嚴峻的挑戰：在機翼上固定發動機

將發動機固定在飛機機翼上可能是一個復雜的挑戰。

在大型飛機上，每當我坐到一個靠窗的座位時，在飛行中就會看到安裝在機翼下的強動力噴氣式發動機，這是一番令人敬畏的景象，特別是在惡劣的天氣中，發動機相對于機翼會產生明顯的偏轉。在為飛行傳輸推力的同時，發動機懸置系統需要保持跟機翼的安全連接，時刻承載發動機的重量，還要承受空氣動力對發動機外殼（引擎機艙）的沖擊，我不禁對發動機懸置系統所需的高科技工程設計驚嘆不已。

飛機發動機通常安裝在被稱為“掛架”（pylon）的細支桿上，使其懸掛在飛機機翼下面的前緣處，這種懸置位置從20世紀40年代以來一直很受歡迎。發動機懸置系統的作用是將發動機固定在飛機上，同時也用來傳遞推力，并允許產生由溫度和受力的波動而引起的偏轉。

在發動機懸置位置的設計方面，由于考慮不周，已經產生了一些意外的后果，如飛機操縱問題和發動機殼體的物理變形問題。

第一架商用噴氣式飛機是1947年德 · 哈維蘭公司的DH.106彗星飛機，其發動機嵌入機翼內，位于靠近機身的翼根部。但在前一年，波音公司開發了一種轟炸機，這種轟炸機的450型號后來被稱為“B-47同溫層噴氣機”，其噴氣發動機吊艙懸掛在機翼下面的掛架上，遠遠超出機翼的前緣。從那時起，航空公司的設計師在很大程度上遵循了波音公司的策略，在機翼下安裝發動機。

飛機發動機懸置是一項復雜的工作。噴氣式發動機中的氣流變化產生推動飛行的推力，通過壓力和摩擦力將推力傳遞到連接發動機殼體的部件和支桿上。最大型的發動機能夠產生高達445 000牛頓的推力，然后發動機殼體上的懸置系統將推力傳遞到機翼掛架上，將飛機推向前進。懸置系統還必須能夠支撐發動機的重量（約9 000千克），并且在飛行中必須能夠承載引擎機艙的空氣動力負荷。由于發動機外殼在溫度和負載方面要經受很大的變化，一些發動機懸置系統設計了轉動能力，使外殼在軸向和徑向自由膨脹和收縮。所有這些因素加起來形成一系列各種各樣的變量，這些變量必須控制在嚴格的參數范圍內，否則結果可能是災難性的。

懸置問題

波音737 MAX發生的兩起致命墜機事故都間接跟發動機懸置問題有關。這款飛機是于2017年3月得到聯邦航空管理局認證后推出的。一起墜機事故發生于2018年10月29日，獅航610號航班起飛后，在印度尼西亞雅加達灣邊緣墜機，機上189人全部遇難。另一起墜機事故同樣是發生在起飛時：2019年3月10日，埃塞俄比亞航空302號航班從亞的斯亞貝巴起飛后墜機，機上157人全部遇難。

這兩起墜機事故共造成346人死亡，結果到2019年3月18日，所有的387架737 MAX飛機在全球范圍內停飛。隨后，波音公司為飛行員提供了更加合理的程序說明和相關培訓，花費巨額財力對造成事故的操作問題和設計問題進行了修復。2020年底到2021年初，監管機構允許737 MAX恢復商業飛行。2023年1月，波音公司被傳出庭面對這些墜機事件的受害者家屬。對于美國政府跟該公司達成的和解條款，受害者家屬們提出質疑。

除了悲慘的人命損失之外，這一系列可怕的事件給波音公司也帶來了重大的財務損失。波音公司曾因擁有長期成功的航空史而受到尊重，此時卻也不得不蒙受聲譽上的損失。雖然估計數據有所不同，但是事故和停飛給波音公司帶來的損失可能達到200億美元或更多，而737 MAX訂單取消帶來的間接損失卻高達600億美元。

