【B777】波音777:進化!終結進化!

机坪夜话
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这是机型进化论的第八期,至此,所有主流的民航干线客机已经悉数介绍完毕,第一款737开始,到最后的777结束,我没想到的是,这八期视频做了足足两年时间,更没想到的是,两年后的今天,似乎也和两年前没什么不同,MAX还在机坪趴着,生活没有变的更坏,但也没有变得更好,我的猫依然会在我写稿的时候躺在键盘前面睡觉,不知道它有没有感受到这个世界在变得不一样,我衷心的希望这些动辄三四百吨的大家伙能做它们设计之初被赋予的目的,去带着我们飞向远方,去看看喜欢的人或风景。只有少数技术进步能像飞机那样改变历史的进程。它极大地扩展了人类的足迹,是百年前那个没有动力飞行世界的人们难以想象的,是飞行将这个千姿百态的世界紧密连在一起,让我们的的故事变的如此的丰富、戏剧、绚烂多彩。
感谢各位两年来的陪伴,祝大家新年快乐。
1970年,在同時開發完成737和747這兩款幹線科技的地板和天花板後
日漸高漲的訂單給了波音極大的信心去繼續收購中間市場
開始用機海戰術的方式完成從地板到天花板的全覆蓋
1982年,220座級別的757和280座級別的767先後首飛
一系列死型號的下線速度快到杭斯都沒想清楚新飛機應該怎麼用
賺不賺錢,先飛起來再說
沒想清楚的不只是杭斯
波音在補全距離747最後一塊板頭的360座市場時
同樣陷入了不知道飛機該怎麼造的糾結
這麼大的飛機只能跨洋飛行吧
那是跨大西洋還是太平洋
要跨太平洋,那是三臺發動機還是四臺發動機
整個機身設計是在767的基礎上做加法
還是在747的基礎上做減法
1990年,一頭霧水的波音索性直接拉了8架杭斯開啓了羣聊模式
你提要求我解決,我造飛機你買單
讓你的每一分錢花的都有加倍的參與感
拉着一幫航空公司造飛機的波音顯然沒想到
他們最先達成的共同觀點是
新飛機必須是電傳系統
A320有多香我們已經體驗過了
想讓我付款的777也要fly by well
但在波音工程師拆除鋼索前
我們先來看看鋼索是怎麼來的
航空器在大方向上雖然是左右和上下
但本身卻可以實現三個緯度的變化
俯仰,偏航和滾轉
俯仰對應的升降設計最簡單
飛機的抬頭和低頭直接對應高度變化
而在人的本能反應裏
拉的動作總會和升聯性在一起
直接在座位前面插一個能前後移動的控制桿即可
偏航和滾轉的控制則更復雜
方向舵雖然名稱裏帶着方向
但其實更多的只是輔助轉彎
因爲負翼在使飛機滾轉時
升力產生的分力不僅提供了轉彎所需的理性力
還能在機身滾轉的同時使飛機開始側飄
特別是對大型飛機普遍採用的後掠翼構型而言
下沉一側的機翼會受到更多阻力
機頭會自動轉向滾轉一側
方向舵只需微量的偏移
保持轉彎時的機身穩定即可
最理想的設計自然是將偏航和滾轉合二爲一
共同連接在方向盤上
但是在某些特定的情況下
如一側的發動機不工作或者大側風着陸時
依然需要單獨控制方向舵去平衡飛機的姿態
所以這兩者的控制又不得不拆分開來
顯然,駕駛盤轉動的感覺與-1對飛機的姿態改變更爲接近
方向舵的控制只好被安排在了飛行員的腳下
左右兩個腳燈分別對應左右方向,這也很合理
在飛機的控制交互符合人性後
提升操控手感也十分關鍵
鋼索在機械上讓杆舵直接連接的方式
在保證飛機可控的同時
也讓施壓在駕駛杆上的力能隨着速度的加快而變得越來越大
因爲越是高速,需要使飛機改變同樣方向
所需舵面的偏轉角度就越小
最佳的操作體驗是
只要在駕駛杆上施加的功率相同
不論速度如何,飛機的姿態變化都能保持一致
但是,隨着飛機越來越大,也越來越快
各個舵面通過鋼索返回到駕駛杆上的力
逐漸超過了人能控制的水平
各種液壓助力裝置的引入
讓鋼索由原來的傳遞力變成了傳遞信號
鋼索另一端不再直接連接舵面
而是用於調節液壓流量的活門
這讓操縱變得更輕鬆的同時
也讓手感變得不可靠
爲此,波音在鋼索末尾加入了感覺定程裝置
能根據速度乘比例的提供反饋力
又通過巧妙的傳動軸設計
實現了鋼索在液壓系統正常時
傳遞的是信號,液壓系統不正常時
