在總飛行網絡中最小數量的單個飛行航 線上。不同飛機設計的最大數量此處優選地大于或等于二。通過相應的約束，在此方法步驟 中已經能夠排除過于異樣且因此不能經濟地運營的總飛行網絡上的不同飛機設計的機群。 [0026]飛行航線效率計算所必需的預期收入能夠從(例如）飛行航線上的有效載荷容量 或客運容量、可用航班起降時段以及也能夠轉換成在飛機中的座位數的飛機的有效載荷來 進行計算。在此背景下，例如也能夠將飛行航線上的客運容量或有效載荷容量中的平均載 荷和季節性波動的經驗值考慮在內。
[0027] 如果仿真飛行航線是客運航線，且如果飛行航線上的客運容量分成標準票價乘客 和特殊票價乘客，則其是優選的。標準票價乘客是那些為了指定的外部原因（例如不可改變 的最后期限）（必須)搭乘在飛行航線上的乘客，且因此準備購買機票，甚至以正常的價格。 具體地，標準票價乘客組包括商務旅客。特殊票價乘客是不一定依賴于一個飛行航線但也 準備選擇不同的旅程(例如繞道）以到達目的地的乘客。對于此類型乘客，如果他們能夠買 到便宜的機票，其往往會使用專用的飛行航線。照例，此類對于價格敏感的乘客通常出于個 人原因進行旅行，例如為了度假。
[0028] 如果客運容量分成標準票價乘客和特殊票價乘客，則可能進行預期收入的詳細計 算。具體地，在仿真期間，因此，有可能在標準票價乘客相對于特殊票價乘客的客運容量的 比例變化的情況下對其效果進行建模，飛行航線上的票的平均票價變化，且由此飛行航線 效率也變化。例如，如果標準票價乘客的客運容量增加并且特殊票價乘客的客運容量保持 不變，則飛行航線上的特殊票價乘客的比例且由此票的平均票價下降，且飛行航線效率由 此下降。
[0029] 當然，一種可比較的情況也適用于也能夠分成"標準運費"有效載荷和"特殊運費" 有效載荷的不同有效載荷。因此，標準運費有效載荷能夠由此涉及在特定時間點必須迅速 運輸的有效載荷，例如緊急備件，而特殊運費有效載荷也能夠容易地通過其它運輸方式進 行運輸而不浪費時間（如果其它運輸方式是更成本有效的）。
[0030] 計算飛行航線效率所需的成本是對于飛行航線上的特定飛機所預期的運營成本。 這些預期的運營成本能夠借助于飛機設計的技術變量以已知的方式確定或者估算。運營成 本能夠包括燃料成本、維護成本、人力成本、機場費用等。對于飛行航線的成本來按比例地 包括新飛機的研發成本也是可能的。本文中研發成本能夠按比例轉移至(例如)那些待在其 上根據總飛行網絡的仿真使用新研發飛機的飛行航線。
[0031] 如果對總飛行網絡的每個飛行航線計算飛行航線效率且使其相加以形成總飛行 網絡效率，則隨后檢查借助于仿真所確定的總飛行網絡效率是否是最優。如果是最優，則所 優化的飛機設計或多個所優化的飛機設計是可行的。如果尚未達到最優，則改變要求目錄 并且通過迭代運行所述方法直到達到最優。
[0032] 由于根據本發明的方法是迭代方法，在第一遍檢查最優是否存在通常是不太可能 的。在此情況下，對于最優的檢查具有否定的結果，且根據本發明的各個方法步驟采用改變 的要求目錄進行相應地迭代，直到實際上能夠實施對于最優的檢查以及最優的存在變得清 楚明顯的。在此背景下，在第一次迭代步驟期間確定的總飛行網絡效率證明是最優的基本 上是可能的，但在其確定的時間點處不可能如此將其識別出。
[0033] 也能夠預先限定迭代步驟的最小數量，其中，分別采用改變的要求目錄實施迭代 步驟。如果對應于迭代的最小數量的總飛行網絡效率的數量基于不同的要求目錄是可行 的，則檢查關于根據本發明的方法計算的進一步的總飛行網絡效率是否構成最優基本上是 可能的。然而，此處也實施迭代直到已經找到實際的最優。
