民航客機(jī)：便捷的“空中巴士”

蕭恩

相對(duì)于軍用運(yùn)輸機(jī)，事實(shí)上，我們普通人能夠接觸到的更多的是民航客機(jī)。盡管都叫運(yùn)輸機(jī)，都是用來運(yùn)送人或者物品的，但是其實(shí)兩者的區(qū)別還是非常大的。

早期運(yùn)輸機(jī)“不分軍民”

回顧人類航空歷史的早期，飛機(jī)并沒有軍用和民用之分。

第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，隨著軍事需要的劇然減少，飛機(jī)才開始應(yīng)用于民間的郵政及交通運(yùn)輸。不過這些擔(dān)負(fù)和運(yùn)輸任務(wù)的飛機(jī)，多由軍用轟炸機(jī)改裝而來，僅做一些簡(jiǎn)單的改裝就用于運(yùn)輸郵件、貨物和旅客了。

但是采用這種改裝后的運(yùn)輸機(jī)來進(jìn)行人員及貨物的運(yùn)輸，所面臨的最大問題在于無法實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性，而隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展和被用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各部門，飛機(jī)便分成了軍用和民用兩大類。

與此同時(shí)，兩種類型的運(yùn)輸機(jī)的差異性也越來越明顯。

簡(jiǎn)單的說，軍用運(yùn)輸機(jī)是用于空運(yùn)兵員、武器裝備，并能空投傘兵和軍事裝備的飛機(jī)。這就要求這種飛機(jī)具有能在復(fù)雜氣候條件下飛行和在比較簡(jiǎn)易的機(jī)場(chǎng)上起降的能力。有的還裝有用于自衛(wèi)的武器和電子干擾設(shè)備。

圖1 美軍C-130H軍用

除此以外，軍用運(yùn)輸機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率要比客機(jī)高得多。這是由于軍用飛機(jī)要經(jīng)常出現(xiàn)在戰(zhàn)場(chǎng)上，幾乎不可能有專門的機(jī)場(chǎng)提供起飛，而且還需要搭載很多貨物。

而民用運(yùn)輸機(jī)，尤其是科技相對(duì)于軍用運(yùn)輸機(jī)要求就很低，更加追求經(jīng)濟(jì)性、舒適度和安全性，是用來載人和少量貨物。

現(xiàn)代民航客機(jī)出現(xiàn)于1933年

圖2 波音787寬體客機(jī)

在上世紀(jì)20年代歐洲在民用飛機(jī)的發(fā)展處于領(lǐng)先地位，除了英、法、德等國(guó)各自發(fā)展外，荷蘭的?？藦S一系列優(yōu)秀的民用飛機(jī)迭創(chuàng)長(zhǎng)程飛行記錄。

荷蘭人安東尼·?？藦?919年的4人座單發(fā)動(dòng)機(jī)的F.2開始，才開發(fā)了一系列純民用飛機(jī)。1925年，?？嗽俣纫运哪举|(zhì)?？薋.7開創(chuàng)三發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)設(shè)計(jì)的新潮流。F.7是當(dāng)時(shí)唯一一架有封閉機(jī)艙的飛機(jī)，能夠相對(duì)舒適地運(yùn)送7名乘客。

1926年，位于美國(guó)底特律的福特汽車公司推出一種全金屬三個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的Ford Tri Motor 。該機(jī)采用全金屬結(jié)構(gòu)，能夠容納15名乘客，共制造了199臺(tái)，可以滿足早期航空公司幾乎所有的需求。這款代號(hào)為“錫鵝”（Tin Goose）的飛機(jī)成為20世紀(jì)20年代末至30年代初之間最早的飛機(jī)客運(yùn)服務(wù)的支柱。

圖3 福特汽車公司推出的Ford Tri Motor“錫鵝”飛機(jī)，具有三個(gè)全金屬發(fā)動(dòng)機(jī)

圖4 福特“錫鵝”客機(jī)內(nèi)部

1928年，波音公司也生產(chǎn)了非常類似但體型較小的Boeing 80型三發(fā)動(dòng)機(jī)雙翼機(jī)。80型飛機(jī)是一架雙翼飛機(jī)，具有良好的起飛和著陸性能，機(jī)身由織物覆蓋的鋼和鋁管結(jié)構(gòu)組成，擁有設(shè)施齊全的客艙，可攜帶12名乘客。

