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波音777X折叠翼尖之路 值得中国借鉴的经验

2017-11-24 07:12:00

波音777是划时代的。第一代波音777是作为中远程、大容量、双发宽体客机研制的,但更大推力、更省油的发动机和更大的起飞重量使得第二代波音777在保持双发经济性的同时,成为远程客机,一举打碎了传统的四发客机的天下。空客的A340首先被谋杀了,A380至今还在赔本赚吆喝,有可能玩不下去了,而波音自家的千年不倒的空中女王波音747也被刺翻在地。

现在,波音正在研制第三代777,公司代号为波音777X。为了进一步增加航程和改善经济性,第三代777具有更大的展弦比和翼展。也就是说,机翼更加细长了。飞机靠机翼飞起来,机翼是用阻力换取升力的装置,细长机翼的升阻比更高,滑翔机的机翼特别细长就是这个道理。但太细长的机翼不仅设计和制造上困难,在运作上也有问题。机场的跑道问题还不大,不大可能出现翼展太大的机翼刮到跑道两侧障碍物的事情。但滑行道和停机坪就不一定那么宽敞,停机位更是有宽度限制。机场对飞机是按照着陆重量和占用停机位的宽度收费的,特别占地方的大翼展飞机要多收费,对航空公司的盈利不利,省油的效益被多缴的机场费抵消掉好多。

为了便于机场运作和降低航空公司费用,波音在第三代777上采用可折叠的翼尖。在起飞前,翼尖放下、锁定,折叠段和固定段形成完整的大展弦比机翼,从起飞到升空到巡航到降落接地,机翼一直保持在这个状态。降落后,在跑道上减速滑行时,当速度低于一定阈值后,翼尖向上折叠,便于机场运作。此后一直到登机桥,都可以按照65米以下标准翼展的普通飞机处理。

按照设计,机翼折叠可自动操作,也可手动操作。由于现代客机座舱高度玻璃化,大量传统仪表和开关都电子化了,已经没有传统客机驾驶舱里密密麻麻的开关了,头顶仪表板上新设的折叠翼扳手开关和警告灯特别显眼。扳手指向直观地标示了翼尖位置。飞行员可以手动拨动扳手,控制翼尖的放下或者折叠。在自动状态下,扳手开关也自动地指向当前位置,便于飞行员准确判断。在仪表板的大型显屏上,翼尖折叠状态还与发动机、导航等重要信息一起,有另外的显示符号专门标示。

折叠翼尖不是新技术。海军的舰载飞机早就使用折叠翼技术了,以节约舰上的占地。波音对折叠翼的设计和制造是熟悉的,购并进来的麦道就是舰载飞机的专家。波音在第一代777的时候就提议过折叠翼,并有意把这作为选项。但所有航空公司都“谢绝好意”,不仅顾虑到折叠翼的额外重量和可靠性,更担心适航认证。基本型777的认证不是问题,但不管谁选用折叠翼,就要准备(至少部分)承担这个选项的认证费用。所有航空公司都选择基本的固定翼,波音后来索性取消了这个选项。

88年研发的“777”,三发,加长机身的767,机翼折叠

但到第三代777时,加长的翼展已经无法回避。这一次波音具有足够信心,现在看来折叠翼是作为标准技术提供的,不再是选项。不需要更大航程或者更大载客量的话,反正还有第二代777和加长的787可供选择。

波音777X的翼展达到71.8米,折叠翼尖后,翼展缩短到64.8米,实际折叠起来的翼尖部分长3.66米。这增加的7米翼展是777X成功的关键,但也是巨大的挑战。这不仅是波音在设计与制造上的挑战,也是美国联邦航空署(简称FAA)型号适航认证的挑战。

对于FAA来说,型号适航认证不仅针对正常使用时的强度、寿命等问题,还要特别关注折叠机构的可靠性和故障问题。如果机翼在起飞或者飞行状态时没有正常打开,或者意外折叠,翼展和翼面积就要低于设计要求,就要损失相应的升力。如果出现一侧打开而另一侧没有打开,还会出现不对称升力和阻力。

作为使用折叠翼最多的用户,美国海军在历史上有过不少飞行中发现的折叠翼故障 ,幸好每次都没有因此而机毁人亡。

1960年8月,一架F-8“十字军战士”从那不勒斯的机场起飞,在起飞前忘记放下翼尖,爬升到5000英尺时,飞行员感到操纵杆压力异常,扭头观看才发现折起的机翼没放下来。马上在空中放油,减轻重量,24分钟后返航,安全降落。降落速度很快,但其他没有什么异常,飞行操控也没有太多的特别。此后F-8还有过至少7次类似的事故,包括夜间飞行,都安全返航降落了。