[0034] 根據設定的目標，根據本發明的方法能夠確定在總飛行網絡效率中的局部或絕對 的最優。局部最優能夠是期望的，例如，如果已經存在的特定飛機型號將被替換且根據本發 明進行優化的飛機設計的有限數量將結束所產生的差距。絕對優化能夠是期望的，特別是 當根據本發明進行優化的多個不同的飛機設計需要覆蓋盡可能寬的要求范圍。
[0035] 除了至少一個優化的飛機設計外，總飛行網絡的仿真結果也能夠視為本方法的另 外的結果。從仿真的結果，有可能推斷出哪些飛機設計應該用在總飛行網絡的哪個飛行航 線上，以便于實現最優的總飛行網絡效率。
[0036] 與現有技術不同，在根據本發明的方法中，因此，飛機設計不僅關于預定配置點被 優化，而且替代地該配置點也能夠以可變的要求目錄的形式被優化。結果，獲得一個或多個 飛機設計，其以此方式使適合于預先限定的總飛行網絡使得能夠實現最優的總飛行網絡效 率。
[0037] 在要求目錄的修改期間，對于要求目錄包含要求的飛機設計的數量改變是可能 的。因此，有可能在根據本發明的方法中確定，例如如果不是單個新飛機設計，而是提供兩 個新飛機設計，而由此會增加研發成本并不增加，則能夠提高總飛行網絡效率，其中兩個飛 機設計中的一個對于總飛行網絡的第一部分航線得到優化，而另一個飛機設計對于總飛行 網絡的第二部分航線得到優化。
[0038] 在根據本發明的方法中，也能夠預先限定與可能的飛機設計的最大數量有關的邊 界條件。因此，有可能（例如）限制新飛機設計的數量或對于所有的新飛機設計的總研發成 本的水平。這允許考慮到飛機制造商的研發能力。
[0039] 特別地，在新的飛機設計的數量是有限的情況下，而且在所有其它情況下，如果在 總飛行網絡的仿真期間，不僅考慮到基于要求目錄的飛機設計而且考慮到已經可用的飛機 型號，則其是優選的。在此背景下，能夠考慮到已經可用的所有的飛機型號或僅考慮到其一 部分。然后，總飛行網絡的仿真因此不再限于采用根據要求目錄的綜合方法所確定的新飛 機設計，而是還考慮到已經可商購的飛機型號。因此，通常能夠服務飛行網絡的所有飛行航 線并且以最優方式使一個或多個新的飛機設計適于飛行網絡中的一些航線，使得通過考慮 到已經可用的飛機型號來實現總飛行網絡效率的最優。
[0040] 如果根據本發明的方法將主要用于由新的飛機設計來替換已經可用的特定飛機 型號，則在本方法期間能夠采用其它可用飛機型號的飛機設計來實施仿真。然后，優選地從 仿真中排除特定的可用飛機型號，并且以此方式優化飛機設計，使得它以可能的最佳方式 代替特定的可用飛機型號。此文中能夠使對于新飛機設計的初始要求目錄適應于特定飛機 型號的技術特征，但是在如上所述的根據本發明的方法的過程中進行優化。
[0041] 參照示例將更清楚在仿真中考慮到已知的飛機型號的根據本發明的方法。如果， 例如，遠程飛機是可用的且如果在仿真中考慮到所述飛機，則在包括遠程和短程航線的總 飛行網絡的情況下并且在規定僅優化單個飛機設計的情況下，根據本發明的方法將傾向于 產生適于短程航線的飛機設計。在此背景下，根據本發明的方法將自動確定哪些航線將采 用哪些飛機進行服務，以便于實現最優的總飛行網絡效率。因此可以設想，例如，如果大多 數短程航線由新飛機設計覆蓋，但具有特定的起飛及著陸要求的少量的短程連接仍然由已 經可用的遠程飛機進行服務，則總飛行網絡效率是最大值。根據本發明的方法明確地考慮 到下列事實：如果新飛機設計也適合于指定的少量的短程航線，則飛機設計的運營成本將 基本上以此方式增加，使得其它短程航線上的效率將會下降。總而言之，總飛行網絡效率能 夠因此不再處于最大值。與根據現有技術的研發方法不同，根據本發明的方法在所指定的 示例中能夠由此產生用于短程飛機的飛機設計，雖然不能滿足總飛行網絡的所有的短程航 線，氮氣總體上是有利的，即使在特定的短程航線由已經存在的遠程飛機進行服務的情況 下。
