波音777X的变革和启示

谭昕

在波音百年的发展历程中，777无疑是一款极为成功的机型。在波音推出777之前，人们要实现远程越洋飞行，唯一的选择就是乘坐747。1995年，第一代波音777投入运营，航空公司在远程越洋航线上有了双发宽体客机这一选项。也就是从那时起，全球机队的飞机构成有了巨大的变化。

随着波音对777的不断改进，第二代777在保持双发经济性的同时，在航程上也有了新的突破，一举打破了传统四发宽体客机垄断远程航线的格局。如此一来，777不仅抢占了空客A340的市场份额，也将自家的“空中女王”747客机一并刺翻在地。

如今，为了应对空客A350系列飞机的挑战，波音在2013年迪拜航展上宣布启动第三代777飞机的研发，并将其命名为777X。作为777的终极改进款，777X不仅继承了前两代飞机的优点，还采用了大量新技术。根据波音的计划，777X将在2020年左右投入航线运营。鉴于此前成功的市场表现，波音对777X寄予厚望。波音曾公开表示，从第一代777投入运营开始，波音在这一细分领域一直保持着巨大的优势。截至2017年11月，777X已经获得326架确认订单和承诺订单，由此可见其受欢迎的程度。

大趋势：双发替代四发

近日有外媒报道，由于空客A380的最大买家阿联酋航空有意采购波音787，使得空客未来或许不得不被迫终止耗资近110亿欧元的A380项目。当初，空客研制A380的一个重要原因就是要与波音747争夺市场份额。由于客户需求的转变，A380的销售不及预期，而波音也开始考虑停产747。

在此背景下，波音和空客不得不将研发重点转向“大型双发”宽体客机。从近年来制造商公布的业绩报告来看，这一类型的飞机基本占到企业利润的30%以上。长期以来，波音在这一市场占据优势地位，空客为此相继推出了A350和A330neo进行竞争。

为了巩固既有优势，波音在2013年宣布启动777X飞机的研发。根据波音的规划，777X将会推出777-8X和777-9X两款机型。其中，前者将与空客A350-1000直接竞争，后者则是同级别中的唯一机型。在推力高达15800磅的全球最大商用发动机GE9X的助力下，波音777-8X的续航里程可以达到17220公里，最多可以容纳350名乘客。尺寸更大的777-9X载客量虽然可达到400人，但航程有所减少，为15185公里。

2017年10月，首架777-9X飞行试验机的翼梁在埃弗雷特工厂开始组装。根据计划，波音将在2018年生产6架777-9X，其中4架为飞行试验机，另外2架分别为静力试验机和疲劳试验机。首架试验机预计将在2018年下线，2019年2月首飞。另外3架试验机则计划在2019年年中完成首飞。与此同时，波音也开始了航程更远的777-8X的初始设计工作。

在777X项目上，波音对新技术的应用可谓不遗余力。相比787，波音升级了777X的飞行控制律，采用了787上所采用的新一代可变弯度后缘装置和操纵载荷减缓系统，这些将使飞机的综合效率和驾驶、乘坐品质得到进一步提升。此外，777X还继承了787先进的工程技术和创新的内饰设计，并通过大量使用复合材料来实现更加轻量化的机身配重，这种设计将直接影响飞机的经济性。波音宣称，与竞争对手的同类机型相比，777X的油耗将减少12%，运营成本降低10%。

生产领域的重大创新

尽管从严格意义上来讲，777X算不上是一款全新的机型，但依托这个项目，波音对生产体系进行了大胆变革。

经过20多年发展，通过大量使用自动化装配技术，波音已经大幅提高了飞机装配的质量和效率。从最初的用机器人进行飞机机身组装，到如今在777X项目中采用完全自动化的手段生产当今世界上尺寸最大的复合材料机翼，在777X项目的引领下，波音公司的飞机生产模式发生了巨大变化。这些变化也预示着波音在企业战略方面的成功。毕竟从长远来看，生产效率将在很大程度上决定企业的市场占有率。

2013年，当波音决定启动777X项目时，正值787项目遭遇进度延期、成本超支等诸多问题。为此，波音邀请了包括当时已经退休的777项目副总裁在内的多位行业专家共同探讨777X是否要突破传统的生产模式。专家讨论后决定，要依托777X项目应用更多自动化生产技术，让波音的生产体系迈上一个新台阶。

2014年，波音决定将777X的生产基地设在华盛顿州的皮吉特湾地区，并在那里新建一个造价10亿美元、占地100万平方英尺的复合材料机翼中心，该中心将主要用来制造波音777X的复合材料机翼（机翼长114英尺，宽23英尺）。2016年，用于生产777/777X的40-27号厂房完成扩建，面积增加了32.5万平方英尺。

项目引领技术创新

虽然777X从外形上看与上一代777没有太大的变化，仍采用金属机身，但它采用了GE公司最新研制的GE9X发动机。此外，波音对机翼的改良是777X的又一个亮点。777X的机翼不仅是可折叠的，而且还是当前最大的复合材料机翼。对于波音来说，这款机翼无论是设计、制造还是未来的取證、运营都将面临新的挑战。