最初的波音737于1967年首飛，經歷了近60年的設計。事實證明，在解決了最初一些設計上的小問題后，該型號的飛機是最受歡迎的雙引擎客機。2018年，第10 000架737 飛機從華盛頓州倫頓的波音公司生產車間下線，由發動機制造商CFM國際公司的CFM56渦扇發動機驅動，其風扇直徑為60英寸（1英寸為2.54厘米）。渦扇發動機的功率和燃油效率由所謂的旁通比決定，旁通比就是從發動機周圍繞過的空氣量與通過發動機的空氣量之比。CFM56的旁通比為5：1。 737型客機的引擎機艙進口底部形狀是扁平狀的，這種設計考慮的是能夠使其利用較大的發動機，同時保持必要的17英寸滑行離地間隙。航空業給這種發動機扁平狀的開口起了一個綽號——“倉鼠嘴”。

為了追求更高的燃油經濟性，737 MAX將CFM56發動機替換為CFM國際公司的新型LEAP渦扇發動機。 LEAP表示“前沿航空推進系統”（Leading Edge Aviation Propulsion），這款發動機的旁通比為9：1，因此有著更高的燃油經濟性，其風扇直徑為69.4英寸，能夠提供更強的動力。

隨著風扇尺寸的增加，LEAP發動機在機翼上安裝時，引擎機艙必須比以前的CFM56發動機安裝得略高和更靠前，以便提供必要的離地間隙。然而，這種新的安裝位置和較大的引擎機艙帶來的一個意外后果是：在飛行過程中，會導致空氣渦流離開艙體，在高飛行角度下產生多余的升力，特別是在飛機起飛爬升時，更是如此。由于LEAP引擎機艙位于飛機重心的前面，這種多余的機艙升力會造成輕微影響：使飛機機頭向上傾斜。如果機頭持續上仰，就會使飛機更加接近失速狀態，進而導致飛機升力嚴重損失。

作為有著一定背景的燃氣輪機空氣動力學專家，我本以為波音公司會直接消除多余的引擎機艙升力。這個過程可能需要改變引擎機艙的表面，打破渦流氣流，然后進行大量的風洞測試。

但是，針對LEAP機艙多余的升力，波音公司的工程師并沒有進行空氣動力學修復，而是創建了一個自動防失速軟件，名為“機動特性自動調節系統”（MCAS）。MCAS軟件代碼詳細說明了737 MAX尾部安裝的水平穩定器如何自動進行調整，以對抗多余的機艙升力。這個飛行控制軟件依靠的是機身上安裝的傳感器所感知到的飛行角度（稱為攻角）。傳感器的故障，外加MCAS系統的缺陷，是導致兩起737 MAX致命墜機的原因。

波音公司對737 MAX選擇了安裝MCAS控制系統，該方法可能更為方便，然而付出的代價卻是許多生命的瞬間逝去，從長遠來看還可能會給公司帶來更大的損失。

解決扭曲問題

LEAP發動機安裝問題背后的許多工程細節仍然是受專利保護的，但是其他案例可以提供某些啟示。

對于早先產生的發動機安裝問題，我可以憑我的親身經歷做出更加詳盡的描述，這次涉及的是標志性的波音747飛機。1969年2月9日，波音747進行了首飛，這種四引擎飛機是第一款商用巨型噴氣式飛機，是迄今為止開發得最成功的寬體客機。到目前為止，波音公司已生產了1 500多架747飛機。在華盛頓州埃弗雷特，波音747的生產經歷了半個多世紀，于2022年停產。

普惠飛機公司是一家坐落在康涅狄格州的發動機生產公司，現在為雷神技術公司旗下的一家子公司。20世紀60年代，我作為普惠公司的一名年輕工程師，曾經親自參與首臺PWA JT9D發動機在747 飛機上的安裝工作，解決安裝時出現的問題。

首飛后不到6個月，就發現JT9D發動機外殼產生了過度彎曲和橢圓化——扭曲成非圓形，這是起飛時高達194 000牛頓的推力負荷造成的。橢圓化變形導致渦輪機和壓氣機的葉片與發動機殼體內部發生摩擦，致使葉片尖端間隙的功率消耗增加，結果使推力嚴重下降，油耗增加，比制造商保證的油耗要高7%。

