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从战略运输机到巨型珍宝客机,波音747空中女王诞生记
2017-12-30 7:28:00           作者:Armstrong

1968年9月30日,波音公司在华盛顿州埃弗雷特工厂下推出了第一架747巨型喷气式客机。这架飞机最初是应泛美航空公司的要求设计的,即能运输大件货物也能运送大量乘客,尺寸是波音707的两倍多。

为了组装这架飞行巨兽,波音公司在埃弗雷特的潘恩机场建造了世界上体积最大的厂房,足足有824万立方米。

1963年美国空军开始了一系列的研究项目,旨在获得一种巨型战略运输机。尽管当时C-141“星式运输机”才开始服役,但军方还是仍为需要一种更大、性能更好的飞机,特别能够运输现有运输机都装不下的超大尺寸货物。

1964年3月,美国军方启动了CX-重型物流系统(CX-HLS)项目,要求新运输机能载重81600公斤以0.75马赫的速度(805公里/小时)飞行9260公里,载重52200公斤时的不加油航程是9260公里,货舱尺寸必须达到5.18米x4.11米x30.5米,飞机前后都要有货舱门。



新运输机将安装四台发动机,要求采用大幅提高推力和燃油经济性的新一代涡扇发动机。1964年5月18日,道格拉斯、通用动力、洛克希德、马丁·玛丽埃塔公司提交了各自的机身方案,通用电气、柯蒂斯-莱特和普惠公司提交了各自的发动机方案。经评选后,波音、道格拉斯和洛克希德进入下一轮角逐,通用电气和普惠则获得了各自的发动机研究合同。

三家公司的机身方案具有一些相同的特征,由于CX-HLS需要能从机头装货,必须在机头安装货舱门,所有公司都把驾驶舱移到货舱上方来解决此问题。道格拉斯方案的驾驶舱看起来就像是前机身顶部的小突起 。

洛克希德的驾驶舱则一直向后延伸形成一条长的脊背。

波音公司的设计介于两者之间,驾驶舱形成了一个驼峰。

 

1965年洛克希德的机身和通用电气的发动机方案获胜,最终成为当时世界上最大的军用飞机——C-5“银河”。

不过波音的努力并没有白费,在波音707和道格拉斯DC-8开创喷气时代后,整个商用运输业出现井喷式发展,机场则变的日益拥挤。泛美航空公司总裁胡安·特里普表示有兴趣购买一种波音707两倍大的新型客机来解决此问题。

1965年,波音737研发团队的乔·萨特被调到大型客机研究团队,该客机名为747,计划负责人是波音产品研发副总裁杰克·斯坦纳。

当时人们普遍不看好大型客机,都认为超音速客机才是未来的方向。在萨特仔细研究了泛美和其他航空公司的需求后,波音公司发现研制747还是有利可图的,即使其客机型的销售滑坡,还能依靠货机型来收回投资。

当时航空集装箱运输刚开始兴起,如果把747的机身尺寸能和CX-HLS差不多的话,就能以很高的效率堆放标准集装箱,非常具有竞争力。在进入全面设计阶段后,波音首席执行官比尔·艾伦任命玛·斯坦珀为计划总经理,乔·萨特为总工程师。

1966年泛美签订了5.5亿美元购买25架波音747的合同,规定在1969年年底交付。即使以波音的标准来看,合同给出的交付时间也非常短,尤其是在设计还未完成,生产厂尚未建立的情况下。实际上波音把整个身家都押在了747计划上,不成功便成仁!

波音并没有完全照搬CX-HLS的设计,放弃了不适合客机的上单翼。波音747最初为双层设计,下层为8座双过道,上层为7座双过道,但由于紧急撤离问题和有限的装货能力被否决,被机身更宽的单层设计取代。

747沿用了波音CX-HLS的前机身设计,货运型有机头舱门,驾驶舱驼峰位于客舱上方。在胡安·特里普的建议下,驼峰内部被布置成乘客休息室,设计师们发现驼峰还改善了飞机的面积率分布,降低了高速巡航时的阻力。

 

747成功重要因素之一就是高涵道比涡扇发动机,其油耗能降低三分之一,推力却比早期涡扇增加了一倍。通用电气公司是高涵道比涡扇发动机的领跑者,但他们为C-5研制的发动机却并没有进入商用市场,这给了普惠公司迎头赶上的机会。1966年底,波音、泛美和普惠达成研制新发动机的协议,这就是专为747设计的JT9D。

波音747在研制中使用了故障树分析的新方法,研究了单个部件故障后对其他系统造成的影响,以此来解决安全性和可飞性方面的问题。经过故障树分析法,波音747采用了结构冗余、多余液压系统、四联主起落架和双控制面等提高安全性的设计。