[0042] 總之，需要注意到，根據本發明的方法的特征在于以下事實:基于帶有對于一個或 更多個飛機的技術要求的要求目錄，在考慮到能夠從一個或更多個飛機設計以及總飛行網 絡的技術配置推導出的變量的情況下，以迭代的方式確定一個或更多個優化的飛機設計。 以此方式獲得的飛機設計的特征在于以相對于總飛行網絡進行優化的配置，其結果是，一 方面，能夠提高總飛行網絡效率，并且在另一方面，例如，還能夠降低用在總飛行網絡上的 飛機的總燃料消耗，因為提供用于單個飛行航線的飛機盡可能地適于這些飛行航線。
[0043]根據本發明的系統設計來實施根據本發明的方法。對于系統的說明因此可參考上 面的陳述。
[0044] 優選地提供第一數據庫，其連接到仿真模塊且包括在總飛行網絡的所有飛行航線 上的信息。然后通過仿真模塊將要實施的仿真能夠基于來自第一數據庫中的數據發生。
[0045] 進一步優選地提供第二數據庫，其連接到仿真模塊且包括關于可用飛機型號的信 息。然后，仿真模塊優選地設計成考慮這些信息，同時實施總飛行網絡的仿真。
[0046] 所述系統還能夠優選地設計來實施根據本發明的方法和方法的有利改進。對于這 些改進的說明，可參考上面的陳述。
【附圖說明】
[0047] 借助于示例性實施例并且參考所附附圖，現在將更加詳細地描述本發明，其中： 圖1示出了根據本發明的系統，其設計來實施根據本發明的方法;以及 圖2示出了根據本發明的方法的整體流程圖，其中所述方法以在根據圖1的系統上運行 的方式。
【具體實施方式】
[0048] 圖1示出了根據本發明的系統1，其設計來實施根據本發明的方法。系統1包括要求 目錄存儲器2、綜合模塊3、仿真模塊4和優化模塊5。所列舉的部件彼此串聯連接。此外，優化 模塊5也連接到要求目錄存儲器2。
[0049]此外，提供第一數據庫6和第二數據庫7且其分別連接到仿真模塊4。在第一數據庫 6中，對總飛行網絡建模，即總飛行網絡的所有飛行航線上的信息存儲在數據庫6中。關于所 有飛機的信息，或關于一些市售的飛機的信息存儲在第二數據庫7中。
[0050]包括對于新飛機設計的技術要求的要求目錄存儲在要求目錄存儲器2中。這些技 術要求能夠包括對于一個或更多個飛機設計的最小有效載荷、最小航程以及起飛和著陸要 求。此外，還能夠包括與巡航高度和/或巡航速度以及對于翼展、機身長度和/或起落架的每 個輪的表面壓力的最大值有關的要求。在開始時，手動地預先限定要求目錄，但是，正如下 面所解釋的，它通過根據本發明的方法10迭代地進行改變(參見圖2)。
[0051 ]來自要求目錄存儲器2的要求目錄發送到綜合模塊3，基于這些技術要求，綜合模 塊3根據技術要求實施用于優化一個或更多個飛機設計的綜合方法。此綜合方法的結果是 一個或更多個飛機設計，其是基于要求目錄且盡可能地具有最優和具有盡可能最佳（即， 低）的運營成本。將所迭代確定的這些一個或更多個飛機設計傳輸到仿真模塊4。
[0052]仿真模塊4設計成實施在第一數據庫6中建模的總飛行網絡的仿真。為此目的，仿 真模塊4計算對于總飛行網絡的每個飛行航線的飛行航線效率，其中，計算在飛行航線上對 于通過綜合模塊3所傳輸的所有可用的飛機設計和對于存儲在第二數據庫7中的在技術規 范方面基本上適合于服務該飛行航線的所有可用的飛機型號的潛在效率。然后，在此仿真 步驟中有助于最高總飛行網絡效率值的各個潛在效率被選擇為最終的飛行航線效率。 [0053]隨后，總飛行網絡效率由通過仿真模塊4的單獨的飛行航線效率之和所形成且將 其傳輸到優化模塊5。
