波音 777X 帶來的翻天覆地變化 科技 第1張

圖:波音777X,來源:波音。

自動化生產技術大批量“上線”

波音777X系列飛機(777-9和777-8)加速了自動化生產技術在波音投入使用。從使用機器人執行飛機機身的組裝工作,到完全自動化生產世界上尺寸最大的復合材料機翼,波音公司的飛機生產過程發生了巨大的變化。這些變化也預示着波音在企業戰略方面的成功,未來世界商用飛機將繼續向大型化發展,波音公司的生產效率將遠遠超過公司最新的遠程大型飛機的產能需求。波音公司始終保持投資方向的堅定且正確,始終將公司定位為參與最頂級的全球競爭。

全球民機市場的競爭將不僅僅只是波音和空客間的競爭,一些新公司也會參與競爭,比如中國商飛,但這些新公司若沒有二三十年航空業界的摸爬滾打,就無法積累足夠的實力,進行新一輪的創新。無論競爭出現在哪裡,波音都會採取必要的行動來保持技術的領先。

經過近20年的研究和發展,波音在飛機自動化裝配技術方面已日趨成熟,大量採用自動化裝配技術,可以大幅提高裝配質量,提高裝配效率,縮短裝配週期。

2014年,波音公司投資10億美元把新機型777X的生產基地建設在華盛頓州皮吉特灣地區,佔地9.3萬平方米的復合材料機翼中心將主要用來製造波音

777X的復合材料機翼(長34.7米、寬7米)。生產波音777/777X型號飛機機身的裝配廠已完成擴建,面積增加了3萬平方米,正常運行後,每月可以製造出4個由機器人組裝完成的前機身段。

發動機口徑堪比737機身

波音777X飛機使用通用電氣研製的推力達到102000磅的GE9X發動機,與採用同等推力級別的發動機的空客A350-1000相比,前者的燃油消耗可以降低12%。這臺世界上直徑最大的發動機,其口徑幾乎與一架波音737飛機機身圓筒直徑相當。

波音777-300ER飛機能搭乘365名乘客,而波音777-9可搭乘乘客人數達400名以上,預計每個座位燃油消耗量約減少20%。波音777-8飛機要小一些,比目前的波音777-300ER少了10個座位,預計單座燃油消耗量約減少13%。為了實現上述先進目標,波音既要在設計上大膽創新,又要保證產品的安全。所以,波音777X採用了一個讓人耳目一新的組合,新機身的外部不變,仍採用金屬機身,而發動機和復合材料機翼則進行了優化設計。

波音777X給了波音一個機會,在設計上,波音做出了巨大的改變,並且在充分考慮各種因素的條件下,通過機器人進行了優化設計。波音對777X進行了重新設計,建設了一條新的生產線用於製造飛機。波音在777X的機身龍骨中,增加了部分鋁鋰合金來增強機身龍骨的抗腐蝕能力。波音經過對777X機身進行優化設計,使飛機艙內壓力高度達到了1800米,並且增大了客艙內的空間,使用新材料之後,還實現了設計減重的目標。

波音一直努力降低重量以保障飛機的安全性,777X的最大起飛重量與波音777-300ER、波音777-8和波音777-9的最大起飛重量一樣,為775000磅。為實現這個目標,波音降低了777X的空機重量,比現役同類飛機相比,波音777X的空機重量減少了15000~30000磅。波音777-9X的機翼比777-300ER的機翼長了6.4米,機身長了2.7米,波音要通過優化設計,應用新材料使得777-9X的空機重量比777-300ER的空機重量更輕。航空電子系統、電源系統和其他系統的測試將在波音基地附近的協作系統實驗室內展開,首先開展電力系統的集成測試,然後是共用核心系統集成測試。在完成各系統的集成測試之後波音會快速地將各個系統實驗室整合成一架飛機,也就是“零架機”。

在結構方面,波音計劃生產4架波音777-9測試機,外加一架疲勞測試機。同時,會有2架飛機用於波音777-8測試。第一架波音777-9於2018年末首次亮相,4架用於測試的飛機預計於2019年中期投入飛行。

摺疊機翼首次應用於商業機型

為了提高氣動效率,波音公司設計的777X系列飛機比777-300ER系列飛機具有更長的碳纖維機翼。機翼採用碳纖維、環氧樹脂復合材料和弧形機翼設計,翼展為71.8米,翼尖最大向上彎曲達到7.9米,改進了氣動效率。為了保持777X系列與777-300ER系列所使用的機場跑道兼容,波音公司在機翼翼尖增加了一個鉸鏈,使得翼尖在飛機着陸後能夠向上摺疊。