波音公司和普惠公司基本上把凈資產全押在747 飛機上。有一次，在波音公司的埃弗雷特停機坪上，15架四引擎的747噴氣式飛機停在上面，但它們并沒有安裝引擎，這代表著3.6億美元的資產擱淺，以2023年的美元計算，當時擱淺的資產超過了20億美元。那時，讓這些飛機升空在工程上和商業上都是必須要做的事情。正如《時代》（Time）雜志在1969年9月報道的那樣：

在華盛頓州埃弗雷特，波音公司工廠外的停機坪上停放著15架巨大的747噴氣式飛機，它們高高聳立，默默待飛，預示著航空業新時代的到來。這些飛機上噴涂的顏色代表著幾家國際航空公司：環球航空、泛美航空、漢莎航空、法國航空。然而，就目前而言，這些飛機只不過是世界上最大的滑翔機而已，因為它們沒有安裝發動機。泛美航空本來計劃在11月下旬首次購買三架這樣的巨型商用飛機，每架可容納362名乘客。然而，波音公司官員尷尬地表示，交付要推遲多達8周之久，因為普惠公司JT9D發動機在性能方面尚有難題。

像這樣的重大問題發生時，發動機公司將會嘗試多種途徑來尋找原因和解決辦法。在我經手的這個案例中，我與一個工程團隊合作，對可能導致發動機殼體變形的熱效應進行調查。結果發現變形屬于結構性問題，是由渦輪機殼體上主推力支架的位置問題引起的，然后就結束了多種途徑的調查方法。

隨后，普惠公司的結構工程師對JT9D發動機靜態的殼體進行了大量的偏轉測試和分析。他們發現：如果利用兩個推力安裝點，周向相隔90度，不管在發動機殼體上的什么軸向位置安裝，那么一個安裝點產生的橢圓化效應將抵消另一個安裝點產生的橢圓化效應，這樣會大大減弱殼體的整體變形。這種利用兩點抵消變形的方法非常有效，甚至拓展測試的結果顯示：兩個安裝點可以相隔多達120度，殼體變形的降低程度仍然可以接受。

然后，普惠公司的團隊設計了一個Y形鈦管推力框架，兩分支的頭部通過兩個固定的安裝點緊固在壓縮機周圍的殼體上，相距約120度。推力框架的主干通過一個軸向滑動的接頭連接到渦輪機箱后部的支架上，以適應發動機的軸向長度變化，而該支架被剛性地固定在塔架上。

隨后的發動機測試表明，新的推力框架大大降低了橢圓化效應。經過改進，發動機可以達到最大推力，而殼體變形微乎其微，其性能也符合所保證的能耗規格。新的推力框架在普惠公司被稱為“操縱桿”，為重達3 900千克的JT9D發動機增加了大約74千克的重量，另外還需要為發動機的幾個外部部件進行重新定位。這種推力框架作為一個附加裝置，安裝后沒有必要對發動機進行額外的聯邦航空管理局認證，但它解決了威脅到波音公司和普惠飛機公司財務前景的橢圓化問題。

噴氣發動機的安裝問題繼續向研究機身和渦噴發動機的工程師發起挑戰。由于受專利保護的緣故，公開文獻中發布的內容并不多。但是從專利列表中也可以了解到在噴氣發動機安裝方面正在進行的技術活動。

新型齒輪傳動風扇發動機的旁通比為12：1，通用電氣公司新型GE9X渦扇發動機的風扇直徑為178英寸。在不斷追求航空燃油經濟性的過程中，發動機的旁通比不斷增加，風扇尺寸不斷增大，在機翼下安全地安裝發動機仍將是一項艱巨的任務。

資料來源 American Scientist

本文作者李 · 蘭斯頓（Lee S. Langston）是康涅狄格大學機械工程學榮譽教授。由于早先在燃氣輪機行業從事過工程技術工作，他經常撰寫關于燃氣輪機技術方面的文章