民航客機：便捷的“空中巴士”

蕭恩

相對于軍用運輸機，事實上，我們普通人能夠接觸到的更多的是民航客機。盡管都叫運輸機，都是用來運送人或者物品的，但是其實兩者的區(qū)別還是非常大的。

早期運輸機“不分軍民”

回顧人類航空歷史的早期，飛機并沒有軍用和民用之分。

第一次世界大戰(zhàn)結束后，隨著軍事需要的劇然減少，飛機才開始應用于民間的郵政及交通運輸。不過這些擔負和運輸任務的飛機，多由軍用轟炸機改裝而來，僅做一些簡單的改裝就用于運輸郵件、貨物和旅客了。

但是采用這種改裝后的運輸機來進行人員及貨物的運輸，所面臨的最大問題在于無法實現(xiàn)運營的經(jīng)濟性，而隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展和被用于國民經(jīng)濟的各部門，飛機便分成了軍用和民用兩大類。

與此同時，兩種類型的運輸機的差異性也越來越明顯。

簡單的說，軍用運輸機是用于空運兵員、武器裝備，并能空投傘兵和軍事裝備的飛機。這就要求這種飛機具有能在復雜氣候條件下飛行和在比較簡易的機場上起降的能力。有的還裝有用于自衛(wèi)的武器和電子干擾設備。

圖1 美軍C-130H軍用

除此以外，軍用運輸機的發(fā)動機的輸出功率要比客機高得多。這是由于軍用飛機要經(jīng)常出現(xiàn)在戰(zhàn)場上，幾乎不可能有專門的機場提供起飛，而且還需要搭載很多貨物。

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

現(xiàn)代民航客機出現(xiàn)于1933年

圖2 波音787寬體客機

在上世紀20年代歐洲在民用飛機的發(fā)展處于領先地位，除了英、法、德等國各自發(fā)展外，荷蘭的福克廠一系列優(yōu)秀的民用飛機迭創(chuàng)長程飛行記錄。

荷蘭人安東尼·福克從1919年的4人座單發(fā)動機的F.2開始，才開發(fā)了一系列純民用飛機。1925年，福克再度以他的木質福克F.7開創(chuàng)三發(fā)動機飛機設計的新潮流。F.7是當時唯一一架有封閉機艙的飛機，能夠相對舒適地運送7名乘客。

1926年，位于美國底特律的福特汽車公司推出一種全金屬三個發(fā)動機的Ford Tri Motor 。該機采用全金屬結構，能夠容納15名乘客，共制造了199臺，可以滿足早期航空公司幾乎所有的需求。這款代號為“錫鵝”（Tin Goose）的飛機成為20世紀20年代末至30年代初之間最早的飛機客運服務的支柱。

圖3 福特汽車公司推出的Ford Tri Motor“錫鵝”飛機，具有三個全金屬發(fā)動機

圖4 福特“錫鵝”客機內部

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

圖5 波音公司制造的80A-1飛機

進入30年代后，世界航空發(fā)展的優(yōu)勢逐步落到美國。

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

圖6 波音274客機

美國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，再推出加長型的14座DC2。由于航空公司反應不錯，遂又開發(fā)了加寬機身、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，后來簡稱為“麥道”公司）兩家公司長達數(shù)十年的競爭，直到1996年底波音將麥道公司兼并為止。

圖7 道格拉斯公司生產的DC3客機

DC3的投入運營，將航空運輸變得可以盈利。這是一款革命性的機型，一共生產了13000余架。

30年代的美國，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。為滿足環(huán)球航空公司對增壓座艙、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/超級星座式」客機的設計。第一架星座機于1943年1月飛行，它比競爭對手DC3的后繼機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式起落架的客機/運輸機。為了和星座機競爭，道格拉斯公司還研制了DC4的加長型，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計了加長型的DC7。

圖8 道格拉斯公司生產的DC4客機

波音公司也在B-29“超級空中堡壘”轟炸機的基礎上發(fā)展成民用型的B377，采用4具R4360型發(fā)動機，每個發(fā)動機的汽缸高達28個，構造復雜但扭力驚人，是往復式發(fā)動機最終極致的發(fā)展，不過該機在市場上并不成功。

“彗星”讓民用航空走進普通大眾

二次大戰(zhàn)結束帶來民用航空運輸?shù)呐d旺發(fā)達。

1946年，全球空運旅客達1800萬人次，其中三分之二是美國國內航空公司運送的。但當時使用的往復式飛機，不僅速度慢，而且因為飛行高度低，飛機易受大氣亂流影響，天氣不好時多數(shù)乘客嘔吐不止，十分難受。

與此同時，大戰(zhàn)時期因軍事需要世界各地興建的大型機場為戰(zhàn)后民航迅速發(fā)展創(chuàng)造了良好環(huán)境，噴氣發(fā)動機的出現(xiàn)和投入使用是民航技術另一次躍升，不僅使民航飛機的速度提高，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，英國德·哈維蘭飛機公司研發(fā)的具有劃時代意義的飛機——“彗星”客機成功首飛。

