【B787】波音787 ：以夢想為名 為夢想而生

2001年9月11日 跟世貿大廈一同轟然破碎的 除了美帝地球和平的美夢 還有波音音速科技的藍圖 伴隨着小布什在廢墟前的宣戰演講 跟戰斧一同升空的國際油價 迫使波音不得不放棄擁有音速巡航能力的索尼克計劃 911事件的陰霾使得在面對330的競爭時 本就難以招架的767銷量一跌再跌 於是波音決定推出一款能全方位力壓330的科技 不僅要守住自己在寬地領域的霸主地位 還承載着其改變航空市場遊戲規則的夢想 老辣哥747在過去幾十年裏一直是週一旅行的首選 四臺發動機保證了跨岸飛行的安全性 寬大的油箱保證了足夠遠的飛行距離 不過其過於強大的運載能力 需要旅客從一個順扭機場集中後飛往另一個順扭機場 然後再轉機前往最終目的地 這種輪幅式運行模式在航空業發展的初期 有助於航司提高飛機的載客率 降低旅客的飛行成本 但隨着經濟發展和全球一體化帶來了航空業繁榮 順扭機場的航班時刻變得愈發寶貴 航司爲了取得航線和好的時刻 不僅要投入大量財力 過多的大型飛機使其在運力調配上不夠靈活 很容易造成旺季雪賺 單季雪虧的局面 旅客在面對價格更便宜的中載航班時 仍喜歡選擇加錢上支達 2003年 777項目正式公佈 當時外界對E進行了種種解讀 但工程師的浪漫總是想要人駐它單身一輩子 其實就是簡簡單單的8 這款飛機意在實現城市之間的自由連線 讓原本需要中轉的行程可以直達 從而實現緩解大型機場的運行壓力 提高航空公司的客票單價 節省旅客時間等多方面供應的局面 這裏要求78G平均每個座位的運營成本足夠低 至少要低過現有的大型飛機 航程要足夠遠 至少要能滿足跨洋飛行的需求 這並不容易 飛機的總重由載重 燃油重量和空氣重量構成 理論上燃油和載重決定了起飛重量 但是有機身結構強度的限制 起飛重量是一個固定值 加大油箱無疑是最簡單直接的方式 但那樣會擠壓飛機的運載能力 得不償失 等着發動機變得更省油也是一個方法 但如果那樣的話我跟空客還有什麼區別 思來想去 波音這減重的大刀最終還是砍傷了自己 在78G之前 飛機的機身主體由硬質7076鋁合金搭出框架 再用錨釘在上面固定一層2024鋁合金蒙皮 相較於承擔一部分結構力 蒙皮更重要的作用是維持客艙米壁形 經過無數次的計算模擬和迭代升級 這片蒙皮在不同部位被打磨成了九容尺寸 最厚處也不過三毫米 鋁合金的材料性能已經被壓榨的所剩無幾 想要減重 波音把目標轉向了複合材料 碳纖維編織技術 這項爲航天而生的工藝在航空領域的應用已經十分普及 高溫生產的碳絲先膠織成線束 再編織成網 網與網之間按照模具的形狀通過豎紙層層粘合後 放入恆溫式充分融化膠水 再冷卻成型 這樣生產出來的部件可以以不到一半的重量 實現鋁合金的結構強度 但連續不規則的曲面會讓碳網粘合的過程中發生褶皺 因此我們看到的碳纖維產品要麼是一個圓柱 要麼是形狀規則的板材 好在飛機大致就是一個圓筒插幾片平板 所以機身中部和大翼的製造難度並沒有那麼大 難的是機頭和機尾 氣筒部門設計出來的優美曲線在工程部的腦門上格外耀眼 爲此 波音聯合日本東立開發了一臺類似3D打印機的巨型編織車牀 先將機身的內部模型固定在一個轉軸上 預金豎紙的碳纖維線束經過機器編織後 由具有加熱功能的噴嘴一層層地在模型上纏繞 可以保證在各個方向上都有足夠的纖維成粒 