[0054]優化模塊5檢查總飛行網絡效率是否是最優的。如果是最優的，則將由綜合模塊3 所確定的一個或多個飛機設計輸出為優化的飛機設計。如果不存在可行的最優的總飛行網 絡效率，則在要求目錄存儲器2中的要求目錄由優化模塊5進行改變，并且該方法重復迭代， 直至存在最優的總飛行網絡效率。
[0055] 現在將參照來自圖2的流程圖更加詳細地解釋由根據圖1的系統1所實施的方法。 例如如何能夠構造根據圖1的系統1的各個部件的細節也能夠從下面的說明中獲得。
[0056] 在根據本發明的方法10的開始處，限定初始要求目錄。此限定能夠通過手動輸入 來完成(步驟11)。此要求目錄包含對于一個或更多個飛機設計的技術要求。技術要求包括 最小有效載荷、最小航程以及起飛和著陸要求。此外，還能夠包括與巡航高度和/或巡航速 度有關的要求。能夠使要求目錄適合于單獨的飛機設計，即，僅包含一組技術要求。然而，要 求目錄也能夠包含對于多個飛機設計的要求，其中，然后其包括對應于多個飛機設計的多 組技術要求。
[0057]以此方式存儲初始要求目錄使得如稍后所解釋的，在根據本發明的方法期間能夠 改變(步驟12)該初始要求目錄。
[0058]基于要求目錄，首先實施從現有技術已知的綜合方法13。在綜合方法13中，對于放 置在要求目錄中的每個飛機設計確定在預期成本方面(特別是預期的運營成本方面)優化 的飛機設計。
[0059]在綜合方法13中，對于飛機設計，首先，實施初始的機身尺寸和推進系統、機翼和 尾翼的初始尺寸的確定。基于這些變量，然后能夠實施質量的估算且能夠確定機翼的升力 分布和重心，能夠確定所估算的飛行設計的阻力和尤其是確定具有假定尺寸的飛機設計的 飛行性能(步驟14)。
[0060] 然后，檢查飛機設計的最大起飛重量是否收斂，以及來自對于此飛機設計的要求 目錄的技術要求是否滿足，特別是航程要求，起飛及著陸要求以及如果合適，對于巡航高 度、巡航速度和/或起落架的每個輪的表面壓力的要求(步驟15)。如果不是這種情況，則改 變機身尺寸和推進系統、機翼和尾翼的尺寸且再次實施步驟1 4。迭代過程發生被實施直 到飛機設計的最大起飛重量收斂并且滿足來自對于此飛機設計的要求目錄的技術要求。
[0061] 如果在步驟15中的相應的檢查是肯定的，則在隨后的步驟中計算對于此飛機設計 的預期成本(步驟16)。此處能夠根據飛機設計的技術變量或配置確定運營成本。因此，例如 能夠從飛機設計的推力/質量比計算出燃料消耗和相關的成本，以及能夠根據飛機質量和 發動機的數量確定維護成本;機場稅取決于飛機的質量等。
[0062] 然后，在步驟17中檢查在步驟16中計算出的成本是否實現最優。如果不是這種情 況，則再次改變機身尺寸和推進系統、機翼和尾翼的尺寸，且該過程繼續進行步驟14。重復 此過程直到到達成本最優。如果是這種情況，則將借助于此迭代方法所確定的飛機設計發 送至下面的步驟18。
[0063] 對于技術要求存在于要求目錄中的每個飛機設計，單獨實施綜合方法13,使得在 用于一個以上的飛機設計的技術要求的情況下，相應地，較大數量的飛機設計也被發送到 步驟18。
[0064] 在步驟18中，對總飛行網絡進行仿真。為此目的，在每種情況下，對于總飛行網絡 的每個航線，確定飛行航線效率。為此目的，對于采用特定飛機設計或例如存儲在(例如)第 一數據庫6中的已經可用的飛行型號（參照圖1)的飛行航線的所期望的收入和運營成本能 夠彼此抵消。除了實際的運營成本，新飛機的研發成本也能夠成比例地包括在飛行航線效 率的計算中。如果一個以上的飛機設計或可用的飛機是合適的，從技術的角度來看，對于服 務總飛行網絡的特定的飛行航線，對于每個飛機設計或每個可用的飛機計算飛行航線上的 潛在效率。在此仿真步驟中對于特定航線有助于最高總飛行網絡效率值的潛在效率被選擇 為對于所述飛行航線的最終的飛行航線效率。在對于總飛行網絡中的單獨的飛行航線的飛 機設計或可用飛機的選擇期間，能夠考慮到(例如)對總的網絡中的不同的飛機類型的最大 數量或特定飛機類型的飛機的最小數量的限制。隨后，對單獨的飛行航線效率求和以形成 總飛行網絡效率。