能直接傳遞力
各個飛控舵面上反向作動的平衡片
同樣保證了在液壓失效時
飛行員足以控制飛機
爲了進一步提升駕駛體驗
飛機的駕駛杆加入了震動馬達
實現了除了視覺和聽覺以外的觸感反饋
能在飛機進入失速狀態時
十分強烈的直擊駕駛員心靈
就連大部分時間都閒置的方向舵腳燈
也有了剎車和前輪轉彎功能
這種感力與速度和姿態的線性對應
配合上多感官的操縱體驗
讓駕駛員在日積月累的訓練中
對飛機的控制愈加細膩
直到這裏,都是原汁原味的機械結構
真正讓這套系統開始割裂的是自動駕駛的加入
爲了確保計算機對飛機操縱的精確性
自動駕駛的指令顯然不會通過鋼索傳遞信號
而是直接通過電路
連接到鋼索和液壓共同作用的傳遞軸上
通過獨立的自動駕駛作動筒驅動舵面偏轉
這相當於在鋼索控制的基礎上寄生了一套電傳系統
它們的目的相同,卻又相互平行
這樣整個飛控系統變得異常複雜
一個復義傳遞軸上
不僅連接着鋼索和感覺電中機構
還有兩套自動駕駛的作動筒和兩條液壓系統的驅動組件
順便還要給擾流板輸出作爲滾轉備份
一方面是鋼索系統帶來的極致駕駛體驗
另一方面是自動駕駛系統大幅解放了飛行員的生產力
在駕駛艙交互邏輯變革升級的十字路口
率先加速的空客在協和的尾流裏選擇了無線增強電傳路線
並將駕駛杆徹底扔出了駕駛艙
在大部分時間裏
測感給出的方向性指令與在飛控面板上調節飛行參數無異
只在起降的關鍵階段模擬出鋼索那種感度對應的關係
用增強自動駕駛能力的方式
犧牲部分操作手感爲代價
大幅提升了駕駛員的飛行舒適性
波音在有着迫切減重需求的777上
想要電傳帶來的簡化設計
但又不希望喪失原來極致的操作體驗
波音對飛控系統的重構止步於駕駛艙
不僅保留了駕駛感
下方連接的整套作動機構也紋絲未動
不同的是
原先連接鋼索的部位換成了傳感器
而本應是鋼索對駕駛杆施加的力
通過數個反饋驅動器實現
它們會根據舵面的實際位置
反向驅動駕駛杆模擬鋼索的手感
所以當所有人都在討論
波音會不會給側杆加入震動功能的時候
777卻掏出了一套底層完全重構
表層紋絲未動的飛控系統
這一項考試題目是
做一碗不能有海蔘的海蔘炒飯
波音通過複雜的工藝
模擬了海蔘的口感和味道
而空客則是索性找海蔘炒了一碗飯
是不是那個味道零說
絕對管保
當然
波音一而研究舊佈局的另一個重要原因
是這能極大的縮短改裝時間
現有波音飛行員只需要10天左右的培訓
便可以上手吸吸吸
如果改用側杆
可能會增加到24天以上
這對已經買了一堆737到767的航司來說
是一筆不小的時間成本
而本就接近叢林開始的空客
則完全沒有這樣的顧慮
有意思的是
波音工程師在吸吸吸上
依然保留了4號和11號的擾流板控制槓鎖
作爲備份
這倒是與多年以後升級737 MAX那幫人
第一個拆的就是擾流板的控制槓鎖
形成了鮮明對比
如果說電船的升級
是波音順應時代發展的必要改變
那在發動機數量的選擇上
則是波音進行了一場豪賭
以777的設計載客量來說
跨洋飛行是必然的
但波音的野心不只大西洋
而是希望造價能飛越太平洋的飛機
與女皇爲伴
遠程飛行受到一個很嚴格的規則限制
就是不超過三臺發動機的飛機
整個飛行階段
必須保證航路附近60分鐘的飛行時間內
要有可攻備降的機場
同時這個飛行時間
是以損失一臺發動機的性能計算
這是因爲在民航業發展初期
發動機的整體可靠性較低
因機械故障多發失效的情況時有發生
但依然有不少航司
拿着DC-3開通10小時不經停的跨水飛行
60分鐘的運行規則
限制了這種只爲利潤的冒險行爲
但也讓跨洋航班的航線
爲了滿足備降要求
無法按照最理想的直線飛行
變相增加了油耗
1964年
隨着發動機可靠性的逐漸提高
FAA取消了三發的運行限制
洛克希德和道格拉斯
因此開發了各自的三發飛機
加入了跨大西洋航線與747競爭
在777的初期草組中
同樣也是採用類似的三發設計
A300的首飛
給了空客推動解禁60分鐘規則限制的動力
想要讓新飛機有市場競爭力
必須要能直飛歐美航線
沒有鬼斧神弓大自然幫助的歐洲人
不可能在大西洋無中生有備降機場
那唯一的辦法就是讓航線更直一些
1976年
在A300投入運營兩年後