折叠机翼的F-8

六年后的1966年5月10日,美国海军Tophatter中队(队徽为小丑带的高顶筒帽)的一架F-4B“鬼怪”式从“罗斯福”号(CV-42,“中途岛”级,不是现在的“尼米兹”级同名航母)上弹射起飞,起飞后才发现机翼还折叠着。同样立刻放油,抛掉外挂,放下襟翼,同时发出紧急呼叫。飞行员按照命令转飞临近的59英里外的陆地机场,着陆速度达到170-180节,用尾钩帮助减速,人机完好。几天后复飞。美国空军和英国皇家空军也有F-4到空中才发现机翼还折叠着的情况,都没有成为恶性事故。

机翼折叠的F-4鬼怪

美国海军F-14服役初期,也有过至少4次类似的事故。不过F-14的机翼不可折叠,但可变后掠角的外翼段在停放状态可以后掠到75度,占宽与折叠翼相当,所以这就是F-14对应于折叠翼的状态。在4次有惊无险之后,美国海军决定测试这种情况下的飞行和着陆特性,甚至更加极端,一侧展开、一侧后掠。在1985年12月19日到1986年2月28日期间,共进行了6次试验,全部舰上着陆。在其中一次在一侧最小后掠的同时,另一侧最大后掠角达到60度,确认能安全返航和降落。

F-14一侧最大后掠一侧最小后掠状态

但这样的有惊无险不能成为民航机可以轻视折叠翼故障的危害的理由。战斗机的翼载比民航机低得多,对翼面积不足不如民航机敏感。战斗机的操控比民航机要好得多,万一不可控了,飞行员还能弹射。民航机就没有这样的好事了。民航机的安全要求比战斗机是成数量级的提高。


美国是航空的发源地。1926年,美国国会通过《商用航空法》,责成美国商务部负责航空安全事宜,包括飞行员资格、飞行器适航性等现在FAA的业务范围。其实在商务部之前,邮政部已经负责相关事宜了,这是因为最早的飞机除了用作杂耍和玩乐外,主要商业用途是航空邮运。1938年的《民航法》责成新成立的民航局负责航空安全和空中交通管制。1940年,罗斯福把民航局拆分为负责空中交通管制和飞行员资格认证的民航局与负责航空安全与飞机型号认证的民航委员会。1958年,新的《联邦航空法》把民航局与民航委员会合并,组建FAA。除了名称和建制的差别,FAA可算是从事飞机型号认证行业最老资格的了,但现有适航认证规定里没有如何认证折叠翼的条文,历史上也没有过民航机认证折叠翼的先例,FAA也是老革命遇上新问题。

FAA历史背景

作为业界老大,FAA在漫长的航空技术发展史上不是第一次碰上这样的问题,是有一套办法专门用来处理这样的新问题的。在现有规范和标准里没有适用条款的话,FAA要针对新技术提出“特别条件”。在确认特别条件的适用性和新技术的安全性之后,相关条件会整合到已有规定之中,成为供未来认证使用的规范条文。

FAA支持性文件

波音也是业界老大,引入新技术也不是第一次了,对于如何与认证当局合作,既确保安全,又引入新技术,也是很有经验。民航机认证是很费时费钱的过程,这也是现有设计在潜力没有挖尽之前,通常只是改型挖潜,而避免全新设计的道理。老树新花最有名的例子肯定是波音737,但空客A320和A330也是例子。波音777X是按照波音777基本型的附加认证进行的,折叠翼与原设计偏离太大,这部分必须重新认证。在设计过程中,波音已经与FAA和欧洲的EASA合作研究认证问题至少四年了。新技术和特殊条件对大家都不是突然袭击,都是有备而来的。

FAA对折叠翼提出三个“特殊条件”:

1、对起飞时或者飞行中出现折叠翼没有放下或者锁定不可靠,要有额外警示

2、需要确认折叠翼的受力承载极限

3、需要证明地面侧风对折叠后的翼尖的影响在可接受的范围内

FAA进一步规定,如果在起飞前或者飞行中,翼尖没有落位或者可靠锁定,飞行员应该得到声音、视觉等多重警告,确保不会被忽视。在警报条件下,飞行控制系统应该自动确保不能起飞。在起飞后和飞行中,波音必须在技术上确保不可能由于单点故障引起解锁。闭锁必须是机械的、无源的、自锁的,没有外来能源不可能解锁,而外来能源在锁定后必须隔离(拉闸),确保不可能意外解锁。闭锁机构也必须能承受外力打击,不会由于外物撞击或者外力而意外解锁。

