波音787夢幻客機(Dreamliner)

前文介紹「波音737 Max空難事件」後,這一篇繼續為各位讀者介紹「波音787夢幻客機」(Dreamliner)。有趣的是,今年4月中數位美國重量級參議員訪台,其中「預算委員會」共和黨首席議員葛瑞姆(Lindsey Graham, R-SC)在訪台時,公開要求台灣採購24架波音787客機(購機金額高達美金80億元),因而引起一項不大不小的政治風波 – 拜會後,總統府所發布的中文新聞稿中:希望購機的「關鍵字」消失了,甚至連當天的中文口譯,也並未提及關鍵字「波音787」… 我們站在科普的立場下,會連續兩篇為各位讀者介紹「波音787夢幻客機」,至於台灣是否應該購入波音這款最新型客機,讀者如果有機會搭乘波音787客機時,可以親自體會這款客機所謂的夢幻之處!

 

兩雄相爭「波音787夢幻客機」(Dreamliner)

美國的波音(Boeing)與歐洲的空中巴士(Airbus)競爭民航機市場已經超過了半個世紀:空中巴士1是在1970年12月18日由法國(Aérospatiale)、德國(DASA)、英國(BAe)、西班牙(CASA)四架公司組成,生產民用與軍用航空器及相關產品;波音(Boeing)稱霸民航機市場多年,為了進入軍用航空器領域於1997年併購麥道2(McDonnell Douglas)成為跨越民用與軍用航空市場的翹楚。

為了與空中巴士(Airbus)競爭民航機市場,波音(Boeing)的787廣體客機是一款於2004年開始研發的機種。在此之前,波音公司曾經提出要將曾經風光一時的巨無霸747進行性能提升(747X計劃),也同時嘗試設計過一款飛行速度更快的近音速機種(Sonic Cruiser),最後都因為沒有得到市場的青睐而告終。主要原因是:油價高漲、再加上911事件,使得原先對近音速機種表示過興趣的航空公司紛紛退出。

 

「波音787夢幻客機」(Dreamliner)

來源:波音公司公布「787夢幻客機」(Dreamliner)

根據市場調查結果,波音於2003年發佈開發7E7機種 – 將Sonic Cruiser的新技術應用在傳統的次音速、中型雙引擎長程客機。因為著重在省油、高效能、載客數250 - 300人,這個設計理念成為波音787的突破,並改變了航空公司的營運模式;越來越多「點對點」(Point to Point)直飛航班,取代了「軸 - 輻」(Hub and Spoke)的傳統航空運輸模式。

7E7的命名總是衆說紛紜,後來改成波音傳統系列名稱787。有人說波音為了中國客戶的大訂單在簽約前夕,將E改為華人的幸運數8,而波音解釋說E本來就代表Eight,這種說法有點牽強。至於為什麼英文名是Dreamliner呢?那是全球網路票選出來的結果。

 

波音787的設計與製造

雖然科技日新月異,投資新型機種的開發耗資過於龐大,所以飛機製造公司是不可能像汽車工業一樣每年都可以推陳出新。由於波音長年感受到市場佔有率萎縮的壓力,雖然在財務困難的情況下,還是不得不孤注一擲、嬴回龍頭寶座。

波音787的設計與製造在多方面顛覆傳統工藝,說它達到脫胎換骨一點也不為過。為了減輕結構重量,787大量採用複合材料 -- 整架飛機的材料重量分布為:複合材料佔50%、鋁合金佔20%、鈦合金佔15%、鋼材占10%、其它材料5%。這樣的材料組合比起傳統的鋁合金為主的組合減重可達20%。

波音787是第一架全面採用「碳纖維強化聚合物」(Carbon-fiber-reinforced polymers, CFRP)複合材料的商用飛機,其機身,機翼,尾翼,機艙門等部件都用此種CFRP製成 – 這種複合材料的的優點:不但重量輕,其拉伸強度是鋼材的五倍,重量為僅其五分之一。過去波音的其他機型曾經在水平及垂直尾翼採用過碳纖維複合材料,先前研發Sonic Cruiser時曾經用CFRP製造、並測試過全尺寸機身,所以波音對於使用複合材料累計了長期的經驗。

碳纖維材料本身就是一塊布,在樹脂膠水乾燥前,因其材質柔軟很容易形成各種優美曲線造型,這種材料特性讓飛機設計師可以在外型設計上做更多的發揮。過去用CFRP製作部件是靠人工一層一層的貼上去,不符合大量生產要求。為了大量生產787機體,波音投入大量資金設計CFRP自動化成型工具機及大型烤箱;60公尺長的機身分成四段,分別在日本、義大利、西雅圖成型後再組合。

傳統機身的打造是用4、5萬顆鉚釘將1500多片鋁蒙皮結合成形,接縫及隆起的鉚釘頭會形成表面缺陷,進而增加「寄生阻力」(Parasitic Drag)。使用CFRP 成形的機身表面光滑,不存在上述問題。而且由於CFRP的高強度、加上一體成形的優點,機艙壓力還可以增加7.3%。客機巡航的高度約在4萬英呎,機艙內需要加壓,不然乘客會無法忍受,但是艙壓又不能太高,因為艙壓太高結構會受不了;一般客機艙加壓至相當於8000英呎海拔高度氣壓,略等於登上阿里山的感受,但是波音787可以加壓到相當於6000英呎高度,就等於登上梨山的感受,這個數字差好像不多,但是艙壓大對於人體吸收氧氣有絕對的幫助 -- 長程飛行的旅客絕對可以感覺得出來,尤其是對時差問題的改善。

