飞机还能造得更大吗？

2006年11月，欧洲空客公司的A38@在技术验证飞行中，飞抵中国的广州、北京、上海、香港，引起社会各界的关注。由此引发了一系列的话题。我收到一位航空结构专家发来的电子邮件，询问“飞机做大的极限是什么?比如说，可不可以设计出乘坐几千人的飞机，”报社的记者打电话前来询问：“是什么条件促使超大型旅客机出现的?A380的出现会不会引发一场超大型飞机涌现的热潮?”

飞机做大的结构限制

要想把飞机做得更大，在技术上需要解决三个方面的问题：第一是结构材料、第二是动力、第三是操纵与运作。

在结构和材料方面，结构的尺寸放大，总的受“尺度效应”的控制。在客观规律上存在“平方和立方规律”的约束：当结构的线性尺寸增加时，其构件的承力面积与线性尺寸成平方地增加，但是结构的重量却随尺寸的立方而增加。因此结构越放大应力越大。这使得放大有一定的限度，要超过这个限度，只有改变材料，或者改变结构型式。

在20世纪50年代，第一种成功的喷气客机波音707与过去的小型喷气式飞机相比较，在结构上使用了整体壁板、变厚度蒙皮、整体油箱、蜂窝结构、高抗剪联接件等一系列新工艺和新技术，在大型飞机上传统的铝合金材料的应用达到了100吨以上。

新世纪出现的起飞总重量达到590吨的A380，在主体结构上仍然采用了大量的传统铝合金。但是结构上采用复合材料的比例比过去的飞机有大幅度的增加。

复合材料由树脂和强度很高的碳素纤维或玻璃纤维的编织物组成。这些增强的基质织体一层一层用树脂粘在一起，得出的材料，比硬铝合金轻40％，而强度可增加20％。因此，飞机设计师在民用飞机上越来越多地采用了复合材料，并且用量在稳步上升。

在20世纪70年代出现的MD80飞机上，采用的复合材料占整机总重量的比例微不足道，大约在2％左右；1980至1985年出现的波音757／767，以及空客A300-600飞机上，复合材料的应用仅仅只有4％：而空客A310飞机上就达到了10％；在1995年前后出现的波音777飞机上，复合材料的用量大约在10％。然而，欧洲空中客车公司在复合材料的使用上比美国波音公司激进，他们在1990前后出现的A320、A321、A330及A340飞机上，其复合材料的用量已达到了12％至16％左右。而如今在A380超大型客机上，复合材料的使用已达到25％。

空中客车公司在A380飞机上，比已往任何飞机更加雄心勃勃地使用了复合材料。很多构件如机身上壳、雷达罩、地板梁、后承压框、龙骨梁、发动机短舱部件、机尾罩；机翼上的中央翼匣、翼肋、固定前缘、机翼固定后缘、起落架舱门、副翼、扰流片、襟翼；水平安定面、升降舵、垂直安定面、方向舵等等。

在军用飞机上，以及一些小型的公务机上，复合材料已经作为主要的结构材料。但在民用客机上，如何用有效的质量检查来保证飞行安全，还正在航线上积累使用经验，使用复合材料的步骤比较审慎。

在飞机向更大型化发展的道路上，采用新的更轻更强的材料同时，在结构上也可能会同时考虑选择新的型式。比如采用双机身结构，以降低机翼根部的弯矩。

世界航空界曾提出过一种“飞翼”的布局设想，这个设想最早由美国麦道公司提出，后由波音公司继承。这种设想认为飞机做大到一定程度，机翼内的空间便可以容下全部旅客，而可以省去机身了，飞机的全部装载都装在机翼内。

但是在民用客机的尺寸不断加大的过程中，从欧洲的空客公司最先出现的A300到新近出现的最大的A380，以及从美国波音公司的波音707到波音最大的客机747，如果我们细细注意它们的外形布局的演变，就可以看到飞机的尺寸变大以后，飞机的各部件似乎仍然保持了与原来的飞机相似的比例，并没有显示出飞机越大机身越小的趋势。

这是因为现代旅客机机翼增升机构效率提高，可以使机翼做得比预计的面积小。如果在机翼内装载所有旅客，还有应急状态下如何迅速撤离飞机的通道问题，成为“飞翼”布局很难解决的一个障碍。

大推力发动机

人类首次出现的“大飞机”，并不是从小飞机逐渐经过“演变”而来。而是在莱特兄弟的飞机出现后的第10年，即在1913年由西科尔斯基设计制造的“俄罗斯勇士”号所出现的一次“突变”。当时，该机安装了4台发动机。

在第二次世界大战期间，英美两国建立起了飞越大西洋的航空运输。二战后，英美曾想继续发展这种越洋飞行，曾先后设计出了好几种大型飞机。但一个有意思的史实是：可能是考虑到当时机场的限制，那时设计的这些“最大的飞机”都是从海面起降的水上飞机。

其实，当时的条件对大飞机而言，不仅仅只是机场跑道造成的限制，还有一个限制是由于没有足够大动力的发动机。1952年8月试飞的英国桑德斯·罗公司的“公主”号可以运载105名旅客。为了让该机以每小时620千米的速度飞越大西洋，不得不在该机上安装了10台发动机。

另外，美国富豪休斯于1947年研制的“大力神”号水上飞机，当时计划可载运700名士兵飞越大西洋，其机翼面积比现代的波音747还大一倍多。可算得上是迄今为止人类研制过的最大飞机，当时该机使用了8台发动机，而后来的波音747只装了4台发动机，其中每一台比“大力神”号的8台发动机的总动力之和大出一倍多。由于“大力神”号的动力不足，只作过一次水面滑行，跃出水面飞行不到一分钟，便永远被送进了博物馆内保存展览。

