1 C2 v6 l8 B# x* E波音有可能对椭圆截面和2+3+2是认真的,但双通道能用的新技术也可以用于单通道,使得双通道由于结构重量劣势而永远吃亏。更大的重量不仅耗油,还增加了机场着陆费用,跑道使用是按飞机重量计价的。双通道还要求双倍的乘务员,同时对两个通道两边的乘客提供机上服务。 - G3 Z) _& L' d/ \% u9 P3 L & p' s: b( d" P1 h# z! s& h双通道的舒适性优点在某种程度上几乎不重要,绝大多数旅客按票价订票,绝少有按飞机型号订票的。最重要的是,波音NMA需要竞争的不仅是现在的A321NEO,还有空客必然跟踵而来的应对。波音有过推出“音速巡航者”而有缩回去的前科,当年这正是作为波音767的换代提出来的,撞墙后改用波音7E7的名义再推出,最后成为波音787。事实上,波音在造势已久后,在2017年巴黎航展上最后还是没有公布NMA。 + q; z2 @3 [- D! c1 J4 J& A" x# ]6 t) R5 V
另一方面,NSA和NMA要是共享机体,可以大量节约工程设计和制造工装的开支。传统的圆筒-机翼布局之所以经久不衰,部分原因在于制造上的便利,圆筒的受力情况良好,框架和蒙皮结构容易批量制造,降低成本。共用相同的机体直径和基本结构设计的话,不仅减少工程研发开支,还有规模经济的好处。 6 Q e4 w8 F- j. O 9 q2 v$ S5 N/ `0 }空客A320的机体比波音737加宽6英寸,使得座位可以从17英寸加宽到18英寸,赢得了舒适的口碑。NMA/NSA要重夺制高点,并打退包括C919、MC-21的挑战者,可能需要比A320进一步加宽6英寸。这给NMA/NSA前所未有的自由度,既可以为NMA加宽座椅,改善舒适,又可以为NSA加宽通道,加速登机、离机。据研究,30英寸的通道可以并排容纳一个旅客及其滑轮箱,使得单通道的登机、离机效率接近双通道。# R* R2 W$ @: \/ _4 J
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单通道的NMA/NSA可以通过拉长和缩短满足不同的座位数要求,但要在航程上取得一致就难了。NSA肯定不需要9000-10000公里的航程,按照那个要求设计,对于大量现用波音737的用户就太浪费了。 ( ` Q3 w) K- w4 H4 i, R' [ `' K. L) J2 E+ i5 V( w: E. C
要达到大航程,传统做法是增加燃油量和最大起飞重量。客机的油箱主要在机翼内,增加翼展一方面增加升力,容许更大的最大起飞重量,另一方面也加大翼内油箱容量。但单纯增加翼展和翼面积是面多了加水、水多了加面的“笨”办法。增加展弦比提高升阻比,用较小的阻力代价获得较大的升力,这才是巧办法。( ~1 n( D) J+ Z5 W4 d4 m
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展弦比越高,机翼越是细长,空气可以在更大的展长上得到加速,产生升力,但加速的幅度不必太大,减少了气流分离和种种畸变,提高产生升力的效率,提高升阻比,同时降低了对后掠的要求。后掠翼延迟了激波的形成,有利于提高速度,但斜掠不可避免地产生气流的展向流动,导致一定的升力损失。在不影响飞行速度的情况下,降低后掠角有利于提高升阻比,极端情况当然就是平直翼。滑翔机的机翼就是典型的大展弦比平直翼。但细长机翼的受力不好,气动弹性变形可能造成多种气动反常,如翼尖失速造成机头不可控上扬,或者襟翼副翼动作导致机翼扭转而造成气动控制反转,补强则带来重量增加,抵消了细长机翼的增升作用。复材机翼解决了这些问题,波音787、A350、MC-21都采用了复材,展弦比已经比从传统的9增加到11,后掠角也有所减小,提高了升阻比。采用更先进的主动颤振控制和阵风抑制技术的话,可望把展弦比进一步提高到15。 + A: _8 C" W0 D% P* x- i$ j* d
但更大的展弦比需要全新思维。波音与NASA合作,已经进行SUGAR计划好多年了。SUGAR的全称为Subsonic Ultra Green Aircraft Research,意为亚音速极环保飞机研究,重点是省油、减排、降噪。SUGAR有很多亚型,有涡桨型、涡扇型、氢动力型,最极端的是涡轮-电力混动方案,但在气动上是共同的,最大特点是特大展弦比(可达20-30)和支架翼。 ) E' W6 Q+ V, w% L9 a' K. f5 n: N4 l) j0 D2 z+ l0 S: ~+ J4 q
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0 U" G9 c' G; e+ ?) L* x ' ]: O# j( c9 z) k+ V' v波音SUGAR的几种方案0 a. n" {: J9 l ]