歐洲視航局聯合國際民航組織
正式將雙發運行的60分鐘規則
放寬至90分鐘
大幅打擊了多發飛機的競爭力
波音拉着FAA
一邊罵罵咧咧地向媒體宣傳
雙發跨洋
約等於把墳墓懸在海底
一邊着手製定雙發120分鐘的規則
讓767先頂上去
一邊開始熬夜改777的圖紙
那問題就來了
有着接近747的尺寸
卻砍掉了一半動力單元的777
真的能找到性能如此充沛的發動機嗎
更嚴峻的是
發動機數量越少
每臺發動機要流出的剩餘動力就越多
這加大了發動機的設計難度
不過因爲777聚集了普惠
羅羅
通用三家供應商
力求動力
不會成爲這架重型飛機的短板
同時爲了控制體重
在設計上也更加極限
777的機身拋面爲標準圓形
相比傳統的橢圓
在同等客艙寬度下
能減少機身所需材料
這也是其視覺上
看起來更粗的主要原因
電傳系統讓777的副翼
除了普通的滾轉功能
還能在起飛階段同時向下偏轉
起到了與機翼相同的增生作用
進一步減輕結構重量
小車式起落架
讓12個主輪
不僅只需要兩根減震支柱
還能在地面轉彎時隨動偏轉
縮小轉彎半徑
此外
用網線代替部分電路
提升負荷材料比例
等一系列努力
逐漸讓這款雙花巨型飛機成爲可能
1994年
最大起飛重量247噸的777-200
在兩臺普惠4000發動機的推動下
完成首飛
並於次年正式開始商業運營
但滿載情況下
6000公里的航程
讓其看起來更像是大號的737
而非縮小版的747
不過
隨着發動機廠商逐漸將發動機推力
一路從35噸拉昇至40噸
波音很快推出了200的增程版
以增加3噸空機重量爲代價
獲得了55立方米油箱體積
和50噸起飛重量的提升
也使其滿載航程超過1萬公里
1997年
在雙發延長180分鐘規則的助力下
中國南方航空使用777-200ER
歷時13小時
完成了廣州飛往洛杉磯的商業航班
是人類首次使用雙發飛機
不經停飛越太平洋
這架因有越太平洋
延長飛行字樣的飛機
也無數次成爲
這一重要歷史時刻的背景版
ETOPS的全稱翻譯成中文
應是雙發延長運行性能標準
當然
與ETOPS-180一起出現在背景裏的
還有A340
不過
他們一個是創造歷史
一個是成爲歷史
777的電程系統和雙發動力
在實際運行中表現出的可靠性遠超預期
300構型
三級座艙下
近400人的載客量
已經與747十分接近
這讓波音在其身上看到了更多可能
2006年
第二代777系列正式推出
初代的200ER升級爲200LR
300迎來增程版
這次
6噸的解構重量
增加了3000公里的續航歷程
和50噸的起飛重量
讓777的最大起飛權重
來到了350噸
發動機方面
通用以共享風險爲代價
取得了新一代777的獨家供應權
在複合材料的加持下
將J190的推力提高到了50噸級別
並順便拿走了航空發動機推力第一的桂冠
直至今日
脫胎於200LR的777貨機
已能拉着100噸貨
滿世界飛的變態性能
依然是實際成交價格最貴的民用飛機
2016年
依然是最暢銷寬體機的777
加速了其自我進化的步伐
但在第三代的升級上
波音遇到了一點小問題
飛機應該造多大
在大部分時間裏
都是製造商說了算
但最先跪倒在設計師圖紙下的
不是工程師
而是各大機廠
爲了防止航司天天往按照707的圖紙
修好裏的機廠裏送747
國際民航組織在1950年
根據跑道長度
翼展和起落架間距
初步制定了機場和航空器等級規則
跑道長度爲飛機起飛性能設置了下限
翼展確定了機場各類設施的安全距離
起落架間距則決定了滑行道的轉彎弧度
這條規定雖然很好地規範了
以後機場和飛機的技術規格
但對之前就修建好的機場卻無能爲力
比如紐約拉瓜迪亞機場
1939年就已經建成
既無擴建可能
而這機場偏偏又在村組村級的皇后區
不少大型飛機爲了能在此起降
選擇將翼展限制在48米以下
而非4D等級的52米
但是
隨着空氣動力學理論的越來越完善
飛機制造商漸漸發現自己爲機場縮減的
不只是機翼那點材料
而是整架飛機的經濟性
不同速度的飛機
升力產生的原理不盡相同
但歸根結底
一定是機翼下方的壓力比上方的大
有壓差就一定會有流動
同時由於機翼具有一定的上反和後裂設計