[0065] 在步驟19中，檢查是否存在總飛行網絡效率方面的最優。如果不是這種情況，則改 變要求目錄，且方法10在步驟12處再次開始。要求目錄此處進行迭代直到存在總飛行網絡 效率的最優。在此背景下，也能夠改變要求目錄至這樣的程度使得最終的飛機設計數量改 變。
[0066]如果總飛行網絡效率達到最優，則方法10以步驟20結束，其中，存在一個或更多個 優化的飛機設計。除了至少一個飛機設計，來自步驟18中的仿真結果由此也存在，從該仿真 結果清楚的是，在所檢查的總飛行網絡中的哪些飛行航線應由至少一個飛行設計或其它可 用飛機來進行服務，以便達到最優的總飛行網絡效率。
[0067]現在將參照本發明的數值實施例更加詳細地說明本發明。在此示例中，待設計包 括適合于遠程航線的兩架飛機的飛機系列。
[0068] 在要求目錄中，此處預先限定初始的兩組技術要求，其分別對飛機設計要求進行 建模。對于第一飛機設計，初始要求是在6750匪(海里）的最小航程的情況下考慮有效載荷 60噸，而第二飛機設計在7750匪的最小航程的情況下初始具有50噸有效載荷。對于兩種飛 機設計的初始起飛及著陸要求適合于總飛行網絡的最不利的機場，即根據初始要求兩種飛 機設計應該能夠啟動并降落在假定具有30°C機場參考溫度和海平面以上2500米高度(平均 海平面)的3000米的跑道長度的機場。根據要求目錄的兩種飛行設計的初始要求整理在以 下表格中： 有效載荷 航程_起飛/著陸條件_ A 60噸 6750海里 在30T：、海平面以上2500米，3000米 B 50噸 7750海里 在30 6C、海平面:以上2500米，3000米
[0069] 為了限制用于飛機系列的研發成本，同樣限定了待確定的兩個飛機設計需要配備 相同機翼和相同的發動機。此外，限定了根據本發明的方法的結果保持限于兩個飛行設計 的最大值。
[0070] 在第一步驟中，在對于兩個飛機設計的綜合方法中，在每種情況下，依據所述設計 的運營成本確定最優配置。為此目的，改變各種設計變量，例如機身長度和推進系統、機翼 和尾翼的尺寸，直到在每種情況下最大起飛重量收斂，而且滿足其它的約束，例如各個飛機 設計的航程要求以及起飛和著陸要求。飛機設計的最大起飛重量和航程特征或起飛及著陸 特征能夠從設計變量和所產生的中間結果變量來確定，例如機翼升力分布、質量、重心、阻 力和飛行性能。在此背景下，需要注意的是，根據本示例中的說明，推進系統、機翼和尾翼的 尺寸在兩個飛行設計中是相同的。
[0071] 隨后，對于每個設計做出運營成本估算且重復指定的迭代方法，直到存在運營成 本最優。如上所述，能夠基于飛機設計的技術變量分別確定預期的運營成本。
[0072] 作為綜合方法的結果，獲得具有相同的機翼、尾翼和發動機但具有不同的機身長 度的兩個飛行設計。
[0073] 隨后，實施總飛行網絡的仿真。在此示例中，總飛行網絡包括總共五個飛行航線： 里程 有效載荷容量/滅 航班起降肘段/天 1 5500誨里 55:噸 2 2 4500 海里 130 噸、 3: 3 7000海里 40噸 2 4* 5000 海里 40.噸. 1 5 1200 海里 12.Q 噸 6
