第1章 直到決定開發噴射客機前
1.1 噴射客機的壽命
噴射客機的壽命在設計時,主要依其機體構造而定,通常都以其構造強度能夠承受的飛行時間及飛行次數來決定。例如長距離客機波音747,在設計階段時便以「總飛行時間60000小時」以及「起飛和著陸次數(又稱起降次數)20000次」為目標,並在實現此目標為前提下,進行設計製造。
其後製造的短距離機型(747SR),比起長距離機型的巡航飛行高度較低,接受外部空際的氣壓差較小,但另一方面,短距離航線的起降頻率會增加,因此便將新機體的飛行壽命目標設定降至42000小時,但起降次數則增為53000次。
此外,飛機也會根據其實際操作的狀況,而有可能超過當初設定的飛行壽命。例如麥克唐納‧道格拉斯(簡稱麥道,後來與波音公司合併)公司的MD-80,它所設計的飛行時間壽命為45000小時,但卻因其相同構造設計的前代機種DC-9的飛行實績,而延長至78600小時。
若要正確推測客機的壽命,會有點複雜,不過以一般的客機使用條件,其中一個標準就是「經濟壽命達20年」。這個意思就是在20年內,一般維護保養工作下便能夠飛行,但若超過20年,即使還能夠運作,其維護工作的頻率也會增加,而且修補工作所需的花費也會提高。
但如果是貨物專用機,即使相同設計的機種,其壽命也能延至35年。原因之一就是貨機不載客,因此像一些使用壽命較短、且需要頻繁檢查的旅客用安全設備以及客房系統等都不需要裝設。當然客機本身的安全性和構造強度等完全沒問題,在不載客的情況下還能夠延續使用15年。因此當客機退役後,其機體大多會轉賣,被當成貨機來運航。
1.2 市場預測
噴射客機並非每個人都會購買的一般商品。但是進行市場預測,調查何時需要、需要何種機種、以及需求量多大等,再根據預測訂定販售策略,這一點和其他商品並無不同。
客機主要製造商波音公司以及空中巴士公司每年都會發布20年後的市場預測。波音公司發行的預測稱為Current Market Outlook(COM),空中巴士的則稱為Global Market Forecast(GMF),其中包含往後20年間世界各地區的經濟成長預測、未來20年內全球所需機種和數量、以及每個地區需求的特徵等。
這兩家公司的預測時間之所以都是20年,這是因為前面提過,客機的經濟壽命大約為20年,現在所使用的噴射客機在20年後幾乎都退役,且更換完畢。簡而言之,這個預測是針對全機型替換期間的總需求。
兩間公司的全體預測並無太大差異,其預測相同的部分如:今後20年內,航空旅客的需求量每年平均約成長5%,其結果表示噴射客機的數量必須增至2倍,牽引世界航空旅客市場的地區是中國以及東南亞地區,而需求量最大的則是單通道機艙,配備150∼180席座位的機種等。但是關於超大型機種的需求量,由於空中巴士開發並販售了A380客機,因此空中巴士對於這項需求的預測量較大。
第2章 如何開發噴射客機
2.1 決定形狀及架構
噴射客機的架構上,機體幾乎都是圓形剖面,且主翼都是在機體下方以低翼配置。一般而言,引擎的裝置方式有裝在後部機體(又稱為後置式)、以及裝在主翼下兩種,近年來小型客機幾乎都採後置式,但將引擎裝在主翼下方仍為主流。當然每架飛機的裝置方式都會因某些理由而被決定,因此絕對有其合理性。
首先,機體的剖面之所以多為圓形,是因為在高空飛行的噴射客機,其機內氣壓通常比機外氣壓高。噴射客機通常在10,000公尺左右的高度飛行,如果機內氣壓和氣溫與外部空氣相同,那麼高空氣壓僅有平地氣壓的一半,氣溫約為-50℃,這樣的環境不是人類可以生存的。因此飛機的客艙內,配有能夠維持舒適溫度以及提高氣壓(又稱為加壓)的空調系統。
現今幾乎所有的客機即使在高空飛行,客艙的氣壓高度也能夠維持在8000英尺(約2400公尺)內,這樣的氣壓大約和日本富士山的新五合目標高相同。機艙內氣溫當然也設定在最適宜人類生存的20℃左右(實際設定一般由空服員調整)。最先進的機種波音787,甚至將機艙內高度壓力降至6000英尺左右(約1800公尺),提供旅客更接近平地的環境。
以加壓裝置來從機體內側提高內部壓力時,若剖面以圓形構造呈現,優點就是無論機體內任何一個部分,都能夠平均加壓,而且又能將構造簡化,在設計和製造上也比較輕鬆容易。有些小型飛機機體剖面呈現四角形,但這樣的機種在內部所需的加壓會因地點不同而改變,因此無法裝配加壓系統。