777X试验折叠翼内部铰链结构

FAA以控制面的阵风锁定为例子。飞机在地面停机时,液压压力切除,尾翼舵面和襟翼、副翼处在“自然放松”状态。如果遇到大风,控制面可能会被刮得过度摆动而受到损坏,所以在地面是锁住的。但在起飞或者飞行中意外进入锁住状态,那飞机就要失控。现在已有一整套技术和检查措施确保控制面在起飞前解锁,常见的起飞前各个控制面摆动一下就是这个目的。在确认锁定状态方面,控制面和翼尖有相似之处,但还是不一样:前者要确认解锁,后者要确认闭锁;前者在停机位,后者在跑道上的出发位置。

在确保折叠机构强度方面,除了常规的载荷试验,FAA还要求波音能证明在长期使用中,磨损、腐蚀等不致引起闭锁机构的过度松动。任何机械闭锁都有一定的松动,但折叠机构如果出现过度松动,即使不至于影响机翼强度,也会影响气动性能,尤其要避免的是气动弹性导致的控制反转这样的危险特性。

机翼是有一定的弹性的。初次坐飞机的人可能会惊讶地发现,机翼在飞起来之后两端上翘了。对波音787这样采用复材机翼的情况,上翘格外明显,坐在中间位置的旅客可能都看不到翼尖了。波音777X也采用复材机翼。遇到强烈气流扰动的话,机翼还会剧烈抖振。这都是机翼的结构弹性导致的。这样的弹性在平时并无大碍,绝对刚性也是不可能的。但弹性过度的话,可能造成结构扭转和控制反转。比如说,放下襟翼的作用是增升。但机翼结构太软的话,襟翼造成的额外升力迫使结果发生扭曲,后缘相对上抬,反而造成机翼整体迎角下降,导致升力损失,这就是控制反转。副翼也可能造成类似的恶果,本来要向左滚转的,结果由于机翼弹性变形,反而向右滚转了。这是非常危险的。


波音 787 大量采用复合材料,机身和机翼是全复合材料的,复合材料占全机重量的 50%


在通常的机翼设计中,气动弹性问题早已得到充分重视,控制反转不再是问题。但折叠机构松动可能带来机翼结构弹性之外的结构变形,必须做相应考虑,这是FAA要求波音必须展示的。

折叠机构还“打断”通常的机翼结构受力途径,折叠机构本身也改变局部振动特性。一般对上下方向的弯折很重视,但同样重要的是顺着铰链线的剪切受力情况。FAA也要求波音对这些问题做出明确说明。

按照波音的设计,着陆滑跑中速度降低到一定程度后,可以自动或者手动启动折叠,使得翼尖上反,好像超级大号的翼尖小翼一样。折叠和展开各需要20秒钟时间。FAA要求波音证明这额外增加的垂直翼面积不会在地面滑行时受到侧风的过度影响而造成滑行操控问题。另外,折叠起来的翼尖必须能承受来自任何方向的高达65节的风力影响。所有展示要包括从完全展开到折叠完毕的所有状态。波音还要展示一侧折叠正常而另一侧故障的非对称折叠情况以及影响。

777x机翼折叠结构

FAA还要求波音把翼尖的导航灯安装在尽量接近于起飞位置相仿的高度,这可能迫使波音修改设计。翼尖左红右绿的导航灯是在夜间判别飞机前进方向和飞行高度的重要标志。在雷达和其他探测技术高度发达的现在,导航灯没有过去那么重要了,但依然是飞机上必备的基本安全设备,对夜间进近接地和滑行道运作尤其重要。按照规定,导航灯要安装在两侧翼尖,标示飞机的全宽和高度。波音原来计划把777X的导航灯安装在机翼固定段的外侧顶端,这可以满足机翼折叠后的要求,但不能满足起飞前和飞行中的要求,所以还是移到翼尖的传统位置了。问题是这样一来,翼尖折叠后,导航灯就高高在上,远远高于正常翼尖的高度了,容易引起误判。现在还不清楚波音会怎么解决这个问题,最简单的办法是在固定段的外端再装第二套折叠后专用的导航灯,只在翼尖折叠后使用,同时翼尖导航灯关闭。翼尖展开后,第二套导航灯关闭,启用正常的翼尖导航灯。