波音公司新研製的777X飛機有一個重要特徵,它的機翼和一般的客機不同,採用了民用飛機中較為罕見的摺疊式翼梢。

將機翼的一部分進行摺疊並不是一個新概念。艦載作戰飛機很早就採用這種設計了,指導思想是減少飛機對飛行甲板和機庫的佔用面積。但在商用飛機設計上,採用摺疊翼梢還是首次。

新一代商用飛機對機翼的設計提出了更高的要求,它必須具有更高的氣動效率,也就是說要具有更高的升阻比(機翼產生的升力與阻力的比值)。影響機翼升阻比的因素有很多,比如機翼表面的層流情況、機翼剖面形狀等。在這些因素的潛力已經被充分挖掘的情況下,還有一個效果明顯的手段,就是增加機翼的展弦比。通俗地說,就是讓機翼更細長一些。無動力的滑翔機為了獲得最大的升阻比,往往採用非常細長的機翼,從而獲得盡可能長的留空時間。但展弦比的增大也帶來了新問題,滑翔機找塊平整的草地就可以着陸,而商用飛機就沒這麼自由了。機場的飛行區對起降飛機的翼展(以及主起落架外輪距)有不同等級的限制,包括A、B、C、D、E、F六個級別。其中,E級為52米~65米,最高級別F級為65米~80米。機場等級越高,可以接納的機型種類就越多,但自身數量也更少。

因此,將翼展控制在一定範圍之內,就可以大大提高飛機對機場的適應能力,也就是說可以在更多的機場起降。

在波音777系列家族中,當前的主力機型777-300ER翼展為64.8米,屬於E級。777X為了獲得更高的氣動效率,將翼展增加到71.8米,加入了目前由空客A380(翼展79.75米)獨佔的F級俱樂部。而另一個巨無霸747-8的翼展也達到F級,但因為距離上限較遠,而且主起落架輪距在E級範圍內,因而獲準在E級機場起降。

對於波音而言,777X作為777的換代機型,必須使用F級機場是不能接受的。如果這樣的話,波音將會失去一大批客戶。於是,破解這一難題的“金鑰匙”出現了。設計人員在777X機翼設計中採用了摺疊式翼梢,當飛機着陸後,翼 梢可以向上摺疊,看上去像小翼一樣,讓翼展恢復到777-300ER的水平,變身成為E級飛機,從而可以使用當前777飛機起降的機場設施,包括跑道、滑行道和停機位等。新亮相的777X飛機,每側翼梢的摺疊長度為3.5米,這在最大程度上滿足了更多客戶的需求。

當然,摺疊式翼梢並不是僅僅能夠摺疊這麼簡單。波音在向國泰航空徵詢關於777X的建議時,國泰航空的飛行員表示,希望翼梢在飛機落地後短時間內就完成摺疊,不影響飛機及時轉彎進入滑行道。777X在最終的設計中落實了許多客戶的建議。

2018年5月18日,美國聯邦航空管理局(FAA)在聯邦公報(Federal Register)上發表了為波音777X飛機翼尖制定的認證規則及其10項細則。

根據聯邦航空條例第25條,美國聯邦航空管理局的認證標準中沒有關於摺疊翼尖的規定,因此波音公司需要擬定10個特殊條件清單,以證明其鉸鏈機制能夠安全運行。波音公司必須證明,在飛行中,鉸鏈機制能夠防止摺疊翼尖由於硬件或軟件上的故障而向上旋轉。美國聯邦航空局還要求波音公司提供多項服務,在飛機起飛前,如果翼尖摺疊或未妥善固定,應提醒機組人員;如果機組人員疏忽了該細節,波音公司還必須證明,如果系統檢測到飛機翼尖沒有正確固定,飛機將不會起飛。

FAA的另一個關注點在於摺疊翼尖在大風條件下的表現。美國聯邦航空局表示,波音公司必須證明翼尖在水平陣風速度達到120.38千米/小時(65節)條件下的安全性;波音公司還需要證明飛機降落後,在側風條件下,或者在翼尖非正常摺疊的情況下,飛機依然具有良好的操縱性能。

在向FAA提交的關於摺疊翼尖規則的評估報告中,航空公司飛行員協會(ALPA)補充道細則還需包括一條,即新型翼尖的加入對飛行員不提出特殊的駕駛技能的要求。

波音公司表示,波音公司已與FAA合作多年,對於任何關鍵的飛機系統,如飛行控制系統,燃油系統或剎車系統,波音公司都會對故障事件進行危險等級確定,以推動完整系統架構,確保安全性。摺疊式翼尖使用了同樣的安全和認證方法,以確保安全控制和監控架構的完整。

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