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737的前世今生(中)

狼来了

进入90年代,世界民用航空制造业开始大洗牌。面对老牌波音和新锐空客的步步紧逼,麦道已是日薄西山。大型的MD-11相当失败,航程和油耗指标达不到要求,而且因为飞行控制系统缺陷多次发生事故,总产量仅为200架,后期主要用于货运。中型机只有MD-80/90系列,发动机尾吊的布局已经落伍,销量加起来只有1307架。除此之外,麦道再没有任何拿得出手的机型了,尤其是767、A300这样的双发宽体大型客机。

1992年,麦道曾推出双层四发的巨型MD-12概念,但它更像是一场掩盖麦道疲态的公关秀,迅即就变得悄无声息了。因为整个航空业都知道此时的麦道既无资源也没资金来研发如此规模的客机项目。

1994年,诺斯洛普和格鲁门合并,组成诺斯洛普·格鲁门公司(F-5和F-14的组合,怎么看都不搭啊)。

1995年,洛克希德和马丁·玛丽埃塔合并,成立洛克希德·马丁公司(C-5和B-57的组合)。

1996年,波音并购了罗克韦尔旗下的北美飞机分部,紧接着在1997年8月,波音与麦道合并。在贡献出F-15、F-18、C-17等一众著名军机之后,麦道唯一留下的一点点印记就是新波音logo里的那个圆圈和飞机标志,它象征1924年由道格拉斯飞机首次完成的空中环球航行。

短短3年内,美国7大航空巨头只剩下3家,干线客机生产被波音垄断。

而在大西洋对岸,空客正在迅速成长:1987年A320首飞,这是全球第一型采用数字化电传操控的客机;1991年A340首飞,1992年A330首飞。它们具有高度相似的飞控系统、驾驶舱布局、操作及维护程序,大大减轻了飞行员的工作负担和航空公司的营运、培训压力,在市场上出尽风头。而波音要到1994年首飞的777才开始采用电传操纵系统,喊了多年的“狼来了”终于变成了现实。

A320于1987年2月22日首飞,第二年3月28日即交付启动用户 - 法航。此时737-400刚刚首飞38天,-300也才投入使用3年。两者在技术先进性上的差距一目了然。

A320是从一张白纸开始全新设计的,不受任何条条框框的束缚,机身直径为3.95米,比737宽了20厘米,正好能够容纳LD3航空集装箱,在货运方面大大增强了航空公司的盈利能力。737的短板在A320身上都不见踪影,起落架是加长的,发动机进气口是正圆的,起落架舱是封闭的,飞行控制是电传的。

> 战斗民族的A321正在莫斯科机场装载LD3集装箱

空客和波音之间的早期竞争就是现实版的龟兔赛跑。集欧洲航空工业大成的空客在成立后的头15年间只研发了A300和A310两种机型,总产量不过816架。波音的757和767产量均超过1000架,连摇钱树747都生产了479架,自然没怎么把空客放在眼里。

在单通道窄体客机市场,当波音终于干掉了737的老对手MD-80/90(后继型号MD-95在合并后变成了波音717,换了马甲以后波音同样推销不动,于2006年停产)开始躺下来数钱的时候,忽然发现乌龟不但已经远远跑到了前面,而且摇身一变长成了一只张着血盆大口的恶狼。

80年代末国际油价飞涨,在顶峰的2008年,航空公司销售收入的40%都被用于支付油料费用,而2000年这个比例还只有15%。汉莎和美联航这样的传统波音大客户纷纷跳槽,单美联航就在2008年退役了全部94架737-300和-400,转投更为经济的A320。空客已经对波音的市场份额带来严重威胁。

更为恐怖的是空客在A320的基础上正在研发一整个系列的机型,从132座的A318到236座的A321,向上直接挑战757,向下波音已经没有更小的机型可以应对。A321于1993年首飞,A319是1995年,研发速度非常快。