圖9 英國德·哈維蘭飛機公司研發(fā)的“彗星”客機

“彗星”是人類航空史上第一款噴氣式客機，外形采用常規(guī)布局，但是4臺噴氣式發(fā)動機并未像二戰(zhàn)后常見的大型轟炸機與運輸機一般采用下掛式發(fā)動機，而是獨樹一幟的將四臺噴氣式發(fā)動機，每兩臺一組安置在機身兩側的翼根處，使發(fā)動機的進氣道與排氣管嵌入機翼內部，相對而言減小了飛行時的阻力，提升了飛行速度，“彗星”客機使用的是德·哈維蘭公司自研的“幽靈”發(fā)動機，這是采用離心式壓氣機設計，單臺推力達到2270千克以上。

“彗星”客機在安全性上相比之前的螺旋槳客機有了極大的改善，“彗星”的機身表面包覆了一層0.5厘米厚度的鋁制蒙皮，飛行時可飛越氣象條件復雜的對流層，進入10000米以上氣象環(huán)境穩(wěn)定的同溫層，而在飛機的操作系統(tǒng)上，德·哈維蘭別出心裁的設計了3套相互獨立的液壓驅動系統(tǒng)，假設當某一系統(tǒng)發(fā)生故障時，飛行員仍可以使用另外兩套備用系統(tǒng)保證飛機的正常飛行。

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

圖10 “彗星”客機內部

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

噴氣時代的民航客機發(fā)展

進入噴氣時代，在科技發(fā)展的推動下，民航客機在不同階段呈現(xiàn)出不同的特點。

從氣動設計上看，以“彗星”為代表的第一代噴氣式客機采用了大展弦比后掠翼，層流平頂翼型，機翼前后緣往往帶有大面積襟翼。發(fā)動機一般安裝在機身外，為降低發(fā)動機與機翼氣流的干擾，發(fā)動機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標準模式的翼吊發(fā)動機短艙形式。由于廣泛采用渦輪噴氣式發(fā)動機，第一代噴氣式客機油耗高、噪聲大。其巡航速度較高，機翼升阻比特性較好。

圖11 波音707客機

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

圖12 英國德·哈維蘭公司的三叉戟（trident）

在氣動設計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;注重各器件氣動干擾，襟翼等增升裝置多采用多段式開縫翼，同時為了整機減重，復合材料開始大量使用。目前，第二代客機的改型仍是世界范圍內中短程航線上的主力機型。

第三代噴氣式客機于20世紀70年代投入使用，代表機型包括美國的波音-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。第三代噴氣式客機是針對世界客運量的飛速增長而研制的寬體客機，機身直徑可達6米左右，是第二代客機的1.5倍，起飛質量最大可達300噸以上，載客量可達400人以上。

第三代噴氣式客機動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)動機，噪聲和振動水平大大降低。乘客的舒適性和航空公司的收益因此大大改善。

第四代噴氣式客機研制始于20世紀70年代，80年代投入使用。當時國際上出現(xiàn)了石油危機，因而這一代飛機特別強調降低運營成本，提高經(jīng)濟性。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

圖14 蘇聯(lián)的伊爾-96客機

第四代噴氣式客機屬于半寬體機，強調的是進一步改善經(jīng)濟性，載客量一般是200人左右，主要用于中短程航線。在發(fā)動機上采用了更先進的高涵道比渦扇發(fā)動機，耗油率有所降低，發(fā)動機安裝臺數(shù)普遍改為兩臺。在氣動設計上，除了精心設計機翼形狀、襟翼裝置外，最大的特點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的特點。同時，隨著技術的進步，采用了先進的電子系統(tǒng)，包括安裝電傳操縱系統(tǒng)，改善了駕駛性。

第五代噴氣式客機于20世紀90年代投入使用，主要型號有美國波音777、空客A330、A340和俄羅斯的圖-96等。

這一代飛機在設計上除增加載客量、提高適應性外，繼續(xù)探索降低油耗，提高經(jīng)濟性。采用的技術措施有：安裝耗油率更低、排污更小、噪聲更低、涵道比更高、推力更大、維護性更好的渦扇發(fā)動機;加大復合材料的用量;進一步加大展弦比或加裝翼梢小翼提高氣動效率，采用超臨界翼型或高效亞聲速翼型。

進入新世紀，波音和空客的競爭依舊白熱化。2009年12月15日，波音公司推出的全新型號波音787，這是一款航空史上首架超遠程中型客機，它變體機型中典型的三層座位設計能容納242至335名乘客。波音787的最大特點是大量采用先進復合材料建造飛機骨架、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

作為老對手，空客公司對應開發(fā)了雙發(fā)遠程寬體客機A350。這款寬體飛機應用了最新的空氣動力學成果、最先進的設計和技術，機身全部采用碳纖維復合材料制造，機體結構重量更輕，與波音777相比，燃油效率提高了25%。進一步減少了油耗，同時更易于維護。

如今，除了第一代噴氣式客機之外，第二代、第三代、第四代和第五代同時都在使用，他們各自在遠近不同、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，未來也必將會出現(xiàn)更舒適、更快速、更安全的民航客機。

圖16 波音公司推出的787寬體客機

圖17 空客公司推出的A350寬體客機