商用飛機總體布局的發(fā)展演變

王元元

1914年1月1日，一個由四名夢想家組成的團隊齊心協(xié)力開啟了歷史上首個定期商業(yè)航班。100多年過去了，如今的商業(yè)航空以前所未有的網(wǎng)絡(luò)將全世界聯(lián)系在一起，影響著世界每個角落的人們。作為商業(yè)航空主角的商用飛機也從最初的給人“簡陋、噪聲大、低端”等形象發(fā)展到了如今的“高端、舒適、上檔次”，未來還將繼續(xù)朝著更高效、更環(huán)保、更舒適的方向發(fā)展。本文將給您呈現(xiàn)商業(yè)航空發(fā)展過程中商用飛機總體布局的演變。

商業(yè)航空興起的早期

——（20世紀20-30年代）

在商業(yè)航空興起初期的上世紀20年代，旅客們乘坐飛機飛行的感覺并不愉快。因為當(dāng)時客艙的噪聲實在是太大了。曾擔(dān)任負責(zé)航空事務(wù)的美國海軍副部長及國際民用航空組織（ICAO）主席的愛德華·p·華納于1922年10月30日在航空周刊的前身‘航空雜志上發(fā)表文章，文中提到“飛機發(fā)動機產(chǎn)生的噪聲是一個始終存在的問題，它比人們通常認識到的更加嚴重?！彼f：“我同許多乘客討論過關(guān)于歐洲航線的問題，大多數(shù)人沒有坐過，坐過的大多數(shù)人表示乘坐一次就足夠了。”這些乘客對乘坐歐洲航線的厭惡主要來自于噪音，巨大的發(fā)動機噪聲使得乘客幾乎無法在飛機上相互交談，更嚴重的甚至?xí)?dǎo)致某些無經(jīng)驗的乘客在飛行結(jié)束后的一個小時或更長的時間內(nèi)產(chǎn)生聽力障礙。

雖然像波音247、DC-1、DC-2等飛機技術(shù)達到了較高的水平，但DC-3以其2.34米寬的客艙將商用飛機的舒適性提高了一個檔次。然而，乘客并不喜歡后三點式起落架的傾斜地板，這也是促使道格拉斯在后續(xù)的更大的DC-4E研究中考慮采用前三點起落架構(gòu)型的部分原因。

當(dāng)時，歐洲的大多數(shù)長途飛行服務(wù)都是由英國帝國航空公司和荷蘭皇家航空公司提供的飛往各自國家殖民地的航線。在20世紀30年代，帝國航空公司提供了歐洲飛往非洲、中東、印度、南亞、澳大利亞和新西蘭的組合航線，組合是指使用了水上飛機、火車和低速飛機（類似24座的漢德利·佩奇HP42/45，該機翼展39.6米，安裝4臺布里斯托爾木星發(fā)動機）的組合交通工具。1932年，一條倫敦飛往南非開普敦的組合航線需要72個飛行小時（低空、非增壓客艙飛行），中間換乘4次飛機，乘坐火車1931千米。僅開羅到開普敦的航線就有27個主要的機場和30個經(jīng)停站。由機械原因和天氣原因?qū)е铝烁嗔朔怯媱澩？?。有一次，在中東地區(qū)被迫進行沙漠強行著陸后，機長要求乘客下機用帽子去收集干的動物糞便用作燃料，以保證他們可以渡過寒冷的夜晚。

增壓客艙的出現(xiàn)

（20世紀30年代后期至今）

隨著更強大發(fā)動機和增壓客艙在20世紀30年代后期的出現(xiàn)，波音307型平流層客機成為第一架擁有客艙增壓系統(tǒng)的商用運輸機。這一特性使其有能力在20000英尺（6096米）高空進行橫跨大陸的巡航飛行，使其能避開許多天氣和山區(qū)干擾。得益于二戰(zhàn)中B-29轟炸機使用過程中獲得的經(jīng)驗成果，更加先進的采用客艙增壓泵的增壓客艙布局客機登上了歷史舞臺。二戰(zhàn)后期的DC-6、星座飛機可以在直至20000英尺（6096米）巡航高度上提供8000英尺（2438米）的舒適的客艙壓力高度。