飞机上安装的发动机数量越多，无形之中增加了动力系统的重量，同时还提高了动力系统的复杂性。细细研究有意思的是，在大飞机的发展上，安装越来越多的发动机之后，似乎仍然回到最初的大飞机“俄罗斯勇士”号的动力装置布局，而越来越清晰地体现出安装4台发动机似乎更加适宜。如此说来，飞机做得越大，对单台发动机提供的推力要求便越高。

A380使用的4台涡轮风扇式的大型发动机，推力达到1210至1450千牛。才使得如此大型的飞机能够重载远航。

操纵和运作问题

我曾操纵过大型军用运输机的工程模拟器，体验过驾驶大型飞机的感受。

这种模拟器安装在试验室，用计算机模仿飞机的各种飞行姿态，人在操纵它时。既有驾驶飞机的感觉，又无实际飞上天空的危险。它的动作原理与我们平时说的用来培训飞行员的飞行模拟器大同小异，它主要用于飞机型号研制。

我在操纵这种模拟器时，印象最深的是由于它巨大的质量造成的一种惯性。比如操纵拉杆。使飞机抬头。我虽然拉动了驾驶杆，但飞机没有反应，纹丝没动。其原因是它的质量实在太大了，动不起来。等了好一会儿，飞机的姿态才有所反应。但它一旦动起来，

却又止不住了。我又赶忙推杆消除刚才给它的抬头指令，但它不听，仍然继续抬头。直到它因惯性而冲过头了，似乎才感受到我发出的低头的新指令。这种现象，称为由于惯性而产生的“过调”现象。飞机越重越大、这种“过调现象”越突出。

我曾经操纵过的这种大型军用运输机的模拟器，是一架由人工操纵的工程模拟器，虽然有液压系统的助力作用，但并没有用计算机的人工智能来操作，而现代的大型飞机，可以使用一种“电传操纵”来解决这个问题，(或“光传操纵”，即由光缆来代替电缆传递操纵信息)，驾驶员的操纵信息进入计算机后，由计算机根据操纵指令综合各种状态进行最佳优化的处理，使飞机最后的反映与驾驶员的要求完全吻合。

对于采用这种先进的电传操纵系统的态度，欧洲空中客车公司很早便在该公司生产的飞机上使用了。而美国的波音公司，虽然过去稳占了民机销售的鳌头。但并不急于采用带有一定风险的新技术，而采取了一种比较保守的态度。在空中客车公司的A380问世之前，波音公司在其最大的飞机波音747上，仍然没有使用电传操纵技术。但后来为空客新技术的进展所迫，也开始在波音777等新型飞机上开始使用了。

一架新型民用客机的诞生必须满足适航标准的规定，如飞机在地面滑行中产生事故时，必须保证全体旅客在90秒钟内全部撤离飞机。空中客车的A380飞机采用了双层客舱。在两层客舱的每个正常出口和应急出口处，都安装了用压缩空气充填的折叠式应急撤离滑梯，全机共设有16个这种应急撤离滑梯。经过实际组织人员进行撤离演练，证明在75秒钟内便可使旅客全部撤离机舱。这说明A380完全通过了旅客应急撤离的考验。据说，对于计划在机翼内部密集设置旅客舱的“飞翼式”客舱方案，难以解决旅客应急撤离的要求。

A380是否会引发超大型客机的竞争热潮

A380以载客多。航程远而取得航空运输中的规模效应，同时可以使每位旅客平均座公里的耗油率下降。由此，过去这种大容量远航程的运输本来被波音747独占市场，现在随着A380的出现而产生分割。

空中客车公司研制A380的消息传出后，美国波音公司的最初反应是奋起应战。他们进行了同样属大吨位远航程方案的研究，但很快就得出了结论：大载量、远航程的运输在目前还属一个有待开辟的市场。虽然欧洲和美国都看好中国人口的巨大潜力，在中国发展经济和文化与世界进一步交流所展示的运输前景是诱人的。但除了已有的波音747外，在出现A380之后是否还能容下另一种新的超大型客机的进入，有待市场实践去证实。

波音后来调整战略方向。转向一种航速略为提高、进一步接近声速的“声速巡航客机”。但进一步的技术论证说明，目前客机所使用的“高亚声速”速度正是技术与经济结合得最佳的区域。如果将速度略为提高。在技术上会付出很大的代价，而经济收益又远远不能补倘技术上所付出的这种代价。

因此，波音将战略转向使用现有可行的技术，最大可能地提高飞机效率的方向上。计划推出“最有效”的飞机，之后又提出“梦幻机型”。总的打算是放开超大飞机的一头。让A380去闯开市场，而将目光集中在中小城市联成网络的中型飞机上。

A380计划在2007年投入航线使用，至今已获得159架订单。对于一个新兴的超大型飞机的市场，这只是正式开局前的部分意向。真正的市场效果，还要等几年才能看到市场培育的实际生长过程。从近期来看，A380可能不会引起对超大飞机的激烈竞争局面。另一方面，A380绝对不是超大型飞机的极限。社会对于大宗运输的需要并没有中止，相反以后可能会更加强。从研制出超大型飞机的技术要素来说，A380没有表明遇到了进一步发展的瓶颈，没有遭遇到不可逾越的困难。因此，从长远来说，A380不会是超大型飞机的极限。

责任编辑　京　勉

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