此外747还采用了一些行业最先进的增升装置以便在现有机场的起降,包括有全翼展前缘襟翼、复杂的后缘三缝襟翼。襟翼展开后使翼面积增加21%,升力增加90%。



波音要在1969年年底向泛美交付首架747,这意味着只有28个月的设计时间,仅正常的三分之二。由于进度表绷得紧紧的,所以研制团队获得了“超人特攻队”的绰号。波音747的研制就是一次巨大技术和资金挑战 。还是那句话:不成功便成仁。

最初波音公司考虑在华盛顿州以外制造波音747,但最终确定在埃弗雷特附近780英亩的土地建新厂。此地毗邻潘恩机场,是一处密布植被的丘陵地带。为了建造世界上最大的单一屋顶建筑,人们需要先移走300万立方米的土方。

厂房的建设速度很快,但对于进度表来说还是不够快。在制造波音747客舱模型时,厂房的屋顶还没有完工。甚至747投产后,流水线上的工人们在冬季需要穿着厚重的衣服保暖,因为还没来得及安装暖气。

波音在研制747时,其他航空公司的订单的订单就纷至沓来。大多数航空公司的高管在参观生产车间时就做出了购买决定,因为他们完全被震撼到了。例如美国联合航空公司总裁帕特·帕特森进入了全尺寸模型后,他说的第一话就是“耶稣基督!”。

当第一架波音747做好揭幕准备时,波音公司已经获得了26家航空公司的订单。在1968年9月30日747的首次公开亮相上,这些航空公司的代表与其他受邀嘉宾以及记者们齐聚一堂。 那天早上,一架波音B&W飞机(波音生产的第一种飞机)先飞越潘恩机场,紧接着是707、727和737。人群云集在厂房的超大型机库门前,看着机库门缓缓打开,拖车把波音747缓缓拖出到明亮的阳光下。

 

与以往被漆成淡黄色和棕色的波音客机不同,这架747被漆成白色和红色,并配以蓝色字体。随着飞机映入眼帘,观众们倒吸一口冷气,都被747巨大的体型震惊了,沉默一会才爆发出雷鸣般的掌声。波音747远大于大多数人见过的任何飞机,长70.4米,翼展59.7米。

美国商务部秘书史密斯受邀担任仪式的主发言人,他说747“将提供从前所未有的舒适和便利新标准”,他指出该机已经获得了超过15亿美元的合同,并还在获得更多的合同。 波音747计划是当时美国历史上最大的非政府项目之一。玛·斯坦珀最后在仪式上感谢了所有参与该项目的波音员工,他说这架飞机还要经过试飞和政府认证,革命尚未成功。 来自26家航空公司的26位空姐一起为这架波音747命名,当她们把26瓶香槟撞向巨型喷气式客机时,人群欢呼了起来。

在第一架波音747完工前,工程师们就开始测试许多组件和系统。其中一个重要的测试是让560名志愿者在客舱实体模型中通过紧急滑道疏散。第一次疏散了用了两分半钟,而美国联邦航空管理局(FAA)规定的上限是90秒,而且在测试中还有几名志愿者受伤。波音在随后的测试中实现了90秒的目标,但却又更多人受伤。747上层客舱的疏散最成问题,志愿者只能用绞盘安全带下降到地面。

为了让试飞员体验到操纵巨型客机在地面滑行的感觉,波音还改装了一辆被称为“沃德尔的旅行车”(以747试飞员杰克·沃德尔的名字命名)的教练车,其车顶安装了747的模拟驾驶舱。这样在747还在制造时,试飞员就能开始地面滑行训练。

1969年2月9日,波音747准备好了首飞,在试飞员杰克·沃德尔和奥布莱恩·威格以及飞行工程师杰斯·沃利克的操纵下,747缓缓升空。

747在首飞中的表现非常好,只有一片襟翼出现了小问题。试飞员发现747在很大程度解决了“荷兰滚”问题,而该问题一直困扰着早期后掠翼飞机。

在后续的颤振测试中人们发现747的机翼在一定条件下会出现颤振,工程师通过加强机翼特定部件来部分解决此问题,而机翼高速颤振问题只能通过在机翼中安装贫铀配重来解决。贫铀配重引起了环保人士的焦虑,万一747坠毁就会导致贫铀泄露。

JT9D发动机在试飞中也遭遇困难,压缩机在油门快速变化时会失速,涡轮壳体也很快就变形了。发动机问题导致747推迟交付了数月,有多达20架飞机滞留在埃弗雷特工厂等待发动机。雪上加霜的是,一架测试747在降落伦顿市机场时冲出了跑道,导致右外侧起落架折断,两台发动机受损,进一步拖延了项目。