活塞動力飛機發(fā)展的頂峰

（20世紀40年代）

隨著活塞發(fā)動機的發(fā)展達到頂峰，飛機載客量也得到了很大的發(fā)展。這期間發(fā)展的飛機包括不太成功的布里斯托布拉巴宗飛機，該機是英國飛機公司從1946年至1948年用了3年時間研制生產(chǎn)的一種瞄準跨大西洋航線的大型客機，翼展70米，采用8臺活塞發(fā)動機。雖然該機采用單層客艙布局，但其他的制造商選擇更敏感的雙層客艙布局，其中包括波音的C-97雙層“同溫層巡航者”飛機和洛克希德公司57.6米翼展的“星座”飛機。前者是在B-29轟炸機的基礎(chǔ)上增加了一個更大截面的上層客艙，后者則采用了類似寇蒂斯C-46的設(shè)計思想。

渦槳飛機嶄露頭角

（20世紀50、60年代至今）

燃氣輪機的發(fā)展也推動了作為中間產(chǎn)品的渦輪螺旋槳客機的發(fā)展，因為相比最好的活塞飛機，渦槳飛機具有一樣甚至更好的效率、可靠性和動力。雖然英國和前蘇聯(lián)都曾追求遠程的渦槳飛機，比如布里斯托爾大不列顛和伊爾-18，但是上世紀50-60年代最成功的渦槳客機卻是其他制造商研制的中短程客機，包括福克F27、諾德262、漢德利·佩奇信使、維克斯子爵和先鋒以及洛克希德的厄勒克特拉。

噴氣式客機逐漸占據(jù)市場

（20世紀50年代后期至今）

隨著噴氣發(fā)動機的發(fā)展，大型活塞飛機很快就被擠出了市場。最終，波音公司的波音367-80噴氣式飛機奠定了今天廣泛使用的渦扇發(fā)動機飛機構(gòu)型。但該機132英寸（3.3528米）寬的客艙截面被認為相比波音設(shè)想的6座布局有些窄。因此，在波音367-80基礎(chǔ)上發(fā)展起來的KC-135加油機客艙寬度被擴展到了144英寸（3.6576米）。但是，由于競爭對手道格拉斯將DC-8客艙的寬度增加到147英寸（3.7338米），波音在發(fā)展707的時候?qū)⒖团搶挾冗M一步增加了4英寸至151英寸（3.8354米），盡管當(dāng)時這是一個“昂貴”的決定，但是這也成為了波音后來直至目前的737MAX單通道客機的布局標準。

1955年首飛的法宇航的快帆客機成為歷史上第一種采用發(fā)動機后置尾吊布局的噴氣式客機，它的研發(fā)主要用在于替換活塞動力的道格拉斯DC-6。該機的兩臺發(fā)動機分別安裝在機身尾部兩側(cè)短艙內(nèi)，尾吊發(fā)動機布局可以保持機翼外形簡潔，使流過機翼的氣流免受干擾并降低客艙噪聲?？旆蜋C是西歐國家在空中客車飛機項目之前僅有的兩種能實現(xiàn)盈利的噴氣式客機項目之一（另一個是BAC1-11客機）。該機的布局在隨后的幾十年被多家制造商的產(chǎn)品所采用，包括道格拉斯的DC-9、圖波列夫的圖-134、圖-154、BAC1-11、?？薋28、波音727、德·哈維蘭的三叉戟、伊留申的伊爾-62和維克斯的VC10。

寬體噴氣客機時代

（20世紀60年代至今）

寬體噴氣客機或者說雙通道噴氣客機的出現(xiàn)是在20世紀60年代繁榮經(jīng)濟的刺激下產(chǎn)生的。1966年初，波音和泛美航空公司決定開發(fā)350座級的波音747。起初，波音考慮的是采用單層寬體客艙的設(shè)計思想。最終，考慮到波音747最終將用于貨運的預(yù)期，波音將747的主艙設(shè)計為能夠容納8英尺×8英尺集裝箱的大直徑圓形截面，而駕駛艙采用了獨特的設(shè)計安裝在主艙前部上方，從外形上看機頭部分隆起，這樣可以方便從機頭位置進行裝載?？湛脱兄频恼嬲碾p層客艙布局的A380于2005年首飛，它是世界首款采用全雙層客艙布局的大型客機。