[0074]標記的航線包括總飛行網絡的最不利機場，其具有30°C的機場參考溫度和海 平面以上2500米高度的3000米的跑道長度。其它航線分別能夠稱作標準條件下2500米的跑 道長度的起飛和著陸條件。
[0075]除了兩架飛機設計A和B，在仿真中也可考慮已知的、市售的飛機型號C。飛機型號C 是具有以下特征的短程飛機： 載荷 航程_起飛/著陸條件 C 20噸 1500海里 標準條件下1600米
[0076] 在總飛行網絡的仿真中，然后對于每個單獨的飛行航線計算飛行航線效率，其中， 首先，計算航線上對于每個飛機設計或者基本上能夠用在飛行航線上的每個可用的飛機型 號在每種情況下的潛在效率。例如，在飛行航線1、2和4上，基本上使用飛機設計A和B，而飛 行航線3上只能夠使用飛機設計B，因為飛機設計A不具備必需的最大航程。飛機設計A和B以 及已經可用的飛機型號C能夠用在飛行航線5上。
[0077] 在仿真期間，確定哪個飛機設計或飛機型號使得能夠實現飛行航線上的最大效 率。為此目的，確定對于每個航線預期的利潤和所引起的運營成本并且彼此抵消。然后從 單個飛行航線效率的總和中獲得總飛行網絡效率X。
[0078] 再按基于飛機設計A和B以及可用飛機型號C的總飛行網絡的仿真期間，能夠得到 以下分解，例如： 航線 飛機設計/型號 航班數/天 1 A 1 2 A ， 3 B 1 4 B 1 5 C 6
[0079] 因為在此時間點，不可能確定總飛行網絡效率X是否是最優的，再次實施如上所述 的方法步驟，但改變對于飛機設計的要求目錄。根據要求目錄的對于兩架飛機設計的改變 的要求是： 載荷 范圍_起W若陸條件_ A? 65噸 5500海里 標準條件卜2500米 B1 40:.噸 7000海里 在30°C\海平面以上2500米，3.00.0米
[0080]基于對于飛機設計A '和B '的要求目錄的改變，首先借助于綜合方法確定運營成本 優化的飛機設計，然后將該設計與已經已知的飛機型號C 一起發送到總飛行網絡的仿真。
[0081] 在基于飛機設計A'和B'以及可用飛機型號C的總飛行網絡的仿真期間，能夠得到 以下分解，例如： 航線 飛機設汁/型4 航班/犬 1 k 1 2 A 2 3 B 1 4 B 1 5 C 6
[0082] 在此仿真期間產生的總飛行網絡效率X'高于來自前一次仿真的總飛行網絡效率 X。這是由于這樣的事實，飛機設計A'現在很適合于航線1和2,且例如，不再必須滿足任何特 定的起飛和著陸條件，同時飛機設計B'適合于航線3和4。已經可用的（短程)飛行型號C繼續 適合服務于短程航線5。
[0083] 能夠以使得達到總飛行網絡效率的最優的此類頻率重復指定的步驟。在示出的示 例性實施例中，假定飛機設計A'和B'依據待檢查的總飛行網絡是最優的飛機設計。除了有 關最優飛機設計A '和B '的信息，根據本發明的方法另外還提供關于飛機設計或待在飛行航 線上使用的已經可用的飛機型號的信息，以便于實現最優的總飛行網絡效率。
[0084] 當然，僅在一個示例中示出改進根據本發明的方法也是可能的。因此，有可能例 如，基于關于客運容量的季節性分布而不是每天的有效載荷容量的仿真，其中，客運容量優 選地分成標準票價乘客和特殊票價乘客以便能夠更好地估算飛行航線上的預期效率。當 然，也有可能在仿真中考慮到多個飛行航線和/或飛行設計或飛機型號。也能夠對單個飛行 航線之間的復雜關系進行建模，例如具有中轉站的飛行航線。借助于仿真，能夠確定飛機設 計或飛機型號的多少機器必須服務于所檢查的總飛行網絡。
[0085] 所檢查的總飛行網絡能夠是一家或更多家航空公司的實際的當前飛行網絡。然 而，也有可能是使用實際的總飛行網絡來規劃未來總飛行網絡，其構成例如在十年或二十 年中的預期的總飛行網絡。這樣提供的優點在于，借助于根據本發明的方法所確定的至少 一個飛機設計適于朝其研發時間結束時的要求。
