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。