當機身破燒到足夠的厚度 將內部的模型拆下後放置於恆溫的高壓管中加熱 充分融合膠水並擠出空氣 最後在對應位置切割出艙門和懸窗 並安裝用於防止變形的加強類 這樣造出來的機身是一個真正的整體 在減重的同時還收穫了許多額外的好處 飛機在巡航過程中 客艙內的氣壓並不等同於外界環境 產生高壓反應的零件線是海拔3000米 無論飛機飛得多高 客艙內的氣壓水平儘量不要比3000米低 畢竟旅客想要的是進行享受飛行 而非原地體驗缺氧 這意味着機身要能承受一定的向外的膨脹力 在原有的機身設計中 空氣產生的壓力通過蒙皮最終作用在錨釘上 想要升高座艙壓力 很容易因爲陰力集中而產生裂紋 加密隔空的數量又會導致飛機過重 這種機身在飛機的重量和人體的承壓極限上做了個平衡 將巡航過程中的座艙壓力定在了2400米 當飛機起降時 人耳在短時間內難以適應這些氣壓變化 常常會出現耳膜不適甚至疼痛 當787的機身一體化後 空氣壓力能均勻地分佈在機身的各個維度 客艙的內部壓力都已提升到海拔1800米 這也是爲什麼在乘坐787時身體感覺更舒適 需要澄清的是 787並未給旅客配備座艙加溼系統 你覺得更潤也許是因爲氣壓升高 導致皮膚表面水的蒸發速度變慢 理論上負載機身天然耐腐蝕的特性 是予以客艙內的空氣更溼潤 但電源系統的大量升級導致電氣原料的激增 於是這本應溼潤的空氣又變得乾燥起來 但加溼系統也不是完全沒有 波音還是藉着頭皮把它裝進了 機組休息室和駕駛艙的送風管道內 讓一部分人先潤起來 也算在對抗乾燥的道路上最後的倔強了 相較於液壓的流體動力對管路的精心設計 鋼索的機械能量對裝配的嚴苛要求 電路無疑是一種既高效又簡單的能量傳輸方式 沒有什麼系統是兩根電線不能解決的 如果有 那我們就換電壓更高的三相交流電 弱可控制 強可不進 可以說是簡化系統提高可靠性的不二之選 於是787上的諸拙組件迎來了電力化改造 首先洗銀拆遷的自然是鋼索傳動 在777上經過時間考驗的電傳系統得以全面複製 脫離了鋼索束縛的機翼 在一體復材工藝的加持下 允許其在受力時彎成一個弧形 而非簡單的上翹 均勻分佈載荷的同時 可以將一間小一做得更小 本在拆遷計劃中 單靠自身實力成爲釘子戶的是液壓系統 電機有個先天劣勢 是難以同時兼具扭矩和轉速 只能用在一些作動速度較慢的部件上 液壓組件憑藉能在高能輸出的同時保持高速的特性 依然佔據飛空多面的主力位置 慘遭強拆的是引擎系統 它原本的職責是將發動機壓器機內的氣體 通過管路輸送給飛機上的其他用戶 傳輸管路一般使用更耐高溫 但也更重的不鏽鋼 同時也由於壓力和溫度都比較高 一旦傳輸過程中發生泄漏 就像一個天然的蒸汽炸鍋 不停地烘烤周圍的零部件 導致機身失去結構強度甚至解體 因此還得在管路周圍再安裝一圈探測泄漏的緩路 特別是對於採用了復材機身的787而言 粘合碳纖維的樹脂膠水持續加溫後會玻璃化 變得鬆軟酥脆 泄漏導致的後果會更加嚴重 想得到這個起源也不容易 發動機在不同轉速時內部的壓力和溫度差距都很大 需要在低壓級和高壓級各開一個孔 來實現在不同轉速下輸出近似的壓力 這涉及到如何在切換輸出源時不引起發動機喘震 和怎樣將起源的壓力和溫度都調節到額定值 傳輸管路加控制部件齊齊發發地挪在一起 將反推寒道的內部空間塞得滿滿當當 今天活門鏽死 