圖5 波音公司制造的80A-1飛機(jī)

進(jìn)入30年代后，世界航空發(fā)展的優(yōu)勢(shì)逐步落到美國(guó)。

波音公司以B9為基礎(chǔ)開發(fā)出一種新型民用飛機(jī)，稱為B247，它的外形新穎，采用半硬殼機(jī)身及可收放式起落架等新技術(shù)，可載客10人，性能超過當(dāng)時(shí)所有的民航機(jī)，被公認(rèn)是第一種“現(xiàn)代化”的民航機(jī)。該機(jī)于1933年2月首飛，3月起投入聯(lián)合航空公司（UA）營(yíng)運(yùn)，在該年的夏天便創(chuàng)造了從美國(guó)東海岸到西海岸只需19小時(shí)45分鐘的速度紀(jì)錄。

圖6 波音274客機(jī)

美國(guó)的道格拉斯公司則于1933年推出DC1，1934年為了與波音公司的B247抗衡，再推出加長(zhǎng)型的14座DC2。由于航空公司反應(yīng)不錯(cuò)，遂又開發(fā)了加寬機(jī)身、21人座可帶臥鋪并有空廚提供熱食的DC3，從此掀開了波音和道格拉斯（1967年，麥克唐納公司與道格拉斯公司合并為麥克唐納·道格拉斯公司，后來簡(jiǎn)稱為“麥道”公司）兩家公司長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的競(jìng)爭(zhēng)，直到1996年底波音將麥道公司兼并為止。

圖7 道格拉斯公司生產(chǎn)的DC3客機(jī)

DC3的投入運(yùn)營(yíng)，將航空運(yùn)輸變得可以盈利。這是一款革命性的機(jī)型，一共生產(chǎn)了13000余架。

30年代的美國(guó)，除了波音和道格拉斯公司之外，還有一家洛克希德公司也致力開發(fā)新型的民用客機(jī)。為滿足環(huán)球航空公司對(duì)增壓座艙、不著陸橫跨美洲和越洋飛行的要求，洛克希德公司自1939年開始了L049/1049/1649系列「星座式/超級(jí)星座式」客機(jī)的設(shè)計(jì)。第一架星座機(jī)于1943年1月飛行，它比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手DC3的后繼機(jī)DC4更大、飛得更快，于1946年初交付給環(huán)球航空公司，投入紐約至巴黎之間的大西洋航線。

二戰(zhàn)期間發(fā)展的道格拉斯DC4/C54是第一種采用前三點(diǎn)式起落架的客機(jī)/運(yùn)輸機(jī)。為了和星座機(jī)競(jìng)爭(zhēng)，道格拉斯公司還研制了DC4的加長(zhǎng)型，86人座的DC6，于1947年4月投入使用，后來又特別為泛美航空的大西洋航線設(shè)計(jì)了加長(zhǎng)型的DC7。

圖8 道格拉斯公司生產(chǎn)的DC4客機(jī)

波音公司也在B-29“超級(jí)空中堡壘”轟炸機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展成民用型的B377，采用4具R4360型發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸高達(dá)28個(gè)，構(gòu)造復(fù)雜但扭力驚人，是往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)最終極致的發(fā)展，不過該機(jī)在市場(chǎng)上并不成功。

“彗星”讓民用航空走進(jìn)普通大眾

二次大戰(zhàn)結(jié)束帶來民用航空運(yùn)輸?shù)呐d旺發(fā)達(dá)。

1946年，全球空運(yùn)旅客達(dá)1800萬人次，其中三分之二是美國(guó)國(guó)內(nèi)航空公司運(yùn)送的。但當(dāng)時(shí)使用的往復(fù)式飛機(jī)，不僅速度慢，而且因?yàn)轱w行高度低，飛機(jī)易受大氣亂流影響，天氣不好時(shí)多數(shù)乘客嘔吐不止，十分難受。

與此同時(shí)，大戰(zhàn)時(shí)期因軍事需要世界各地興建的大型機(jī)場(chǎng)為戰(zhàn)后民航迅速發(fā)展創(chuàng)造了良好環(huán)境，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)和投入使用是民航技術(shù)另一次躍升，不僅使民航飛機(jī)的速度提高，而且使飛行高度跨舉到平流層，提升了安全性和舒適性。