這讓氣流除了向後
還有向大翼外側流動的分量
種種因素結合在一起
最終導致了高低壓兩股氣流
在一間處匯合
形成渦流
會讓機翼製造升力的能力下降
上下一面的壓差不可避免
我們能做的
就是儘可能地減小渦流對大翼的影響
那既然渦流發生在翼間
如果儘可能地讓翼間向後延伸
受影響的大翼區域就會變小
在一定條件下
翼展與機翼平均弦長的比值
也就是展弦比
表達了機翼向後延伸的程度
風洞實驗的結論表明
渦流產生阻力的能力
會隨着展弦比的變大而變小
那怎樣才能提高展弦比呢
以圖中平均弦長爲2的機翼爲例
展弦比應當是2.5
如果我們在兩端各加一塊三角形
讓平均弦長降低至1.5的同時
還讓展弦比提升至3.9
並且白得了1的機翼面積
可以繼續開心地增加起飛重量
代價自然有
就是要增加機翼強度
去抵抗翼間升力帶來的彎扭
機艙等級規則制定後的幾十年裏
隨着燃油價格的不斷上漲
越來越多的飛機制造商
從向機場妥協
轉向了向經濟性妥協
最典型的DC10
就是在初期爲了能在紐約降落
選擇了47米的翼展
後期又爲了更加省油
加長到50米
這一糾結同樣體現在777上
爲了兼顧市場的效率
波音在第一代777上
爲航司提出了摺疊翼間方案
希望能在更多不規範的機場運行
但雙方帶來的經濟性已過於優異
在做工裏綜合成本
比747低20%的前提下
最終因沒有航司願意買單而流產
翼展也定格在了61米
隨着航空器經濟性的指標
銷售帶來的影響日益加大
不同等級的飛機往往直接選擇
先把翼展拉滿
再去設計剩餘部分
第二代777推出時
嚴格按照規範修建的機場越來越多
波音索性直接將翼展拉到了64.8米
距離四翼等級的上限65米
僅一頭之遙
在翼間處與機翼融合的小翼
在向外伸展時
還努力向後延伸
進一步提高了展現比
而對本就在小型機場運營的飛機而言
都給設計師的圖紙空間實在有限
甚至拉滿了都覺得不夠
還要再往上加小翼
進一步消除渦流影響
320 Neo和737 Max爲了不超4C等級的36米
一個翼展35.8
一個翼展35.92
在超標的邊緣反覆抖動
如果說第二代777的升級
是波音在對自身設計水平的獨孤求敗
那第三代777要面對的
纔是其誕生20幾年以來的真正對手
A350全副材機身的降維打擊
是波音無論如何都繞不過去的坎
777X將大翼同樣升級爲複合材料的同時
再次搬出了多年前的摺疊方案
機翼展開時超過71米的長度
彌補了機身依然是鋁合金的重量劣勢
兩個子型號
一個在超遠航線上與350 1000直接競爭
一個去承接380和747推翼後的市場空白
GE90的升級版GE9X的紙面數據依然優異
得益於超寬的翼展帶來的阻力減少
推力降低至48噸
希望這挑剔的三噸推力降低的不僅是油耗
還有在啓動階段讓整個機場都跟着顫抖的轟鳴
稍顯遺憾的是
在國際疫情的大環境下
如此漂亮的升級數據顯得如此格格不入
而波音本身也負面消息不斷
從737 MAX停飛到787工廠出現質量問題
再到777X測試階段部分項目未通過
內憂外患下
未來的路恐怕仍需努力
隨着A350貨機版本上線
空和波音在未來10年的競爭選手均已就位
從120座到420座
從5000公里到17000公里
雙方在每一個座位等級和航程上都有着自己獨特的競爭力
這是機型進化率的第八期
至此
所有主流的民航幹線科技已悉數介紹完畢
從第一款737開始到最後的777結束
我沒想到的是
這八期視頻做了足足兩年
更沒想到的是
兩年後的今天似乎也和兩年前沒什麼不同
MAX還在機瓶趴着
生活沒有變得更壞
但也沒有變得更好
我的貓依然會在我寫稿的時候
躺在鍵盤前面睡覺
不知道它有沒有感受到這個世界在變得不一樣
我衷心的希望這些動輒三四百噸的大傢伙
能去做他們設計之初被賦予的目的
去帶着我們飛向遠方
去看看喜歡的人或喜歡的風景
只有少數技術進步
能像飛機那樣改變歷史的進程
它極大的擴展了人類的足跡
是百年前那個沒有動力飛行世界的人難以想象的
是飛行將這個千姿百態的世界緊密連在一起
讓我們的故事變得如此豐富
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