明天壓力超線 後天黃路跳火井 短停的60分鐘可能還不夠開關一次反推 爲了從根本上解決這些問題 波音拉着通用將整套系統拆得一乾二淨 曾經需要熱空氣加熱防冰的大義前沿換成了電加熱 以往需要高壓氣體帶動發動機旋轉啓動的空氣馬達換成了電馬達 唯一還在奮起反抗的就是空調系統了 飛機上的空調較爲特殊 來自發動機的高能量氣體 首先通過一個熱交換器向外界環境釋放熱量 降低溫度後的氣體來到壓氣機再次壓縮升溫 然後再通過第二個熱交換器向外界環境釋放熱量 二次冷卻後的高壓氣體會經過一個渦輪自由膨脹降溫 而這個渦輪另一端連接的壓氣機正在開心的壓縮半秒前的自己 最終在渦輪膨脹後的氣體溫度會穩定在0-5度之間 再混合總管和未經空調組件調節的高溫氣體 混合成24度左右輸向客艙 整個過程都在反覆利用日曆學第一定律 純機械結構全自動且幾乎不需要額外的電力支持 發動機壓氣機產生的高溫高壓消滅了空氣中可能含有的冰原體 保證輸送到客艙的都是潔淨的新鮮空氣 按理說這套空調系統在丟失了高能量氣源後應該迎來一次大改 不知道是研發空調的部門沒跟上進度 還是造發動機的那幫人拆的太過舒爽 以至於忘了飛機上還需要空調 波音最後給的解決方案是給發動機多裝一臺發電機 再用兩個電動泵將空氣壓縮到原來引氣的樣子 輸送給循環樓機幾乎沒有變化的空調組件 所以我們會在787的機腹看到兩處進氣口 分別用於吸入增壓空氣和冷卻氣流 先用發電機發電再用電驅動電機給空氣增壓 這其中的能量利用率怎麼看都不如直接把引氣輸送過去 以至於後來空客在抱着787抄作業時 抄到這裏也是一頭霧水大戶看不懂 依然採用了原有的引氣空調方案 至於空客是怎樣解決負載怕熱問題的 這就得去350上尋找答案了 但同樣也是因爲對電力系統的需求激增 波音採用了能量密度更高的鋰電池作爲備份 後來的結果你們也都知道了 原來飛機上還有比引氣更能讓負荷材料崩潰的東西 如果說在機身上的努力是波音的自我修養 那發動機的飛躍則是完美地踩在了行業進步的歷史進程上 大海撈筆的渦扇發動機一直都面臨一個很嚴峻的瓶頸 風扇葉片在旋轉時 同等時間內葉尖處走過的路程要比葉根處長 當葉片長到一定程度 葉尖就會出現超音速的情況 超音速氣流和葉片牽遠產生的激波會急劇加速氣體的流動損失 使其在葉尖處的推動效率遠不如亞音速區域 不僅如此 突破聲速後的氣體流動和亞音速有很大不同 甚至要用完全相反的控制方法 這要求葉尖處的泡麪近似於一張薄片 而葉片中部是中間厚兩邊薄的弧形 因此 跨音速風扇對材料強度 葉型設計和製造工藝的要求都很高 羅羅和普惠咔了以後紛紛表示幹不了 各自開發了三轉子和齒輪風扇 這兩者都能通過降低風扇的轉速 來儘量避免葉尖超速太猛 只有通用打算一條道走到黑 有多黑呢 差不多就像GE90的風扇葉片那樣黑 碳纖維的加入可以將葉片做的足夠薄 這降低了激波產生的強度 又通過葉尖部分的反向彎曲 這減少了激波對氣流的擾動 完美解決了葉片超音速帶來的材料和效率問題 沒有花裏胡哨的齒輪和軸承 靠那條彎彎的S曲線和雙轉子 就坐上了航發推力最強的位置 在GE90上獲得巨大成功的通用緊接着加大力度 爲787量身打造了這臺更爲激進的GNX 僅用18片葉片就實現了33噸的推力 順便降低了15%的油耗 50%的噪音和95%的污染物排放 不過 