 

波音787的機翼設計

夢幻客機(Dreamliner)的另一個特點是它的機翼設計。機翼剖面採用「超臨界翼形」(Supercritical Airfoil),相較於傳統翼形(參見下圖)其上緣平、下緣凹、頭粗尾尖,這種翼形可降低上緣震波的形成所導致的升力損失,而且內部空間較大還可增加油箱容量。Supercritical Airfoil翼形設計並不是新的慨念,Boeing 757、767及空中巴士A310 都採用,可以有效減少阻力改善燃油效率。

 

波音787最大的看點是那優雅的機翼造型,由於它的承載翼樑是由CFRP成形,前後兩條翼樑由鋁合金肋骨連結(參看下圖),表面蒙皮當然也用CFRP一體成型,沒有接縫沒有鉚釘。翼樑主要是在承受「向上彎曲載荷」(Bending Load),CFRP 翼樑彎曲強度比鋁合金、鋼材來的大,所以其可承受荷重相對大,又其「彈性強度」(Elastic Strength)也較大,永久變型極限是鋁合金的兩倍。

來源:波音公司公布787機翼的結構

 

良好的材料彈性可以把機翼做得更細長,「翼展/翼弦比」(Aspect Ratio, AR)可以達到11;相較於同型鋁合金翼樑客機的AR=9,AR越大機翼越細長,因此上下翼面壓力差在翼尖形成的「渦旋阻力」(Vortex Drag)較小。這個道理就如同滑翔機(AR > 30),機翼更細長、阻力更小,所以在無動力下,可以滑翔(gliding)的距離更長。

由於機翼細長、繞性好787在正常飛行情況下其翼尖上翹幅度可達7.6公尺(參見下圖)。波音787的水平及垂直尾翼除了用CFRP成形外,還加裝了肉眼不易看見、被稱為「混合層流控制系統」(hybrid laminar flow control)的吸氣系統 -- 經由翼面上的小孔吸氣,藉以控制「翼表紊流」(Turbulent Flow)所產生的阻力。

來源:波音公司公布「787夢幻客機」(Dreamliner)

 

材料腐蝕與機翼除冰

讀者或許會發覺:波音787使用材料表中昂貴的鈦合金用量高達15%,這似乎不符合經濟效益,其實這是沒辦法的選擇,因為鋁合金與碳纖維長時間接觸會產生「電偶腐蝕」(Galvanic Corrosion),設計必須利用鈦合金的「惰性」(noble)來接近碳纖維,降低其電偶腐蝕效應。

說了這麼多碳纖維複合材料的好處,它也有受衝擊易脆的缺點,所以「機翼前緣」(Leading Edge)是採用鋁合金,因為鋁合金熱導性良好,也方便起飛前及飛行中的「除冰」(deicing) -- 飛機在高空中飛行,遇到不良天候容易結冰,機翼結冰會改變翼形狀,嚴重影響升力,所以除冰裝置是飛機必要設備。以往的飛機設計是靠發動機產生的熱氣,由管線導入為機翼前緣加熱除冰,這種設計消耗太多發動機珍貴的能源,複雜管線又占用空間、還會增加重量,波音787採用電熱除冰效率更好,當然這些設計改變使得波音又必須重新設計787的電力系統。

 

結語

波音為開發這款787夢幻客機(Dreamliner),估計研發費用可能高達320億美金,這款787夢幻客機也開創航空新頁,由全球超過45家大公司分工製造、在美國南卡羅萊納州(South Carolina)做最後組裝,平均每月產量14架。日本三菱重工、川崎重工及富士公司承擔重任負責35%製造,台灣漢翔公司據悉也參與部分零組件的生產。Boeing 787 載客飛行超過十年了,或許讀者已經搭乘過,不過當你暸解它的獨特設計及優美的造型之後,下次再搭乘時,相信更能體會到這款客機的夢幻之處,更加享受長途飛行。

 

附註 1 、空中巴士(Airbus)簡介參見Wikipedia https://en.m.wikipedia.org/wiki/Airbus  

 

附註 2 、波音/麥道併購案 參見Wikipedia https://en.m.wikipedia.org/wiki/Airbus


作者:

黃國華博士退休前在美國Huntsville的Troy7, Inc. 擔任總工程師(Chief Engineer),這家公司提供美國國防部飛彈防禦署(Missile Defense Agency, MDA)及NASA技術支援。黃博士有多年導航與控制(Guidance and Control)及彈道軌跡設計經驗,他全職支援MDA,並在靶彈部門的導彈軌跡組擔任組長。

王志强博士曾任美國麥道太空系統公司 (MDSSC) 的空氣動力學專家 (Senior Technical Specialist),1992年返台加入台翔航太(TAC)協助發展民航機產業;他的斜槓人生還擔任過:安達信 (Andersen Consulting) 企業戰略經理,中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達光電(AUO)營銷高階主管、美國林肯電氣 (Lincoln Electric)在台合資公司廣泰執行副總、美世顧問 (Mercer) 台灣區總經理、以及上海佳格 (Shanghai Standard Foods) 營運長。

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