 

不过这些困难并没有阻止波音公司派出一架747测试机参加1969年第28届巴黎航展,在航展上大出风头。1969年12月终于747获得FAA适航证书,具备了服役资格。

研制747和建设埃弗雷特工厂都需要巨额资金,这意味着波音公司不得不向银行集团大量借贷。在交付第一架飞机前的最后几个月,波音不得不多次向银行申请额外资金来完成该项目。如果此时银行拒绝贷款的话,波音公司连生存都困难。波音当时的债务超过200亿美元,其中120亿是银行借贷,创下了当时所有公司借贷数额之最。比尔·艾伦后来说“这个项目对我们来说的确太大了。”好在747豪赌成功,波音公司垄断了巨型客机市场几十年。

完成了紧锣密鼓的试飞和认证后,1970年初第一架波音747-100客机终于交付泛美。1970年1月15日,美国第一夫人帕特·尼克松在华盛顿杜勒斯国际机场主持了泛美航空首架747的命名仪式。1970年1月22日泛美747首次飞行了纽约到伦敦的航线,其实这次飞行原定1月21日进行,但由于747发动机过热而临时换了一架飞机,前后耽误了6个小时,故障机则返厂维修。

747-100是747家族的基准型号,该机继承了波音707的很多特征,如全金属半硬壳结构、下单翼、四台翼吊式涡扇发动机短舱,前三点式起落架等,只是747的尺寸要大得多。

747机翼1/4弦长处的后掠角为35.5度,带7度上反角和2度安装角。机翼后缘从内向外依次是内三缝襟翼、高速副翼、外三缝襟翼、翼尖低速副翼。此外在内三缝襟翼的前方翼面上还有两片地面扰流板/阻升器,在外侧三缝襟翼前则有4片飞行扰流板。机翼前缘有全展长襟翼,分为两类,从内侧发动机舱到机身间是三段克鲁格翻转襟翼,其余部位则是10段下垂襟翼。747-100的尾翼单元是带方向舵和升降舵的常规设计,平尾可在飞行中微调安装角来配平飞机,所有飞行控制系统都是电动的。

747-100选用了普惠JT9D高涵道比涡扇发动机,这种发动机开始研制时就麻烦不断,而且早期型号的设计推力也没有考虑747在研制过程中的重量增长。747测试机和最早期747-100安装的JT9D发动机只能产生173.5千牛(17690公斤)的推力,导致飞机动力不足,更糟糕的是发动机可靠性不高。

当时高涵道比涡扇发动机还是全新的技术,所以出现许多不可预知的问题也是正常的,例如发动机壳体热变形后导致涡轮和压气机叶片与侧壁摩擦,大尺寸的风扇导致发动机在侧风中难以启动等。普惠解决了最严重的发动机问题后,747-100安装着JT9D-3A投入运营,最大推力提高到204千牛(20770公斤)。此外飞机还增加了加雷特辅助动力装置(APU)来提供地面动力和启动发动机。

747-100有一个机翼中段油箱和6个机翼油箱,总载油量178702升,在每侧机翼下方有一个压力加油点。

 

747-100的前起落架是双轮形式,向前收入机鼻。在机腹和翼根处还有4组4轮小车式主起落架,其中翼根主起落架靠前并向内收入机腹,机身主起落架靠后并向前收入机腹。如此复杂的主起落设计完全可以支撑747的庞大重量并确保不损坏停机坪。

747-100的航电具有明显的时代特征,包括无线电、导航设备、识别应答器、机鼻气象雷达,飞行机组编制三人外加一到两名观察员。如果客舱按高密度全经济舱布置的话,747-100的载客量可高达500人,当然更合理的布置是全经济舱447座,或385座(经济舱337座,头等舱48座,其中16座在上层甲板)。747-100机身两侧各有五个舱门,分别是地板下方的前后货舱门,地板上方的前机身客舱门和后机身两个客舱门。

747投入服役的过程十分顺利,尽管JT9D发动机在服役初期遭遇到磨合问题,但747-100还是以安全可靠闻名,也很容易驾驶,事实证明普通机场也一样可以容纳747。对飞行员来说,驾驶747在地面滑行反而成为挑战,因为之前没有一种客机的驾驶舱有这么高。

为了彻底解决JT9D发动机的问题,普惠公司继续改进设计,并推出了第一种真正令人满意的改型——JT9D-7系列。该系列发动机的推力从213千牛(21725公斤)开始逐步增长,使波音研制更重的747改型成为可能。

责任编辑:Geoffrey 来源:空军之翼
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