更寬的葉片也導致氣體在每個葉片的流動時間變長 空氣中的冰晶有更高的概率在葉片背部積累 達到一定重量後 會引起風扇旋轉不平衡達到極狹 從而導致空中停車 只好打磨掉一部分機匣內側的耐磨層 以這種犧牲效率的方式留給風扇更多的變形預度 相較之下 羅羅面臨的問題更嚴重一些 因爲在復材風扇的技術儲備較淺 羅羅仍選擇使用單晶鈦合金製造葉片 並以股份換技術的方式與全球數家供應商合作 進一步壓榨金屬材料的性能 及各家之所長取得了和GNX相似的燃油經濟性 但材料上的代差落後仍使得起風扇葉片的推動效率略低於通用 不得不以拉高轉速的方法彌補其在動力上的不足 這也給日後的壓制機葉片鏈紋埋下了隱患 我國航司有個特點 就是任你空殼波音吹得天花亂墜 新飛機永遠不搶首發 哪怕是啓動用戶也是望對屋的莫爲己 等過幾年再去買品質穩定的升級構型 只是沒想到 躲過了鋰電池着火 躲過了風扇葉片結冰 後遺言還是倒在了羅羅懷裏 這大概就是夢想與現實的距離吧 如果隊友有單位的話 不應該用頭來計量他們 相比以上那些隊友 巨石短艙則是NASA給予波音的一份大禮 高速氣流在從噴口向外噴出時 其主要造成來源是與外界低速氣流混合產生的脈衝團流 這個波形巨石讓整個混合的過程中 從波谷到波峯慢慢展開 團流也從原來的大窩分解成數個小窩 低頻噪音逆間20% 削弱在起降階段的震動感 明顯提升乘坐體驗 延長機身的使用壽命 說到這裏巨石短艙都是一個好看又能打的設計 直到1350的推出 咦 這個飛機怎麼沒有巨石短艙 誒 坐起來好像也挺安靜的 有這種感覺並不奇怪 因爲相比噴口的團流 噪聲更大的來源是前面的風扇 這一代高海納比渦扇發動機異常優異的葉片設計 已經大幅降低了風扇的噪音水平 來自噴口的提升對整體的噪聲控制十分有限 那爲什麼還說這是NASA給予波音那份大禮呢 如果一個設計看起來既獨特又漂亮 就像四彎飛彎的一間小醫 渾然天成的氣動外形 心腸澎湃的巨石短艙 漂亮到能讓無數人拿起相機主動分享 讓目光所及見識風景 從傳播學的角度早已值回票價了 787的成長像極了每個剛剛步入社會的理想青年 寒窗苦讀了數十載練成葵花寶典 本以爲會一飛沖天引領時代 提前換送前輩退休 然而實際情況卻是 大問題不斷小問題更多 還沒起飛就原地起火 一度連發動機都拆個盡光 交付了900多價還沒收回研發成本 好不容易又有點起色又碰到了個疫情 就連準備送走的前輩在拿走了發動機技術後 還把自己好不容易切掉的引擎系統又偷偷塞了回去 但打不死我的總會讓我變得更強 波音在787上的苦心修煉帶來了好處有多猛 當把定位相似的330900拿來和7879 放在一起比較時 或者在發動機經濟性相似 起飛總重相同的條件下 依然保持絕對的對位領先 同樣滿源直飛13000公里的航線 330剛好拉滿 而787的貨艙還能再裝半頭通用 一頭羅羅和七頭鋰電池 我們在這個時代見過太多 打着夢想口號的妖魔鬼怪 不論是下軸回國還是收購蘋果 亦或是保衛地球和平 都讓夢想變得越來越廉價 甚至看到這兩個字的本能反應就是 你們是不是又想到什麼新的方法來坑我的錢了 但在現實的另一端 787的存在又在無時無刻的提醒着我們 哪怕是打了補丁的夢想 依舊閃閃發光 本期視頻就到這裏了 歡迎點贊投幣關注轉發 你的支持是我們更新最大的動力 我是張馳 這裏是極品演化 我們下期節目見