噴氣支線飛機的興起

（20世紀80年代至今）

專門針對區(qū)域市場的小型噴氣客機誕生在1980年代末的美國，隨著輪輻式航空網(wǎng)絡(luò)的逐漸發(fā)展，支線航空市場逐漸興起。但是推動支線航空市場革命性發(fā)展的是德國漢莎航空公司1990年開通的“城市藍線”（CityLine），當(dāng)時漢莎航空訂購了龐巴迪公司基于挑戰(zhàn)者公務(wù)機發(fā)展的加長版50座級噴氣客機CRJ100/200。作為對市場的回應(yīng)，先前只生產(chǎn)小型渦槳飛機的巴西航空工業(yè)公司也及時推出了全新的雙發(fā)噴氣支線客機ERJ-145，該機于1995年首飛。在隨后的20年中，上述兩家制造商不斷系列化發(fā)展支線客機以滿足市場需求，在此過程中將包括BAE、?？恕⑾赏?多尼爾等在內(nèi)的多家競爭對手全面擊潰。隨著市場對大載重飛機需求的增加和燃油成本的不斷上升，50座級噴氣支線客機的使用成本也水漲船高，支線噴氣飛機的尺寸也逐漸擴大到70～120座級，包括CRJ和E系列。并且市場出現(xiàn)了新的競爭者，包括三菱飛機公司的MRJ，蘇霍伊民機公司的SSJ和中國商飛的ARJ21。

風(fēng)靡一時的水上飛機

（20世紀30年代前）

20世紀20至30年代的一段時間，由于缺少硬質(zhì)跑道等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，大型客運水上飛機很適合世界遠程運輸航線。水上運輸在當(dāng)時受到歡迎還有一個原因是大多數(shù)主要的國際貿(mào)易航線都以大型港口為起點和終點。但是二戰(zhàn)后全球范圍內(nèi)的機場建設(shè)和遠程運輸飛機的改進標志著水上飛機黃金時代的結(jié)束。實際上，航空史上曾出現(xiàn)了兩個超大型的水上飛機，分別是休斯的H-4大力神（被廣泛稱為“云杉鵝”）和桑德斯·羅公司的“王子”。320英尺（97.5米）翼展、木制的大力神水上飛機由休斯飛機公司研制，但是直到二戰(zhàn)結(jié)束也沒有完工，該機只在1947年飛行了1次；“王子”水上飛機翼展為219英尺（66.75米），是世界上最大的全金屬水上飛機，它沒有找到合適的運營商，于20世紀50年代廢棄。

二戰(zhàn)前的水上飛機更加成功，包括多尼爾的157英尺（47.85米）翼展的Do-X和西科斯基的S-42。Do-X在1929年首飛時是當(dāng)時全球最大的飛機，它采用12臺西門子發(fā)動機，發(fā)動機分6組背靠背（一臺推一臺拉）安裝在上機翼的上方。S-42飛機由于翼載較大，并且安裝了普·惠的R-1690大黃蜂發(fā)動機，因此具有較高的巡航速度。其他后面的著名水上飛機還包括肖特飛機公司的S.23帝國，馬丁公司M-130和波音314（波音314是一種于1938年至1941年間由波音公司制造的長程水上飛機）。所有這些水上飛機設(shè)計都采用了船形橫截面，同時滿足氣動和水動性能要求，以方便飛機起飛前在水面的滑行同時打破水面對飛機表面的吸力；它們還將發(fā)動機的安裝位置放的很高以減小水的影響。

短命的超聲速飛機

（20世紀60-90年代）

20世紀50年代軍用超聲速飛機的出現(xiàn)點燃了人們開發(fā)商用超聲速飛機的夢想，尤其是英國1954年就開始了商用超聲速飛機的研究。法國當(dāng)時也開始了超聲速運輸項目（SST）。1962年，英法兩國聯(lián)合起來開展協(xié)和超聲速飛機項目。就在同一年，蘇聯(lián)透露也在著手開發(fā)一款超聲速民用客機——圖-144，它的外形與協(xié)和相似，采用細長三角翼布局。協(xié)和超聲速飛機載客120人，可以完成跨北大西洋飛行，巡航馬赫數(shù)2.02，由4臺羅·羅/斯奈克瑪奧林巴斯593渦噴發(fā)動機驅(qū)動。在起飛和加速階段發(fā)動機需要開加力，超聲速巡航階段則無需開加力模式。