【主權項】
1. 一種用于設計飛機的方法（10)，包括以下步驟： a. 限定對于至少一個飛機設計的初始的要求目錄(步驟11); b. 基于要求目錄實施所述至少一個飛機設計在預期的運營成本方面的優化(步驟13); c. 仿真具有所述至少一個飛機設計的預定的總飛行網絡且確定總飛行網絡效率(步驟 18)； d. 檢查所確定的總飛行網絡效率是否構成最優(步驟19);如果不是： e. 調整所述要求目錄(步驟19和步驟12)并且從步驟(b)開始執行迭代。2. 如權利要求1所述的方法， 其中， 所述要求目錄包括與對于至少一個飛機設計有關的要求:最小有效載荷、最小航程、起 飛及著陸要求、最小巡航高度、最小巡航速度和/或翼展最大值、機身長度最大值和/或起落 架的每個輪的表面壓力的最大值。3. 如權利要求1或2所述的方法， 其中， 對于在步驟(c)中（步驟18)的仿真，關于飛行航線的長度和/或對于單個飛行航線上任 一機場的起飛和著陸條件，關于翼展最大值、機身長度最大值和/或起落架的每個輪的表面 壓力的最大值的信息對于所述總飛行網絡的每個飛行航線是可用的。4. 如權利要求3所述的方法， 其中， 對于在步驟(c)中（步驟18)的仿真，關于飛行航線上有效載荷容量和/或機場的航班起 降時段的信息對于所述總飛行網絡的每個飛行航線是可用的。5. 如權利要求4所述的方法， 其中， 有效載荷容量分成標準運費有效載荷容量和特殊運費有效載荷容量。6. 如前述權利要求中一項所述的方法， 其中， 在步驟(c)中的仿真中考慮到了已經可用的飛機型號(步驟18)。7. 如前述權利要求中一項所述的方法， 其中， 在步驟(e)中（步驟19和12)的要求目錄的調整產生了所述要求目錄中飛機設計的數量 的變化。8. 如前述權利要求中一項所述的方法， 其中， 預先限定關于飛機設計的最大數量和/或對于所有的飛機設計的最大研發成本的約 束。9. 如前述權利要求中一項所述的方法， 其中， 在步驟(b )(步驟13 )中的優化借助于綜合方法(步驟14到17 )實施。10. -種用于設計飛機的系統（1)，包括： -要求目錄存儲器(2)，其用于存儲對于至少一個飛機設計的要求目錄； -綜合模塊(3)，其用于基于來自所述要求目錄存儲器(2)的要求目錄確定在成本方面 優化的飛機設計； -仿真模塊(4)，其用于實施具有由所述綜合模塊(3)所確定的飛機設計的總飛行網絡 的仿真，以及用于確定總飛行網絡效率；以及 -優化模塊（5)，其用于檢查由所述仿真模塊(4)所確定的總飛行網絡效率是否是最 優，并且如果不存在最優的總飛行網絡效率，則其用于改變所述要求目錄存儲器(2)中的所 述要求目錄。11. 如權利要求1O所述的系統， 其中， 提供了第一數據庫(6)，其連接到所述仿真模塊(4)且包括關于所述總飛行網絡的所有 飛行航線的信息。12. 如權利要求1O或11中所述的系統， 其中， 提供了第二數據庫（7)，其連接到所述仿真模塊(4)且包括關于可用的飛機型號的信 息，且所述仿真模塊(4)設計成將這些信息考慮在內同時實施所述總飛行網絡的仿真。13. 如權利要求10至12中一項所述的系統， 其中， 所述系統設計來實施如權利要求1至9中任一項所述的方法。
【文檔編號】G06Q10/04GK105960652SQ201480064453
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2014年11月26日
【發明人】K.埃希特邁爾, W.克嫩
【申請人】德國漢莎航空公司