目前，首架试验机左翼的单片前缘和后缘复合材料翼梁由波音复合材料机翼制造中心生产。由于777X的翼展近72米，在制造过程中将会面临很多过去从未遇到过的问题，因此该制造中心研发了许多新的生产工艺。例如，在翼梁组装中，波音复合材料机翼制造中心将32.9米（108英尺）的翼梁作为一个单独的、连续的结构来进行生产，这与传统的制造工艺有很大的不同。此前，长翼梁都需要分段进行生产，然后再用螺栓连接起来，后来又用胶接的方法进行连接。如今，波音依托新技术和新设备，可以将翼梁作为一个整体进行加工。777X的翼梁，特别是前梁，为了保持最佳的气动外形，向翼尖方向带有渐变的梯形剪切，其外形是曲线带有拐折，这种形状的翼梁整体加工难度相当大。

另一个波音正在攻克的难题则是折叠翼尖的使用。众所周知，机翼是用阻力换取升力的装置，机翼越是细长，升阻比就越高。因此，为了进一步增加航程，提高飞机的经济性能，777X拥有更大的展弦比和翼展。这引发了一个问题，那就是细长的机翼不仅在设计和制造上难度很大，在适航取证和运营中也会遇到很多问题。例如，机场是按照飞机的着陆重量和占用停机位的宽度来收费的，如果飞机的翼展特别大，那么航空公司将被收取额外的费用。为解决这一问题，波音的设计师们想到了折叠翼尖的方法。

事实上，在军用航空领域，折叠翼尖并不是什么新技术，舰载飞机很早就开始使用这项技术。波音对于折叠翼的设计和制造也是十分熟悉的，其收购的麦道公司就曾是实力很强的舰载飞机制造商。因此，早在第一代777飞机设计之初，波音就曾提出这一设想，但当时并没有得到客户的认可。这主要是因为客户不仅担心折叠翼额外的重量和可靠性，还对适航取证的问题有所顾虑。

到了第三代777飞机时，要想再进一步提升飞机的经济性，可折叠翼尖就成为一个必然的选择。在波音的设计中，777X的翼展达到71.8米，折叠翼尖后，翼展缩短到64.8米。为了便于机场运作并降低航空公司的运营费用，飞机在起飞前，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、巡航、降落接地，这期间机翼一直保持在这个状态。降落后在跑道减速滑行时，当速度低于一定阀值后，翼尖向上折叠。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进行处理，不会增加航空公司的费用。

目前，波音正在777X的系统集成试验室进行机翼折叠系统的典型生产试验。777X的折叠翼梢结构由利勃海尔研制，可折叠剖面和铰链区采用铝材料来提高翼尖的载荷分配。波音希望，翼尖折叠结构能够尽可能简单化。在接下来的一系列试验中，波音将测试该结构在极高、极低温度下的使用情况。这项试验预计将持续到2018年12月。与此同时，还有更多的部件级和子系统级试验将在利勃海尔进行，其中包括翼尖系统的电子机械传动器、动力驱动装置、液压马达、折叠子系统、插销、二次上锁系统等。

目前，波音正积极与美国联邦航空局（FAA）就折疊翼的适航认证进行探索。尽管777X是在777基本型上进行附加认证，但由于折叠翼与原来的设计偏离太大，因此这一部分必须进行重新认证。实际上，波音早在4年前已经就此问题与FAA开展了合作研究。

对于FAA来说，对777X折叠翼的认证不仅针对其在正常使用条件下的强度、使用寿命，还要特别关注折叠结构的可靠性和故障问题。如果机翼在起飞或者飞行状态中不能正常打开，或者发生意外折叠，翼展和翼面积就会低于设计要求，使飞机损失相应的升力。如果出现一侧打开而另一侧未能打开的情况，还会出现不对称升力和阻力。作为使用折叠翼最多的用户，美国海军在历史上就曾出现过不少在飞行过程中折叠翼出现故障的情况。

因此，FAA针对777X的折叠翼已经提出了3个必须满足的条件。首先，对飞机起飞时或飞行中出现折叠翼没有放下或锁定不可靠时，要有额外警示。第二，需要确认折叠翼的受力承载极限。第三，需要证明地面侧风对折叠后翼尖的影响在可接受范围内。

FAA提出的这些条件与飞行安全有直接的关系。以第二个条件为例，由于机翼是有一定弹性的，初次坐飞机的人可能会惊讶地发现，机翼在飞机飞起来之后两端向上翘了。对于波音787这样的复材机翼来说，上翘格外明显，坐在中间位置的旅客可能都看不到翼尖了。而波音777X也采用了复合材料机翼，如遇强烈气流扰动，机翼还会剧烈抖振，这是机翼的结构弹性所导致的。这样的弹性在平时并无大碍，但弹性过度的话，可能会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将迫使结构发生扭曲，后缘相对上抬，反而造成机翼整体迎角下降，导致升力损失，如果出现这种情况是非常危险的。

为此，波音在华盛顿州埃弗雷特建立了相应的试验室，全方位测试折叠结构的可靠性。此外，波音还在西雅图以南的波音机场附近新建了一个全尺寸试验设施，进一步对折叠结构进行专项测试。在2017年迪拜航展期间，波音展示了符合FAA要求的777X驾驶舱和折叠翼操作界面。从777X机翼的创新中，我们不难看出，当出现创新设计与技术时，研制方、认证方乃至使用方之间的良性互动对于项目的发展来说是极为重要的，这一点十分值得中国民机产业学习和借鉴。