1949年的7月27日，英國(guó)德·哈維蘭飛機(jī)公司研發(fā)的具有劃時(shí)代意義的飛機(jī)——“彗星”客機(jī)成功首飛。

圖9 英國(guó)德·哈維蘭飛機(jī)公司研發(fā)的“彗星”客機(jī)

“彗星”是人類航空史上第一款噴氣式客機(jī)，外形采用常規(guī)布局，但是4臺(tái)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)并未像二戰(zhàn)后常見的大型轟炸機(jī)與運(yùn)輸機(jī)一般采用下掛式發(fā)動(dòng)機(jī)，而是獨(dú)樹一幟的將四臺(tái)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，每?jī)膳_(tái)一組安置在機(jī)身兩側(cè)的翼根處，使發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道與排氣管嵌入機(jī)翼內(nèi)部，相對(duì)而言減小了飛行時(shí)的阻力，提升了飛行速度，“彗星”客機(jī)使用的是德·哈維蘭公司自研的“幽靈”發(fā)動(dòng)機(jī)，這是采用離心式壓氣機(jī)設(shè)計(jì)，單臺(tái)推力達(dá)到2270千克以上。

“彗星”客機(jī)在安全性上相比之前的螺旋槳客機(jī)有了極大的改善，“彗星”的機(jī)身表面包覆了一層0.5厘米厚度的鋁制蒙皮，飛行時(shí)可飛越氣象條件復(fù)雜的對(duì)流層，進(jìn)入10000米以上氣象環(huán)境穩(wěn)定的同溫層，而在飛機(jī)的操作系統(tǒng)上，德·哈維蘭別出心裁的設(shè)計(jì)了3套相互獨(dú)立的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，假設(shè)當(dāng)某一系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，飛行員仍可以使用另外兩套備用系統(tǒng)保證飛機(jī)的正常飛行。

此外，“彗星”作為一款商用用途的飛機(jī)，它摒棄了此前郵運(yùn)飛機(jī)僅6座的設(shè)計(jì)，采用了客艙左右分列9排，每排4座，左右各兩座，共計(jì)36座的座椅布局。

圖10 “彗星”客機(jī)內(nèi)部

“彗星”的的出現(xiàn)使天空距離民眾的生活不再遙遠(yuǎn)，使遠(yuǎn)渡重洋不必再耗時(shí)漫長(zhǎng)數(shù)月，可以說正是從“彗星”開始民用航空才算是進(jìn)入了“尋常百姓家”。

噴氣時(shí)代的民航客機(jī)發(fā)展

進(jìn)入噴氣時(shí)代，在科技發(fā)展的推動(dòng)下，民航客機(jī)在不同階段呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。

從氣動(dòng)設(shè)計(jì)上看，以“彗星”為代表的第一代噴氣式客機(jī)采用了大展弦比后掠翼，層流平頂翼型，機(jī)翼前后緣往往帶有大面積襟翼。發(fā)動(dòng)機(jī)一般安裝在機(jī)身外，為降低發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)翼氣流的干擾，發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置往往十分重要，波音-707和DC-8采用了后來成為大型客機(jī)標(biāo)準(zhǔn)模式的翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)短艙形式。由于廣泛采用渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，第一代噴氣式客機(jī)油耗高、噪聲大。其巡航速度較高，機(jī)翼升阻比特性較好。

圖11 波音707客機(jī)

第二代噴氣式客機(jī)是20世紀(jì)60年代投入使用的，代表機(jī)型包括美國(guó)波音的727、737和道格拉斯DC-9;英國(guó)原德·哈維蘭公司的三叉戟;蘇聯(lián)的圖-154等。主要技術(shù)特點(diǎn)是采用新的翼型和低涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，降低了耗油率，提高了經(jīng)濟(jì)性。

圖12 英國(guó)德·哈維蘭公司的三叉戟（trident）

在氣動(dòng)設(shè)計(jì)上基本確立了懸臂式下單翼布局，注重低阻力亞聲速翼型的研究和使用，采用尖峰翼型;注重各器件氣動(dòng)干擾，襟翼等增升裝置多采用多段式開縫翼，同時(shí)為了整機(jī)減重，復(fù)合材料開始大量使用。目前，第二代客機(jī)的改型仍是世界范圍內(nèi)中短程航線上的主力機(jī)型。

