问题

随着发动机直径的增大,中大型民航客机会不会重新使用上单翼?

回答
这是一个非常有意思的问题,涉及到航空工程中几个核心的权衡和发展趋势。随着发动机尺寸的增加,中大型民航客机重新采用上单翼布局的可能性,确实存在,但也伴随着一系列挑战和权衡。下面我将尽可能详细地分析一下这个问题。

首先,我们要理解为什么目前的绝大多数中大型民航客机都采用下置式机翼(也就是我们常说的“下单翼”)布局。

发动机安装便利性: 这是最直接的原因。现代大型客机的发动机体积和重量都非常可观。将发动机安装在机翼下方,可以利用机翼提供的结构支撑,而且发动机离地面的距离相对较近,便于维护、检修和更换。同时,发动机的巨大推力作用在机翼下方,可以更好地平衡飞机的俯仰力矩,简化了机身设计。
起落架设计: 下置式发动机的布局使得机身可以设计得更长更高,从而为前三点式起落架提供了足够的空间来收纳。如果发动机安装在上单翼,那么起落架就需要设计得更高,以保证发动机不至于在起降时触地。这会增加起落架的复杂性、重量和空气阻力。
燃油管理和结构: 机翼是飞机主要的燃油储存区域。下置式机翼更容易在翼盒内部布置大量的燃油,并且可以相对灵活地进行燃油的转移和管理。同时,下置式机翼的结构可以更有效地将发动机的载荷传递到机身上。
视野和客舱: 对于乘客来说,下置式机翼通常能提供更好的视野,尤其是对于靠近机翼的乘客。同时,下置式机翼的布局也为客舱的设计提供了更大的灵活性,例如更容易布置出口和逃生滑梯。

那么,发动机直径的增大是如何影响这些布局选择的呢?

近几十年来,为了提高燃油效率和降低噪音,涡扇发动机的涵道比(指风扇直径与涡轮盘直径之比)不断提高。涵道比的增加直接导致了风扇直径的增大,进而使整个发动机的尺寸和重量显著增加。

离地间隙问题: 这是发动机尺寸增大最直接的挑战。当发动机直径越来越大时,如果继续采用下置式布局,发动机距离地面的距离会越来越小。这在起飞和降落时,尤其是遇到不平整跑道或侧风时,会增加发动机擦地或吸入异物的风险。为了解决这个问题,工程师们不得不采取一些措施,例如:
加长起落架: 这是目前最常用的方法。看看最新的波音777X,其机身底部离地面的高度比以前的飞机明显要高,这很大程度上是为了给那巨大的GE9X发动机提供足够的空间。然而,加长的起落架会增加飞机的结构重量、复杂性和空气阻力,这又会抵消一部分燃油效率的提升。
抬高机翼安装点: 将机翼安装在机身顶部,也就是上单翼布局,可以从根本上解决发动机离地间隙的问题。即使发动机非常巨大,只要机翼安装得足够高,发动机就可以舒适地悬挂在机翼下方,而不会有擦地风险。

现在我们来重点讨论“中大型民航客机会不会重新使用上单翼”的可能性。

重新采用上单翼布局的潜在优势(尤其是在发动机增大的背景下):

1. 解决发动机离地间隙难题: 这是上单翼布局最明显的优势。随着发动机尺寸的不断增长,上单翼布局可以非常自然地容纳巨大的发动机吊舱,而无需过度拉长起落架。这在技术实现上更加简洁和直接。
2. 更好的气动性能(理论上):
减少发动机对机翼下表面的干扰: 在下置式布局中,发动机吊舱会显著干扰机翼下表面的气流,尤其是在大迎角或襟翼放出时,可能导致下表面气流分离。上单翼布局可以将发动机放置在机翼上方,发动机吊舱对机翼下表面的气流干扰会减小,理论上可以优化机翼的下表面气动性能。
翼尖小翼和翼梢装置的整合: 上单翼布局更容易将翼尖小翼或更先进的翼梢装置(如翼梢柔性翼梢)与机翼结构整合,甚至有可能将其设计得更加一体化,以进一步降低诱导阻力。
3. 更平稳的飞行体验(理论上): 理论上,将发动机的推力作用在机身重心上方,可能有助于减小飞机在起降和低速时的俯仰力矩变化,从而提供更平稳的飞行感受。

重新采用上单翼布局面临的严峻挑战和权衡:

1. 结构设计的复杂性和重量: 将如此巨大的载荷(发动机、燃油、机翼本身)向上支撑,对机身的结构强度和刚度提出了极高的要求。机身需要设计成一个非常坚固的“桥梁”,以承受机翼和发动机产生的载荷。这会显著增加机身的结构重量,甚至可能抵消发动机尺寸增大带来的部分燃油效率优势。
2. 起落架设计: 虽然上单翼解决了发动机离地间隙,但起落架仍然需要从机身上伸出,并要适应机翼的安装高度。起落架需要更长,而且收纳的结构也更加复杂。更长的起落架在地面滑行时也可能带来一些操作上的不便。
3. 重心管理和控制: 发动机和燃油通常集中在机翼区域。上单翼布局意味着大部分的重量集中在机翼上方。如何有效地管理飞机的重心,尤其是在燃油消耗过程中,会变得更加复杂。需要更精密的燃油泵送和转移系统,以保持飞机的重心在允许范围内。
4. 维护和检修的便利性: 发动机安装在机翼上方,意味着维修人员需要搭建更高的脚手架或使用特殊的起重设备才能进行发动机的维护和检修。这将大大增加维护的难度和成本,同时也可能增加停场时间。
5. 客舱布局的限制: 上单翼布局可能对客舱的布局产生一定影响。例如,如果机翼穿过客舱,就需要额外的结构支撑,这可能会在客舱内造成障碍,影响乘客的座位布局和通道的宽度。
6. 紧急出口的布置: 紧急出口的布置会受到机翼结构和发动机吊舱的影响,需要更仔细的设计以满足安全要求。
7. 视觉和心理影响: 对于乘客来说,上单翼飞机相对陌生,可能会带来一定的心理适应问题,尽管这并非技术上的硬性障碍。

历史上的上单翼飞机(以及其局限性):

历史上确实有过上单翼的客机设计,例如:

道格拉斯DC4和DC6/DC7系列(早期螺旋桨飞机): 这些飞机采用上单翼布局,但当时的发动机是螺旋桨发动机,其尺寸和重量与现代涡扇发动机不可同日而语。而且,它们也面临一些结构和起落架的限制。
苏联的图144和图134飞机: 图144采用的是翼身融合的上单翼设计,而图134是将发动机吊舱集成在机翼后上方。这些设计确实展示了上单翼在某些方面的可行性,但也伴随着其自身的工程挑战。

总结与展望:

目前来看,尽管发动机直径的增大对下置式机翼的设计提出了挑战,但“重新使用上单翼”并非是唯一或必然的解决方案,也不是当前主流的发展方向。 工程技术人员正在通过各种方式优化下置式机翼布局以适应更大的发动机,例如:

继续优化起落架设计: 采用更轻质、更坚固的材料,以及更优化的收放机构。
改进机翼结构: 通过先进的复合材料和结构设计,在保证强度的同时减轻机翼的重量。
优化发动机吊舱设计: 使吊舱的气动性能更好,对机翼下表面的干扰更小。
发动机安装位置的微调: 例如将发动机稍微向前或向后移动,以优化气动和重心平衡。

但是,我们不能完全排除未来出现上单翼中大型客机的可能性。 如果发动机的尺寸继续以目前的趋势增长,并且出现了革命性的材料、结构设计或推进系统技术,使得上单翼布局的优势能够压倒其固有的复杂性和成本劣势,那么我们或许可以看到这样布局的飞机。

例如,如果出现了某种高度集成化的动力单元,能够将发动机和一些辅助系统集中在一个非常紧凑且轻便的吊舱内,且能够实现极高的燃油效率和低噪音,那么上单翼布局的吸引力会大大增加。

然而,考虑到航空工业的保守性和对成本、安全、维护性的严苛要求,任何颠覆性的设计都需要经过漫长而严谨的验证过程。 在可见的未来,我们更有可能看到的是下置式机翼布局的进一步优化,以适应不断增长的发动机尺寸。上单翼布局更可能在一些特定领域或新型飞机概念中出现,而不是成为现有中大型客机的主流替代方案。

最终的决策将取决于工程师们在重量、强度、气动效率、燃油消耗、制造成本、维护便利性以及安全性等一系列相互关联的因素之间找到最佳的平衡点。

网友意见

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现代客机的确面临起落架空间不足的问题,但问题来源不是发动机直径,而是抠门航司搞的飞机越来越长。

可以看出,A321LR相比A320大幅延长了前机身长度,这么做是有风险的:前机身太长会增加前段重量,水平尾翼于是需要施加更多的向下配平力,进而导致主翼翼载增加&机身受力增加。

A321LR还极限延长了后机身长度,这虽然可以小幅降低水平尾翼配平的难度,但又导致起飞时不能全力拉起,需要以小攻角起飞、爬升,等成功起飞后在全力爬升,代价就是需要更长的起飞跑道和制造更多的噪音投影区。

然后空客已经在PPT上预备了更加丧病的A322,整机长度达到了有碍观瞻的程度:

刨去还没出生的A322,现有机型里“长到影响起降”最明显的是某新晋且过气网红:

想要知道A322造出来以后是啥模样吗?看777-9X就知道了。反正我看着是已经有些令人不适了。


至于为什么现在这么流行把飞机往死里加长,而不是直接用高一级的型号,对于A321LR而言:A321LR最大载员数240人,和767-200的最大载员数290人差距不悬殊,但A321LR最大起飞重量97吨,767-200则达到了179吨……

如果是767-200太老,重量肯定重,那么换到777-9X这边,它在两级座舱安排下是426座、351吨最大起飞重量,而波音本家稍老几岁的747-800在三级座舱时是410座、488吨最大起飞重量,照样被完爆。

于是各家航司就纷纷投入加长版的怀抱了,至于乘客入座路程太远?那玩意关我P事。

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