波音777X的變革和啟示

譚昕

在波音百年的發展歷程中，777無疑是一款極為成功的機型。在波音推出777之前，人們要實現遠程越洋飛行，唯一的選擇就是乘坐747。1995年，第一代波音777投入運營，航空公司在遠程越洋航線上有了雙發寬體客機這一選項。也就是從那時起，全球機隊的飛機構成有了巨大的變化。

隨著波音對777的不斷改進，第二代777在保持雙發經濟性的同時，在航程上也有了新的突破，一舉打破了傳統四發寬體客機壟斷遠程航線的格局。如此一來，777不僅搶占了空客A340的市場份額，也將自家的“空中女王”747客機一并刺翻在地。

如今，為了應對空客A350系列飛機的挑戰，波音在2013年迪拜航展上宣布啟動第三代777飛機的研發，并將其命名為777X。作為777的終極改進款，777X不僅繼承了前兩代飛機的優點，還采用了大量新技術。根據波音的計劃，777X將在2020年左右投入航線運營。鑒于此前成功的市場表現，波音對777X寄予厚望。波音曾公開表示，從第一代777投入運營開始，波音在這一細分領域一直保持著巨大的優勢。截至2017年11月，777X已經獲得326架確認訂單和承諾訂單，由此可見其受歡迎的程度。

大趨勢：雙發替代四發

近日有外媒報道，由于空客A380的最大買家阿聯酋航空有意采購波音787，使得空客未來或許不得不被迫終止耗資近110億歐元的A380項目。當初，空客研制A380的一個重要原因就是要與波音747爭奪市場份額。由于客戶需求的轉變，A380的銷售不及預期，而波音也開始考慮停產747。

在此背景下，波音和空客不得不將研發重點轉向“大型雙發”寬體客機。從近年來制造商公布的業績報告來看，這一類型的飛機基本占到企業利潤的30%以上。長期以來，波音在這一市場占據優勢地位，空客為此相繼推出了A350和A330neo進行競爭。

為了鞏固既有優勢，波音在2013年宣布啟動777X飛機的研發。根據波音的規劃，777X將會推出777-8X和777-9X兩款機型。其中，前者將與空客A350-1000直接競爭，后者則是同級別中的唯一機型。在推力高達15800磅的全球最大商用發動機GE9X的助力下，波音777-8X的續航里程可以達到17220公里，最多可以容納350名乘客。尺寸更大的777-9X載客量雖然可達到400人，但航程有所減少，為15185公里。

2017年10月，首架777-9X飛行試驗機的翼梁在埃弗雷特工廠開始組裝。根據計劃，波音將在2018年生產6架777-9X，其中4架為飛行試驗機，另外2架分別為靜力試驗機和疲勞試驗機。首架試驗機預計將在2018年下線，2019年2月首飛。另外3架試驗機則計劃在2019年年中完成首飛。與此同時，波音也開始了航程更遠的777-8X的初始設計工作。

在777X項目上，波音對新技術的應用可謂不遺余力。相比787，波音升級了777X的飛行控制律，采用了787上所采用的新一代可變彎度后緣裝置和操縱載荷減緩系統，這些將使飛機的綜合效率和駕駛、乘坐品質得到進一步提升。此外，777X還繼承了787先進的工程技術和創新的內飾設計，并通過大量使用復合材料來實現更加輕量化的機身配重，這種設計將直接影響飛機的經濟性。波音宣稱，與競爭對手的同類機型相比，777X的油耗將減少12%，運營成本降低10%。

生產領域的重大創新

盡管從嚴格意義上來講，777X算不上是一款全新的機型，但依托這個項目，波音對生產體系進行了大膽變革。

經過20多年發展，通過大量使用自動化裝配技術，波音已經大幅提高了飛機裝配的質量和效率。從最初的用機器人進行飛機機身組裝，到如今在777X項目中采用完全自動化的手段生產當今世界上尺寸最大的復合材料機翼，在777X項目的引領下，波音公司的飛機生產模式發生了巨大變化。這些變化也預示著波音在企業戰略方面的成功。畢竟從長遠來看，生產效率將在很大程度上決定企業的市場占有率。

2013年，當波音決定啟動777X項目時，正值787項目遭遇進度延期、成本超支等諸多問題。為此，波音邀請了包括當時已經退休的777項目副總裁在內的多位行業專家共同探討777X是否要突破傳統的生產模式。專家討論后決定，要依托777X項目應用更多自動化生產技術，讓波音的生產體系邁上一個新臺階。

2014年，波音決定將777X的生產基地設在華盛頓州的皮吉特灣地區，并在那里新建一個造價10億美元、占地100萬平方英尺的復合材料機翼中心，該中心將主要用來制造波音777X的復合材料機翼（機翼長114英尺，寬23英尺）。2016年，用于生產777/777X的40-27號廠房完成擴建，面積增加了32.5萬平方英尺。

項目引領技術創新

雖然777X從外形上看與上一代777沒有太大的變化，仍采用金屬機身，但它采用了GE公司最新研制的GE9X發動機。此外，波音對機翼的改良是777X的又一個亮點。777X的機翼不僅是可折疊的，而且還是當前最大的復合材料機翼。對于波音來說，這款機翼無論是設計、制造還是未來的取證、運營都將面臨新的挑戰。