> A320家族全家福

第三代:新世代

波音当然不会坐以待毙,他们从1991年开始研发737的下一个升级版本,1993年正式公布了737 NG(New Generation - 新世代)计划。整个系列包括737-600/700/800,在1997年又增加了737-900,以全方面应对空客的挑战。

> 737 NG全家福

不过NG仍然与上一代经典型维持了高度的通用性,也就是那几个经典之处一个都没改。

> 737-900机腹特写

NG重新设计了机翼,采用了新翼型,弦长加大43厘米,翼展增加4.9米,翼面积增加25%,总载油量从16.2吨增加到20.8吨,发动机升级到更安静、燃油效率更高的CFM56-7B。这些改进将737的最大航程提高了1700公里,达到5600公里的洲际水平,巡航速度、升限、最大起飞重量、起降速度等重要指标都得到提高。

> 左侧为经典型的机翼,右侧为NG型,图中标注的是燃油泵位置

CFM56-7B是CFM56发动机家族里专门为737 NG研制的型号,和经典型的CFM56-3相比,风扇直径1.55米(增大了5厘米),涵道比略增至5.5,燃油效率提高了8%,维修费用降低15%。发动机底部的离地高度最小43厘米,最大56厘米。

> 发动机还是熟悉的配方、熟悉的味道:一样的短吊架,一样的仓鼠前脸

垂尾也进行了重新设计,增高了1.42米以加强长机身的航向稳定性,大部分型号都可以选装翼梢小翼,最高可以降低7%的油耗。航电设备进行了现代化升级,标配玻璃座舱。客舱采用和777类似的改进方案,包括更大曲面的空间和更大的头顶行李箱。

首先推出的是737-700,1997年2月首飞,这是NG的标准型,竞争对手是A319,总产量1488架。

为澳大利亚、土耳其和韩国开发的“楔尾”预警机采用的就是-700的机体。

> 锲尾袋鼠

737-800在6月首飞,竞争对手是A320。它的机身在-700的基础上于机翼前后各延长3米和2.84米,更改了主起落架结构,加大了轮胎尺寸,采用更强的轮辋和刹车系统。这也是整个737家族最成功的机型,总产量高达5148架。

P-8“波塞冬”反潜巡逻机就是在-800的基础上研制的。

> 海神袋鼠

737-600在1998年1月首飞,它的机身在-700的基础上于机翼前后各缩短1.37米和1.01米,竞争对手为A318、Embraer 195和庞巴迪C系列(现在的A220)。这是NG系列里唯一不能选装翼梢小翼的型号。在这个细分市场里它显得有点过大了,还竞争不过两个小兄弟,2006年之后就没有新订单,最终总产量仅69架。

为了对抗A321,波音又在1997年推出737-900,在-800的基础上再增长2.4米,甚至比707-120还要长40厘米,最大载客量超过200人。

但是不知道波音出于什么原因,在-900上保留了-800的舱门配置,即4扇主舱门加4扇机翼紧急出口,旅客应急疏散速度无法满足联邦航空局的法规要求,因此载客量被限制在189人。这样的错误有点匪夷所思,市场的反应也非常直接,737-900仅仅得到52架订单。

随即波音改进了这个缺点,在后机身增加一对舱门,增大了载油量,选配翼梢小翼时航程达到5900公里,最大载客量达到220人。这就是737-900ER,于2006年1月首飞,启动客户就是印尼狮航,总产量为505架。

实际上它已经取代了于2004年停产的757。采用C-17发动机民用型的757飞行性能十分优异,因为它的高爬升率被称为“火箭飞机”,高温高原起降能力突出,航程高达7200公里。但是动力和航程太好就变成了性能过剩,高昂的运行费用令757必须达到75%以上的载客率才能盈利,对航空公司来说压力很大。而且强劲动力带来的尾流紊流要比其它窄体客机严重得多,在航空交通管制上被列为需要额外间隔空间和时间的重型机级别。相比之下性能中规中矩的737-900更容易让航空公司接受。