FAA提了不少要求,但事实上,这里有些是FAA额外要求的,有些则是和波音协商后的共识,只是把波音的内部做法规范化、明文化了。波音的设计和做法也是和航空公司长期深入互动的结果。这实际上也揭示了新技术出现时,研制方、认证方和使用方应有的互动。


新技术的出现是推动经济和社会前进的好事情,但新技术的风险也需要妥善控制。既不能搞侥幸心理,又不宜人为制造不可能的障碍。这不是往认证方一推了事就行的。事实上,在新技术的研发中,研制方、使用方、认证方三方都有职责,应该携手推进,而不是以邻为壑。

使用方容易有漫天要价、坐地还价的想法,这于事无补。提出不合实际的要求而研制方照单全收的话,那一定有猫腻。切合实际,才能双赢。反过来,从安全角度出发,只有符合用户使用习惯、容易理解的系统才是最安全的系统,反人性的设计在人机界面上已经是安全陷阱了。这需要用户参与。波音777基本型就是在由全日空、美航、英航、国泰、达美、日航、澳航、联航组成的用户顾问委员会的高度参与下进行的。777X的用户顾问委员会成员不清楚,但一般认为有中东大三(酋长、阿提哈德、卡塔尔)的高度参与,可能还有汉莎。

波音作为研制方,具有确保产品安全性的动力,飞机因为设计或者制造疏忽而失事,对波音信誉的影响是毁灭性的。波音也有丰富的经验和成熟的设计与技术风险控制体制,对于折叠翼这样的关键系统,要求从系统架构到机电仪元器件到操作规程,都要做到冗余和失效安全。也就是说,系统或者部件失效的话,会“自然”回位到或者保持在安全位置。

为了系统测试,波音在华盛顿州埃弗莱特的主要工厂所在地建立了试验设施,从多方面测试折叠机构的可靠性和一般运作。还要在西雅图以南的波音机场另外建造全尺寸试验设施,进一步进行FAA所要求的测试项目,尤其是可靠闭锁和侧风影响。至于驾驶舱内的折叠翼安全操作和声音、视觉警报,波音在迪拜航展上展示了符合FAA要求的777X的驾驶舱和折叠翼操作界面。

迪拜航展上展示波音777X驾驶舱

但不管主观意愿如何,在同一个体系里的思考再缜密,容易落入思维定势的陷阱,对缺陷容易“灯下黑”而视而不见。需要独立的审查。FAA作为独立的认证方,就是起把关作用的。

但新技术毕竟是新技术,FAA也未必在一开始就清楚什么样的要求是必要的,什么样的要求是最好能满足而且是可能满足的。必要的要求是一定要满足的,不满足就很可能出安全问题。但漫无边际的要求很可能是无法满足的,无差别地扼杀新技术并不符合任何人的利益。仔细区分必要要求和应该尽量达到的要求,在控制风险的情况下,稳妥地推进技术前沿,这才是科学的做法。

在折叠翼问题上,FAA正是这么做的。在过去几十年里,FAA在ETOPS问题上也是这么做的。ETOPS规定了双发客机航线沿途的备降机场要求。ETOPS有不同等级,如ETOPS 180、ETOPS 240等,只要航线上任何一点的180或者240分钟航程内有备降机场,这就是合法的航线。ETOPS极大地拓展了双发客机的使用范围,使得双发飞机可以用于越洋航线,这是波音777成功的基本条件,ETOPS 240基本上抹杀了四发客机存在的意义了。

但ETOPS的拓展是一步一步来的。最初是ETOPS 120,有关型号飞机要积累足够的安全飞行时数后,才能申请。随着经验的积累,ETOPS 180被认为是可行的。但波音777基本型是最早在初始型号认证的时候就获得ETOPS 180资质的。这不是FAA“开后门”,而是在几十年ETOPS运作经验上,积累起来系统、严谨的ETOPS认证程序和标准之后,才推行的。

中国科技和工业正在进入井喷式发展的阶段,新技术如雨后春笋,从手机到全电汽车到民航客机,安全方面的风险控制要求各不相同。中国需要建立积极稳妥的研制方、认证方、使用方的互动,波音与FAA这样的经验是值得借鉴的。既要创新,又要妥善管控风险,由赶到超的制造强国的路正是这么走出来的。

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晨枫

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来源:观察者网 | 责任编辑:荀越
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