主翼採低翼配置最為合理
客機機體原則上為雙層構造,地板面的上方為客艙,下方則設置貨艙。為了確保其搭載力,兩艙都必須規劃一定的空間,因此機體必然會變寬胖,另一方面,考量到要讓貨物容易裝卸,機體位置最好儘可能壓低。
如果只考慮機體位置,只要將主翼採高翼配置就能讓機體降低,但若將機體分為客艙和貨艙雙層構造,貨艙的部分就會讓機體拉高,導致機體位置無法降低,而且也會讓機體重量增加。
因此,高翼式的客機都是客座100席以下的小型飛機,或者是貨物量較少的區域性支線專用機等,這種配置也可說是一種例外。針對適用於各種路線的客機,如果採高翼配置反而沒有優點,因此今後低翼配置應該會繼續引導主流。
人從左側上下機,貨物從右邊裝卸
旅客通常從飛機左側上下機,因此機體左前方設有乘客登機門。機體的右側同樣也有機門,現在的噴射客機將右側機門設置成和乘客登機門一樣。客機的機門分別設在機體左右,目前左右機門的大小原則上相同,兩者可兼作登機門和緊急出口。其中例外的是主翼上方的緊急逃生門,它的尺寸相當小。它除了可當作緊急出口,還可以當作地面上的服務門(作業用),用來補充及裝卸機內設備、飲食等,以及提供機內清潔員等相關業務人員出入使用。
由於乘客從左邊上下機,其相關設備也集中在機體左側,因此貨艙的裝卸就必須在右側進行。這就是為什麼在飛機設計的結構上,客艙門固定在機體左側,貨艙門則固定在機體右側。
乘客之所以從左側上下機,這是取自船舶的運航規則。在航空旅遊發展初期,大型飛行艇相當活躍,這種飛行艇也會在海上航行,因此適用於船舶的航行規則。在這之後的客機便承襲此規則直至今日。不過在1970∼80年代,當時日本羽田機場裡沒有充足的停機空間,因此曾經讓旅客從右側上下機。
引擎及燃料的搭載位置是大學問
飛機內部取得重量平衡的地方,稱為重心位置。重心位置會根據飛機裝載物品的平衡而改變,但大體上說來,一般位於主翼和機體各自的中央位置附近。
飛行中的飛機必須將重心位置壓縮在一定範圍內。因此重物或在飛行中會改變重量的物品,配置於重心位置附近最為合理。客機的各種裝備品裡,最增加機體重量的就是引擎,例如A380所使用的Engine Alliance(發動機聯盟公司)的GP7200發動機,一具引擎的重量是6721公斤,4具引擎總重約27噸。雖然這和A380的總重量560噸相比,僅占其中不到5%,但如果將引擎大小(直徑2.95公尺,全長4.75公尺)考慮進去,它確實是個大型且十分重的元件,因此最適合安裝在重心位置附近的主翼上。
飛行中的飛機,重量會大幅改變的就是燃料。只要飛行,燃料就會消耗,因此出發時的燃料重量和到達時相比,重量當然不一樣。燃料的消耗量會依當日飛行的風速以及飛行高度、飛行速度等多種因素而改變。
波音787-8在極平常的天氣狀況下,於8,425海浬(15,455公里)的距離範圍內,在巡航高度41,000英尺(12,497公尺)、巡航速度0.85馬赫下飛行,若起飛時裝載189,760磅(86,075公斤)的燃料,著陸後燃料會減至18,004磅(8,167公斤)。該趟路程的燃料消耗量為17,1756磅(77,909公斤),耗損比例占起飛時搭載量的90%以上,因此會產生相當大的重量變化(換算誤差約為1kg)。
因此燃料的最佳配置位置,也是在重心位置附近。不只民航客機,大多數的飛機都在主翼內設置油箱,原因就在此。如果將引擎附掛在主翼下,油箱配管也可以縮短,這也是優點之一。
2.2 以數位模擬法設計
客機的設計及製造方式近年來已逐漸改變。在設計上導入了電腦輔助設計(CAD),進化為無紙化,甚至也能和合作企業結合,所有參與計畫的公司都導入共通系統,以網絡連結後在電腦上進行所有設計。
此外,過去為了確認設計是否正確,在製造實體機之前會先製造出木製實體模型。這個實體模型是為了確認在二元圖面上無法呈現的部分,如所有配備是否能完整收納,以及配線和配管是否互相干擾等,但今日這些作業都能夠以三次元的電腦圖像來進行數位模擬,目前已不需要製作木製的實體模型了。
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