協(xié)和號的關(guān)鍵設(shè)計特點包括采用了S型前緣的雙三角翼布局，這使其能夠在較大的馬赫數(shù)和迎角范圍內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的升力渦。其他的創(chuàng)新技術(shù)還包括能夠控制激波、降低入口速度的計算機控制可變進氣道，電子控制模擬電傳操縱，能夠改善起降視野的機頭下垂設(shè)計。協(xié)和號和圖-144都沒有安裝平尾，但是圖-144在機頭側(cè)面安裝了可收放的小鴨翼用來進行低速時的操控。圖-144在1978年結(jié)束了商業(yè)載客飛行，但后來它在NASA的高速商用運輸（HSCT）研究項目中也進行了飛行，于1997年結(jié)束了最后一次飛行。對于協(xié)和號來說，噪聲和聲爆問題嚴重地限制了協(xié)和號的商業(yè)前景，它也只在法國航空公司和英國航空公司短暫地服役。繼2000年法航一架協(xié)和號墜機以及2001年空中運輸系統(tǒng)崩潰后（“9·11”事件帶來的影響），協(xié)和號于2003年退出了歷史舞臺。

美國對超聲速客機的關(guān)注焦點在更大和更快（馬赫數(shù)3）的飛機概念上，但是FAA力挺的波音2707-300項目被美國政府在1971年取消了。NASA和工業(yè)界開展的HSCT項目使人們對超聲速商用飛機的興趣在20世紀90年代短暫回歸，但是從那時起工業(yè)界將商用超聲速飛行的研究重點重新聚焦環(huán)境可接受的、低聲爆噴氣公務(wù)機關(guān)鍵技術(shù)。

未來的新構(gòu)型飛機

如今，“筒狀機身加機翼”的成熟構(gòu)型已經(jīng)統(tǒng)治商用飛機領(lǐng)域近100年，隨著制造商追求未來客機在效率上大的提高，這些傳統(tǒng)布局飛機已經(jīng)無法勝任。如今，受激進的環(huán)境指標驅(qū)動，設(shè)計師已經(jīng)在考慮未來可能應(yīng)用的全新布局形式。研究人員正在評估大量的創(chuàng)新布局，包括混合翼身/翼身融合體，雙氣泡機身，盒式機翼布局，桁架支撐大展弦比機翼布局以及高度集成的推進系統(tǒng)等。以下是一些未來可能變?yōu)楝F(xiàn)實的飛機新構(gòu)型。

最流行的設(shè)計方案之一就是所謂的“混合翼身”，它有時也被描述為翼身融合體，在這種設(shè)計方案中，機翼和機身達到了無縫的融合，使得整機的氣動效率極大的提高，大大降低了燃油消耗、噪聲和排放。

2012年，NASA成功試飛了X-48C翼身融合體飛機驗證機，該機具有較大的內(nèi)部容積可以用來裝貨和載客，設(shè)計展長為73米。試飛采用的是8.5%縮比的構(gòu)型，展長6.54米。波音以X-48C為基礎(chǔ)，設(shè)計了翼身融合體客機方案。該方案在機身后上部安裝兩臺普·惠公司的齒輪傳動風(fēng)扇發(fā)動機，發(fā)動機兩側(cè)為兩個斜尾翼，起到了屏蔽發(fā)動機噪聲的作用。

下圖是麻省理工、極光飛行科學(xué)公司和普·惠公司團隊提出的一個N+3候選布局——D8雙機身布局。風(fēng)洞試驗結(jié)果顯示，由于寬大機身提高了升力，嵌入式發(fā)動機帶來的附面層抽吸作用減小了阻力同時屏蔽了部分噪聲，采用該布局的180座級客機在巡航馬赫數(shù)0.74的條件下相比同級別的現(xiàn)役飛機可提高70%的燃油效率。

結(jié)束語

商用飛機的發(fā)展是一個進化演變的過程，商用飛機的百年發(fā)展史體現(xiàn)了人類對更快、更舒適空中旅行的不懈追求。未來，商用飛機將越來越強調(diào)安全性、經(jīng)濟性、環(huán)保性，越來越強調(diào)提高乘客的飛行體驗。相信隨著科技水平的提高，超綠色高效亞聲速客機和超聲速客機在不久的將來就會面世。