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SUGAR的机翼称为跨音速支架翼(Transonic Truss Braced Wing,简称TTBW),粗看有点像双翼机,只不过下翼缩短到几乎消失,实际上成为斜支架的支点。这也可以作为主起落架的安装点。与常规的悬臂翼相比,TTBW后掠较小,受力设计大大简化,加上支架的加固作用和复材的气动弹性剪裁作用,可以有效地增加细长小后掠翼的刚度。5 }! ^! z5 a* W9 V) c8 r) C
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SUGAR研究表明,TTBW可以省油5-10%,这也可以转化为航程,在技术上可在2030年左右达到成熟。波音SUGAR定位在波音737的大小,设计速度只有M0.7,对于客机来说低了一点,希望增加到M0.8。弗吉尼亚理工学院的研究定位在波音777的大小,没有发现达到M0.85的设计速度有什么原理层面上的拦路虎。NASA计划将最终测试速度提高到M0.9,这对民航客机就足足有余了。' _( h, `& j$ ]
] B9 {- K+ A. w ]TTBW的难点在于颤振预测和抑制,需要在机翼本身刚度和支架强度、形状、位置之间达到最优。支架本身对升阻比的影响、支架与机翼、支架与机体之间的气动交互影响是有待研究的问题,这是比翼下发动机吊舱更加复杂的问题。波音与NASA还在研究中发现,简单的斜撑还不够,需要在斜撑2/3处与机翼下表面之间增加一道竖撑,才能达到需要的刚度。* }& b. N5 N+ K) G
* f" z/ Z) |8 {9 B( y但TTBW可以很容易地按需要放大、缩小,这一点是其他非常规气动方案所不具备的,比如波音翼身融合体(像圆滚滚的飞翼一样,简称BWB)就只适合至少波音777一级的大型飞机,较难用于波音737一级或者更小的中小飞机。值得注意的是,波音SUGAR不仅有波音研究部门参加,波音商用飞机分部也在其中,凸显了近期应用前景。 , v, }- K# J; Z9 S) c9 H ! T7 J, Z0 E4 s. c& E当然,特别细长的机翼也有问题。比如说,SUGAR的翼展从基准的波音737的111英尺增加到173英尺。特大翼展在登机口会造成问题,但可以在着陆后在滑行道上慢速滑跑时将外翼段自动折叠起来,减小占地,离开登机口准备起飞时再打开。这在技术上基于舰载战斗机的折叠机翼,对波音是成熟的,只是大大放大了,在波音777的设计阶段就可供用户选择,只是当时用户都选择更大的登机口间隔,机场费用更高,但省却了维修上的麻烦和可靠性顾虑。最新的波音777X将进一步增加翼展,折叠翼再度拾起,最后是否采用还不知道,但技术不是问题。 , { ?: X2 q. R" E9 D3 o) [ " S2 O, `$ h9 Z; A' g更长远地来说,位置上相当于上单翼的支架翼还适合配用直径更大的下一代发动机,或者涡电混动,甚至液氢动力。SUGAR计划已经有相关研究,在概念层面解决了这些问题。 + G% W/ @* w D+ ?( h5 }7 A: M1 }% f# \. ]" A
TTBW可以解决NMA的航程问题,而NSA可以用下翼位置作为基础,改回重量较轻、设计和制造较简单、因而成本较低的常规悬臂下单翼,适合中短航程的需要。为了保持较短的主起落架,发动机可以考虑安装在翼上,就像HondaJet一样,不仅保持了翼下发动机为机翼减载的作用,“托住”发动机的支架后部还可以延展成适当的屏蔽,降低对地面的噪声投影。这样,NSA和NMA“共用平台”的问题就解决了。 # m: A% U3 D ^: } & t/ P# z7 Y/ J. C5 R0 E这当然只是对NMA和NSA的一个设想,可能离最终实现的现实相距很远。然而,NMA是波音很现实的问题,NSA也是越来越紧迫的问题。长机体的A321NEO不仅以4:1的销量优势压倒波音737MAX-9,还有在A320NEO家族里份量逐渐增大的趋势。现在已经达到30%,预计可以超过50%,愈显波音有效应对的重要性。 # X# X, K, U* O: _9 M+ V) f6 R' y 3 g+ w- c7 l fNMA和NSA不仅是技术问题,更是商业决策问题。作为波音的主要对手,空客现在的占位很好。A320家族的基本技术比波音737要先进20年,结构更加合理,所以换发成为NEO立刻就一炮打响。NMA、NSA可能得益的新发动机也可以用于NEO2.0,在不小程度上抵消来自波音的威胁。在可预见的未来,空客也没有NSA的压力,更换复材机翼又可以赢得很长的第二春,而金属机体对于中短程并不是大问题,复材机体的优点要远程才能显示出来。在MOM方面,A321NEO和A330NEO从两头把MOM区间占住了。只要有需要,空客还可以进一步拉长A321NEO,更换新的机翼和发动机,推出A322NEO。但波音737MAX已经没有这样的可能了,波音787也缺乏向下与A330NEO竞争的优势,基本设计就是为更大、更远考虑的。" W" }8 V0 U) D+ r7 c