目前，首架試驗機左翼的單片前緣和后緣復合材料翼梁由波音復合材料機翼制造中心生產。由于777X的翼展近72米，在制造過程中將會面臨很多過去從未遇到過的問題，因此該制造中心研發了許多新的生產工藝。例如，在翼梁組裝中，波音復合材料機翼制造中心將32.9米（108英尺）的翼梁作為一個單獨的、連續的結構來進行生產，這與傳統的制造工藝有很大的不同。此前，長翼梁都需要分段進行生產，然后再用螺栓連接起來，后來又用膠接的方法進行連接。如今，波音依托新技術和新設備，可以將翼梁作為一個整體進行加工。777X的翼梁，特別是前梁，為了保持最佳的氣動外形，向翼尖方向帶有漸變的梯形剪切，其外形是曲線帶有拐折，這種形狀的翼梁整體加工難度相當大。

另一個波音正在攻克的難題則是折疊翼尖的使用。眾所周知，機翼是用阻力換取升力的裝置，機翼越是細長，升阻比就越高。因此，為了進一步增加航程，提高飛機的經濟性能，777X擁有更大的展弦比和翼展。這引發了一個問題，那就是細長的機翼不僅在設計和制造上難度很大，在適航取證和運營中也會遇到很多問題。例如，機場是按照飛機的著陸重量和占用停機位的寬度來收費的，如果飛機的翼展特別大，那么航空公司將被收取額外的費用。為解決這一問題，波音的設計師們想到了折疊翼尖的方法。

事實上，在軍用航空領域，折疊翼尖并不是什么新技術，艦載飛機很早就開始使用這項技術。波音對于折疊翼的設計和制造也是十分熟悉的，其收購的麥道公司就曾是實力很強的艦載飛機制造商。因此，早在第一代777飛機設計之初，波音就曾提出這一設想，但當時并沒有得到客戶的認可。這主要是因為客戶不僅擔心折疊翼額外的重量和可靠性，還對適航取證的問題有所顧慮。

到了第三代777飛機時，要想再進一步提升飛機的經濟性，可折疊翼尖就成為一個必然的選擇。在波音的設計中，777X的翼展達到71.8米，折疊翼尖后，翼展縮短到64.8米。為了便于機場運作并降低航空公司的運營費用，飛機在起飛前，翼尖放下、鎖定，折疊段和固定段形成完整的大展弦比機翼，從起飛、巡航、降落接地，這期間機翼一直保持在這個狀態。降落后在跑道減速滑行時，當速度低于一定閥值后，翼尖向上折疊。此后一直到登機橋，都可以按照65米以下標準翼展的普通飛機進行處理，不會增加航空公司的費用。

目前，波音正在777X的系統集成試驗室進行機翼折疊系統的典型生產試驗。777X的折疊翼梢結構由利勃海爾研制，可折疊剖面和鉸鏈區采用鋁材料來提高翼尖的載荷分配。波音希望，翼尖折疊結構能夠盡可能簡單化。在接下來的一系列試驗中，波音將測試該結構在極高、極低溫度下的使用情況。這項試驗預計將持續到2018年12月。與此同時，還有更多的部件級和子系統級試驗將在利勃海爾進行，其中包括翼尖系統的電子機械傳動器、動力驅動裝置、液壓馬達、折疊子系統、插銷、二次上鎖系統等。

目前，波音正積極與美國聯邦航空局（FAA）就折疊翼的適航認證進行探索。盡管777X是在777基本型上進行附加認證，但由于折疊翼與原來的設計偏離太大，因此這一部分必須進行重新認證。實際上，波音早在4年前已經就此問題與FAA開展了合作研究。

對于FAA來說，對777X折疊翼的認證不僅針對其在正常使用條件下的強度、使用壽命，還要特別關注折疊結構的可靠性和故障問題。如果機翼在起飛或者飛行狀態中不能正常打開，或者發生意外折疊，翼展和翼面積就會低于設計要求，使飛機損失相應的升力。如果出現一側打開而另一側未能打開的情況，還會出現不對稱升力和阻力。作為使用折疊翼最多的用戶，美國海軍在歷史上就曾出現過不少在飛行過程中折疊翼出現故障的情況。

因此，FAA針對777X的折疊翼已經提出了3個必須滿足的條件。首先，對飛機起飛時或飛行中出現折疊翼沒有放下或鎖定不可靠時，要有額外警示。第二，需要確認折疊翼的受力承載極限。第三，需要證明地面側風對折疊后翼尖的影響在可接受范圍內。

FAA提出的這些條件與飛行安全有直接的關系。以第二個條件為例，由于機翼是有一定彈性的，初次坐飛機的人可能會驚訝地發現，機翼在飛機飛起來之后兩端向上翹了。對于波音787這樣的復材機翼來說，上翹格外明顯，坐在中間位置的旅客可能都看不到翼尖了。而波音777X也采用了復合材料機翼，如遇強烈氣流擾動，機翼還會劇烈抖振，這是機翼的結構彈性所導致的。這樣的彈性在平時并無大礙，但彈性過度的話，可能會造成結構扭轉和控制反轉。比如說，放下襟翼的作用是增升，但機翼結構太軟的話，襟翼造成的額外升力將迫使結構發生扭曲，后緣相對上抬，反而造成機翼整體迎角下降，導致升力損失，如果出現這種情況是非常危險的。

為此，波音在華盛頓州埃弗雷特建立了相應的試驗室，全方位測試折疊結構的可靠性。此外，波音還在西雅圖以南的波音機場附近新建了一個全尺寸試驗設施，進一步對折疊結構進行專項測試。在2017年迪拜航展期間，波音展示了符合FAA要求的777X駕駛艙和折疊翼操作界面。從777X機翼的創新中，我們不難看出，當出現創新設計與技術時，研制方、認證方乃至使用方之間的良性互動對于項目的發展來說是極為重要的，這一點十分值得中國民機產業學習和借鑒。