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摆脱机场束缚 波音777X翼尖折叠之路

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波音777是划时代的。第一代波音777是作为中远程、大容量、双发宽体客机研制的,但更大推力、更省油的发动机和更大的起飞重量使得第二代波音777在保持双发经济性的同时,成为远程客机,一举打碎了传统的四发客机的天下。空客的A340首先被谋杀了,A380至今还在赔本赚吆喝,有可能玩不下去了,而波音自家的千年不倒的空中女王波音747也被刺翻在地。


现在,波音正在研制第三代777,公司代号为波音777X。为了进一步增加航程和改善经济性,第三代777具有更大的展弦比和翼展。也就是说,机翼更加细长了。飞机靠机翼飞起来,机翼是用阻力换取升力的装置,细长机翼的升阻比更高,滑翔机的机翼特别细长就是这个道理。但太细长的机翼不仅设计和制造上困难,在运作上也有问题。机场的跑道问题还不大,不大可能出现翼展太大的机翼刮到跑道两侧障碍物的事情。但滑行道和停机坪就不一定那么宽敞,停机位更是有宽度限制。机场对飞机是按照着陆重量和占用停机位的宽度收费的,特别占地方的大翼展飞机要多收费,对航空公司的盈利不利,省油的效益被多缴的机场费抵消掉好多。


为了便于机场运作和降低航空公司费用,波音在第三代777上采用可折叠的翼尖。在起飞前,翼尖放下、锁定,折叠段和固定段形成完整的大展弦比机翼,从起飞到升空到巡航到降落接地,机翼一直保持在这个状态。降落后,在跑道上减速滑行时,当速度低于一定阈值后,翼尖向上折叠,便于机场运作。此后一直到登机桥,都可以按照65米以下标准翼展的普通飞机处理。

按照设计,机翼折叠可自动操作,也可手动操作。由于现代客机座舱高度玻璃化,大量传统仪表和开关都电子化了,已经没有传统客机驾驶舱里密密麻麻的开关了,头顶仪表板上新设的折叠翼扳手开关和警告灯特别显眼。扳手指向直观地标示了翼尖位置。飞行员可以手动拨动扳手,控制翼尖的放下或者折叠。在自动状态下,扳手开关也自动地指向当前位置,便于飞行员准确判断。在仪表板的大型显屏上,翼尖折叠状态还与发动机、导航等重要信息一起,有另外的显示符号专门标示。

折叠翼尖不是新技术。海军的舰载飞机早就使用折叠翼技术了,以节约舰上的占地。波音对折叠翼的设计和制造是熟悉的,购并进来的麦道就是舰载飞机的专家。波音在第一代777的时候就提议过折叠翼,并有意把这作为选项。但所有航空公司都“谢绝好意”,不仅顾虑到折叠翼的额外重量和可靠性,更担心适航认证。基本型777的认证不是问题,但不管谁选用折叠翼,就要准备(至少部分)承担这个选项的认证费用。所有航空公司都选择基本的固定翼,波音后来索性取消了这个选项。


1988年研发的“777”,三发,加长机身的767,机翼折叠

但到第三代777时,加长的翼展已经无法回避。这一次波音具有足够信心,现在看来折叠翼是作为标准技术提供的,不再是选项。不需要更大航程或者更大载客量的话,反正还有第二代777和加长的787可供选择。

波音777X的翼展达到71.8米,折叠翼尖后,翼展缩短到64.8米,实际折叠起来的翼尖部分长3.66米。这增加的7米翼展是777X成功的关键,但也是巨大的挑战。这不仅是波音在设计与制造上的挑战,也是美国联邦航空署(简称FAA)型号适航认证的挑战。

对于FAA来说,型号适航认证不仅针对正常使用时的强度、寿命等问题,还要特别关注折叠机构的可靠性和故障问题。如果机翼在起飞或者飞行状态时没有正常打开,或者意外折叠,翼展和翼面积就要低于设计要求,就要损失相应的升力。如果出现一侧打开而另一侧没有打开,还会出现不对称升力和阻力。

作为使用折叠翼最多的用户,美国海军在历史上有过不少飞行中发现的折叠翼故障 ,幸好每次都没有因此而机毁人亡。

1960年8月,一架F-8“十字军战士”从那不勒斯的机场起飞,在起飞前忘记放下翼尖,爬升到5000英尺时,飞行员感到操纵杆压力异常,扭头观看才发现折起的机翼没放下来。马上在空中放油,减轻重量,24分钟后返航,安全降落。降落速度很快,但其他没有什么异常,飞行操控也没有太多的特别。此后F-8还有过至少7次类似的事故,包括夜间飞行,都安全返航降落了。


折叠机翼的F-8

六年后的1966年5月10日,美国海军Tophatter中队(队徽为小丑带的高顶筒帽)的一架F-4B“鬼怪”式从“罗斯福”号(CV-42,“中途岛”级,不是现在的“尼米兹”级同名航母)上弹射起飞,起飞后才发现机翼还折叠着。同样立刻放油,抛掉外挂,放下襟翼,同时发出紧急呼叫。飞行员按照命令转飞临近的59英里外的陆地机场,着陆速度达到170-180节,用尾钩帮助减速,人机完好。几天后复飞。美国空军和英国皇家空军也有F-4到空中才发现机翼还折叠着的情况,都没有成为恶性事故。


机翼折叠的F-4鬼怪

美国海军F-14服役初期,也有过至少4次类似的事故。不过F-14的机翼不可折叠,但可变后掠角的外翼段在停放状态可以后掠到75度,占宽与折叠翼相当,所以这就是F-14对应于折叠翼的状态。在4次有惊无险之后,美国海军决定测试这种情况下的飞行和着陆特性,甚至更加极端,一侧展开、一侧后掠。在1985年12月19日到1986年2月28日期间,共进行了6次试验,全部舰上着陆。在其中一次在一侧最小后掠的同时,另一侧最大后掠角达到60度,确认能安全返航和降落。


F-14一侧最大后掠一侧最小后掠状态

但这样的有惊无险不能成为民航机可以轻视折叠翼故障的危害的理由。战斗机的翼载比民航机低得多,对翼面积不足不如民航机敏感。战斗机的操控比民航机要好得多,万一不可控了,飞行员还能弹射。民航机就没有这样的好事了。民航机的安全要求比战斗机是成数量级的提高。

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