> 在希思罗机场拖着强大尾流旋涡进近中的757

点评:

面对A320系列咄咄逼人的挑战,737 NG凭借波音的深厚功力,短短4年时间里连续推出4个相对应的型号,在商业上取得了巨大的成功。A320的技术大幅领先,推出时间更早,竭力追赶的737 NG能打成平手殊为不易。波音以优秀的机翼设计、完善的制造工艺、高效的成本控制,创造出惊人的生产率:到2015年,737的月产量达到42架,2018年更是提高到52架(埃航飞机失事后,因为大量订单被暂时终止,目前的生产速率被降回42架)。A320则在2016年达到46架的生产速率。

当然超高的开发和生产效率背面是尽量不改动原始设计,波音的做法就是拉长再拉长,不过分影响性能的地方坚决不改,那些5、60年代的痼疾实在是顾不上了,只要能大卖就行。

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黄石计划

波音对于737的短板自然是心知肚明的,进入新世纪以后,波音展开了一项名为“Yellowstone - 黄石”的发展计划,目标是由应用大面积复合材料、电传操纵系统、优化空气动力学构型和新一代节能发动机等先进技术的全新飞机替换现有的全部产品线。

黄石计划分为3个子项目,首先孵化成功的是Y2,也就是后来的787,用于替代767-300/400和777-200,和A330、A340、A350竞争。

Y1用于替代737、757和767-200,它将有类似757/767组合的大小两个构型,基本上就是缩小版的787。2014年,波音宣布737的代替计划将推迟到2030年代。推迟的原因有两个方面,一是技术上的,波音希望新飞机能把营运成本降低20%-25%,但把787缩小仅仅能达到10%,还需要研发更具突破性的新技术;二是737 NG的销售势头实在是太强劲,波音希望延长它的生命周期,谁不想躺着就能赚钱呢。

但是波音CEO Jim McNerney也谈到,到2030年我们还是需要一款新的飞机,因为那时我们将面对来自中国或其它地方的竞争,竞争者的设计将参照787,所以波音必须继续创新、领先一步。

2015年起,波音将发展重心逐渐转向Y1组合中大的那一款:NMA - 新式中型客机计划,它将是具有椭圆形机身截面、一排7座的中型客机,预计在2020年代中期首飞,型号很可能就是797。

Y3用于替代777-300和747,与A380和A350-1000竞争。随着A380的日渐式微,Y3在2013演变为最新的777-X8/X9,同样是采用787的先进技术改造777,不再另起炉灶了。

第四代:Max

从上面的几个计划也可以看出,最不受待见的还是737的替代者,直接被打入冷宫。倒不是737这个级别不重要,737占波音总订单数的比例一直保持在70%左右,对波音营业利润的贡献率接近三成,属于跑量的低利润产品,但是它对维持生产线、保持波音的市场份额、增强客户对波音品牌的忠诚度至关重要。

737的后继机计划一拖再拖,除了波音自己内部的因素,最主要还是因为狼又来了!

2010年12月,空客推出了A320neo (new engine option - 新一代发动机选项),在半年内狂扫1029架订单,并且打破了波音对美国航空(AA)的垄断,于2011年7月签下130架A320neo系列的标志性大单。

A320neo如此凶悍,是因为它采用了新一代先进动力系统:CFM LEAP-1A涡扇发动机或普惠PW1100G-JM齿轮传动涡扇发动机(GTF)。按照空客的数据,它比上一代A320ceo (current engin option - 当前发动机选项)节省16%的燃油,降低20%的维护成本,配合更大的翼梢小翼和空气动力优化,整体性能提高5%,今后还有10%的提升空间,这对航空公司来说简直就是致命诱惑。