第三代噴氣式客機(jī)于20世紀(jì)70年代投入使用，代表機(jī)型包括美國(guó)的波音-747、道格拉斯DC-10;歐洲空中客車公司的A300和蘇聯(lián)的伊爾-86等。第三代噴氣式客機(jī)是針對(duì)世界客運(yùn)量的飛速增長(zhǎng)而研制的寬體客機(jī)，機(jī)身直徑可達(dá)6米左右，是第二代客機(jī)的1.5倍，起飛質(zhì)量最大可達(dá)300噸以上，載客量可達(dá)400人以上。

第三代噴氣式客機(jī)動(dòng)力裝置開始采用推力更大、耗油率更低的高涵道比渦扇式發(fā)動(dòng)機(jī)，噪聲和振動(dòng)水平大大降低。乘客的舒適性和航空公司的收益因此大大改善。

第四代噴氣式客機(jī)研制始于20世紀(jì)70年代，80年代投入使用。當(dāng)時(shí)國(guó)際上出現(xiàn)了石油危機(jī)，因而這一代飛機(jī)特別強(qiáng)調(diào)降低運(yùn)營(yíng)成本，提高經(jīng)濟(jì)性。主要有波音757和波音767、歐洲空客的A310、A320和蘇聯(lián)的伊爾-96、圖-204等。

圖13 空中客車推出的A300客機(jī)

圖14 蘇聯(lián)的伊爾-96客機(jī)

第四代噴氣式客機(jī)屬于半寬體機(jī)，強(qiáng)調(diào)的是進(jìn)一步改善經(jīng)濟(jì)性，載客量一般是200人左右，主要用于中短程航線。在發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了更先進(jìn)的高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，耗油率有所降低，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝臺(tái)數(shù)普遍改為兩臺(tái)。在氣動(dòng)設(shè)計(jì)上，除了精心設(shè)計(jì)機(jī)翼形狀、襟翼裝置外，最大的特點(diǎn)是采用了超臨界翼型，另外安裝翼梢小翼也成了新型第四代客機(jī)的特點(diǎn)。同時(shí)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，采用了先進(jìn)的電子系統(tǒng)，包括安裝電傳操縱系統(tǒng)，改善了駕駛性。

第五代噴氣式客機(jī)于20世紀(jì)90年代投入使用，主要型號(hào)有美國(guó)波音777、空客A330、A340和俄羅斯的圖-96等。

這一代飛機(jī)在設(shè)計(jì)上除增加載客量、提高適應(yīng)性外，繼續(xù)探索降低油耗，提高經(jīng)濟(jì)性。采用的技術(shù)措施有：安裝耗油率更低、排污更小、噪聲更低、涵道比更高、推力更大、維護(hù)性更好的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī);加大復(fù)合材料的用量;進(jìn)一步加大展弦比或加裝翼梢小翼提高氣動(dòng)效率，采用超臨界翼型或高效亞聲速翼型。

進(jìn)入新世紀(jì)，波音和空客的競(jìng)爭(zhēng)依舊白熱化。2009年12月15日，波音公司推出的全新型號(hào)波音787，這是一款航空史上首架超遠(yuǎn)程中型客機(jī)，它變體機(jī)型中典型的三層座位設(shè)計(jì)能容納242至335名乘客。波音787的最大特點(diǎn)是大量采用先進(jìn)復(fù)合材料建造飛機(jī)骨架、超低燃料消耗、較低的污染排放、高效益及舒適的客艙環(huán)境。

圖15 空客A340客機(jī)

作為老對(duì)手，空客公司對(duì)應(yīng)開發(fā)了雙發(fā)遠(yuǎn)程寬體客機(jī)A350。這款寬體飛機(jī)應(yīng)用了最新的空氣動(dòng)力學(xué)成果、最先進(jìn)的設(shè)計(jì)和技術(shù)，機(jī)身全部采用碳纖維復(fù)合材料制造，機(jī)體結(jié)構(gòu)重量更輕，與波音777相比，燃油效率提高了25%。進(jìn)一步減少了油耗，同時(shí)更易于維護(hù)。

如今，除了第一代噴氣式客機(jī)之外，第二代、第三代、第四代和第五代同時(shí)都在使用，他們各自在遠(yuǎn)近不同、繁忙程度不同的航線上發(fā)揮著作用。而航空科技的腳步并未停止，未來也必將會(huì)出現(xiàn)更舒適、更快速、更安全的民航客機(jī)。

圖16 波音公司推出的787寬體客機(jī)

圖17 空客公司推出的A350寬體客機(jī)