> A320原型机的机身上就写着口号:无可匹敌的燃油效率

此时最新款的737-900ER已经诞生10年,下一代中型客机还遥遥无期。波音如果不尽快拿出性能相近的机型,窄体客机市场好不容易维持的均势将很快崩盘。

同样在2011年7月,波音宣布AA计划购买100架新一代737(两头不得罪),它也将配备CFM LEAP-X发动机。8月30日,新机被命名为737 MAX,发动机型号确定为LEAP-1B。

在解释为什么起MAX这么一个名字时,波音的商业发展与战略副总裁说它意味着波音的客户能得到最大的效益、最大的竞争优势、最大的价值以及一架飞机能提供给客人的最大可能。翻译成人话就是,波音已经把737的升级潜力彻底榨干了。

MAX-8于2016年1月首飞,2017年5月6日交付启动用户 - 马来西亚Malindo航空公司,两个节点均比A320neo晚16个月。

在这么短的时间里研制出一款性能大幅提升的新飞机,重新研制肯定是来不及了,波音唯一的选择就是在737 NG的基础上继续修改。因为机体不能动,737每一次升级都陷入面多了加水,水多了加面的尴尬循环,这个面和水就是机翼和发动机。从初始型到经典型,动力落后,重点升级发动机;经典型到NG,航程不够,主要升级机翼;NG到MAX,燃油效率太低,又轮到升级发动机。

要以最快速度赶上对手,最简单的办法就是他用什么我也用什么,波音就是这个思路。LEAP(Leading Edge Aviation Propulsion - 前沿航空推进系统)发动机是CFM56系列的后继型号,2008年7月推出。它共有3个子型号,1A用于A320neo,1B用于737 MAX,1C用于商飞C-919。LEAP大量采用先进复合材料,涵道比达到10一级,并采用了首批获得美国联邦航空局认证的3D打印组件。

> 从左到右是LEAP ABC三兄弟,对应的是航空制作业中的ABC

LEAP-1A和1C的尺寸基本一致,两者的涵道比都是11,进气口为正圆型,1A的风扇直径1.98米,最大推力15.9吨;1C的风扇直径1.96米,最大推力13.6吨。

只有1B,同样受737短起落架和低离地间隙(最小不低于43厘米)的限制,进气口还得是压扁的,涵道比只有9,风扇直径1.76米,最大推力12.2吨。它的尾喷管也采用了787那样的波音专利波浪形锯齿,主要作用是降低噪音,也能略微提高喷气效率。采用LEAP发动机后,MAX的油耗比NG系列降低了11-12%,运营成本降低了7%。

即便LEAP-1B的指标和尺寸已经是三型中最低的,它的风扇直径仍然比过去的CFM56-7B要大出21厘米,整个发动机吊舱的高度达到2.25米。除了继续少量前移和抬高发动机安装位置,波音不得不首次把前起落架的长度增加15-20厘米,就为了增加这点高度还得重新设计前起落架舱和前部的电子设备舱。

> 左为NG,右为MAX,可以看到LEAP发动机大出一圈,安装位置也更高

> 侧视图,右侧为反推装置开启状态,可以看到发动机前端和吊架的隆起部分几乎要高于机翼上表面了

为了减小阻力,MAX加长了尾椎,降低了1%的油耗。除此之外外观上最大的区别就是标配了最新设计的双羽式翼梢小翼

737系列自2000年开始安装翼梢小翼,共有4种形态:迷你小翼,用于737-200改装(相当罕见);混合式小翼,用于经典型和NG;分叉弯刀式(Split Scimitar Winglet - 从哪本字典上翻出来的词),2014年开始供737-800和900ER选装;以及MAX标配的双羽式先进技术小翼( Advanced Technology - AT)。

AT小翼采用了自然层流技术,重新分配展向载荷,小翼本身也产生部分升力,增加了机翼有效翼展,增升减阻效率更高,能比传统小翼降低1.5%的油耗。当然提高效率也是有代价的,单付小翼净重约82公斤,加上加强的支撑结构,整个翼梢小翼系统增重约为218公斤,和传统小翼的重量持平。

上图为不同小翼构型的升力分布对比,最上面没有安装小翼,中间是混合型,下面是双羽型,可以看到双羽型的升力分布最均匀。

MAX系列同样也有4个型号,MAX-7/8/9/10。

> 737 MAX全家福

首先推出的是标准型MAX-8,对标737-800,它也是MAX系列中最热销的型号,总订单数高达3600架,国内航司引进的96架全都是这个型号。

MAX-8还有一个高密度布局的型号,在同样的机身里塞进了200个座椅,型号称为MAX-200。波音声称它将是同级客机中费效比最高的客机,比MAX-8还要高5%(对737潜能的压榨,没有最大只有更大),瑞安航空已经订购l 135架。

第二个型号是MAX-9对标737-900ER,比MAX-8长2.6米,2017年4月首飞,2018年3月交付启动用户 - 泰国狮航,目前的订单数是220架。

第三个型号MAX-7,对标737-700。但不幸的是每一代737中最短的型号都是卖得最差的:737-100只卖出30架,占OG的2.6%;-500卖出389架,占CL的19.6%;-600最惨仅仅卖出69架,占7100架NG中的1%;MAX-7也没好多少,目前只有63架订单,占MAX的1.7%。

面对这样的窘境,波音曾经打算取消这一型号,后来还是像改进737-900那样修改了原始设计,只是在首飞之前。新的MAX-7机体加长1.92米以增加2排座位,为此还增加了两扇机翼逃生门以符合救生要求,最大起飞重量增加了10吨,起落架也得到加强。

一番改动之后,波音声称MAX-7能比竞争对手A319neo多携带12名乘客,航程大400海里,每座运行成本低7%。MAX-7于2018年3月首飞,目前尚未交付。启动用户西南航空已经把交付日期从今年1月推迟到2023-24年,而西捷航空这样的客户目前正在把MAX-7订单转换成MAX-8或者MAX-10,所以MAX-7依然前途未卜。

最后一个型号是MAX-10,用于和A321neo竞争并填补757留下的空白。它比MAX-9长1.68米,多2排座椅,和更长一点的A321neo载客量相当,但重量轻2.8吨,因而拥有更低的油耗和稍大的航程。MAX-10将于今年下半年首飞,目前已经得到240架订单。

MAX-10的长度达到43.8米,比初代的737-100长出13米,最大起飞重量92吨,比-100重48吨,均为整个737家族之最。

MAX-10的发动机没有变化,主起落架舱尺寸也动不得,但主起落架长度必须加长以适应更长的机体,否则起飞时就会导致擦尾。为此波音特别采用了可伸缩的摇臂式主起落架,在起飞时可以伸长24.1厘米,增大机体离地间距;主起落架收入起落架舱前再进一步收缩。这种设计也应用在777-300ER和787-10上。

> MAX-10主起落架的三种状态,左为收入起落架舱后的静止高度,中为伸长的起飞高度,右为在地面的负载高度

点评:

737 MAX系列的研发又是一次仓促应战,在新发动机、新航电、巨量订单蜂拥而至的表象之下,还是那个诞生自上世纪60年代的古旧架构。无解的发动机和起落架之争,连伸缩起落架设计都用上了,就像海绵已经被压榨出了最后一滴水,737的升级发展已经走到了尽头。

从历年来波音和空客的订单数量来看,737的成绩并不差,累计销量高达10444架,因为它早在1967年就开始销售了。如果从A320首次交付的1988年3月开始计算,737的交付数量是8918架,同期A320系列共交付8605架,737还是小胜。

但如果把眼光转向未来,737的疲态就非常明显了。截至2018年12月31日,空客手握6056架A320订单,737 NG+MAX的订单数则是4763架。在接连发生2次致命坠机后,这个对比肯定还会发生显著变化。

> 绿线为A320的年交付数量,蓝线为737,自2002年开始,737就再没超过A320

737的问题到底在哪里,MAX-8两次坠机的祸根在什么地方,请看下回分解。

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