商用飞机总体布局的发展演变

王元元

1914年1月1日，一个由四名梦想家组成的团队齐心协力开启了历史上首个定期商业航班。100多年过去了，如今的商业航空以前所未有的网络将全世界联系在一起，影响着世界每个角落的人们。作为商业航空主角的商用飞机也从最初的给人“简陋、噪声大、低端”等形象发展到了如今的“高端、舒适、上档次”，未来还将继续朝着更高效、更环保、更舒适的方向发展。本文将给您呈现商业航空发展过程中商用飞机总体布局的演变。

商业航空兴起的早期

——（20世纪20-30年代）

在商业航空兴起初期的上世纪20年代，旅客们乘坐飞机飞行的感觉并不愉快。因为当时客舱的噪声实在是太大了。曾担任负责航空事务的美国海军副部长及国际民用航空组织（ICAO）主席的爱德华·p·华纳于1922年10月30日在航空周刊的前身‘航空杂志上发表文章，文中提到“飞机发动机产生的噪声是一个始终存在的问题，它比人们通常认识到的更加严重。”他说：“我同许多乘客讨论过关于欧洲航线的问题，大多数人没有坐过，坐过的大多数人表示乘坐一次就足够了。”这些乘客对乘坐欧洲航线的厌恶主要来自于噪音，巨大的发动机噪声使得乘客几乎无法在飞机上相互交谈，更严重的甚至会导致某些无经验的乘客在飞行结束后的一个小时或更长的时间内产生听力障碍。

虽然像波音247、DC-1、DC-2等飞机技术达到了较高的水平，但DC-3以其2.34米宽的客舱将商用飞机的舒适性提高了一个档次。然而，乘客并不喜欢后三点式起落架的倾斜地板，这也是促使道格拉斯在后续的更大的DC-4E研究中考虑采用前三点起落架构型的部分原因。

当时，欧洲的大多数长途飞行服务都是由英国帝国航空公司和荷兰皇家航空公司提供的飞往各自国家殖民地的航线。在20世纪30年代，帝国航空公司提供了欧洲飞往非洲、中东、印度、南亚、澳大利亚和新西兰的组合航线，组合是指使用了水上飞机、火车和低速飞机（类似24座的汉德利·佩奇HP42/45，该机翼展39.6米，安装4台布里斯托尔木星发动机）的组合交通工具。1932年，一条伦敦飞往南非开普敦的组合航线需要72个飞行小时（低空、非增压客舱飞行），中间换乘4次飞机，乘坐火车1931千米。仅开罗到开普敦的航线就有27个主要的机场和30个经停站。由机械原因和天气原因导致了更多了非计划停靠。有一次，在中东地区被迫进行沙漠强行着陆后，机长要求乘客下机用帽子去收集干的动物粪便用作燃料，以保证他们可以渡过寒冷的夜晚。

增压客舱的出现

（20世纪30年代后期至今）

随着更强大发动机和增压客舱在20世纪30年代后期的出现，波音307型平流层客机成为第一架拥有客舱增压系统的商用运输机。这一特性使其有能力在20000英尺（6096米）高空进行横跨大陆的巡航飞行，使其能避开许多天气和山区干扰。得益于二战中B-29轰炸机使用过程中获得的经验成果，更加先进的采用客舱增压泵的增压客舱布局客机登上了历史舞台。二战后期的DC-6、星座飞机可以在直至20000英尺（6096米）巡航高度上提供8000英尺（2438米）的舒适的客舱压力高度。

活塞动力飞机发展的顶峰

（20世纪40年代）

随着活塞发动机的发展达到顶峰，飞机载客量也得到了很大的发展。这期间发展的飞机包括不太成功的布里斯托布拉巴宗飞机，该机是英国飞机公司从1946年至1948年用了3年时间研制生产的一种瞄准跨大西洋航线的大型客机，翼展70米，采用8台活塞发动机。虽然该机采用单层客舱布局，但其他的制造商选择更敏感的双层客舱布局，其中包括波音的C-97双层“同温层巡航者”飞机和洛克希德公司57.6米翼展的“星座”飞机。前者是在B-29轰炸机的基础上增加了一个更大截面的上层客舱，后者则采用了类似寇蒂斯C-46的设计思想。

涡桨飞机崭露头角

（20世纪50、60年代至今）

燃气轮机的发展也推动了作为中间产品的涡轮螺旋桨客机的发展，因为相比最好的活塞飞机，涡桨飞机具有一样甚至更好的效率、可靠性和动力。虽然英国和前苏联都曾追求远程的涡桨飞机，比如布里斯托尔大不列颠和伊尔-18，但是上世纪50-60年代最成功的涡桨客机却是其他制造商研制的中短程客机，包括福克F27、诺德262、汉德利·佩奇信使、维克斯子爵和先锋以及洛克希德的厄勒克特拉。

喷气式客机逐渐占据市场

（20世纪50年代后期至今）

随着喷气发动机的发展，大型活塞飞机很快就被挤出了市场。最终，波音公司的波音367-80喷气式飞机奠定了今天广泛使用的涡扇发动机飞机构型。但该机132英寸（3.3528米）宽的客舱截面被认为相比波音设想的6座布局有些窄。因此，在波音367-80基础上发展起来的KC-135加油机客舱宽度被扩展到了144英寸（3.6576米）。但是，由于竞争对手道格拉斯将DC-8客舱的宽度增加到147英寸（3.7338米），波音在发展707的时候将客舱宽度进一步增加了4英寸至151英寸（3.8354米），尽管当时这是一个“昂贵”的决定，但是这也成为了波音后来直至目前的737MAX单通道客机的布局标准。

1955年首飞的法宇航的快帆客机成为历史上第一种采用发动机后置尾吊布局的喷气式客机，它的研发主要用在于替换活塞动力的道格拉斯DC-6。该机的两台发动机分别安装在机身尾部两侧短舱内，尾吊发动机布局可以保持机翼外形简洁，使流过机翼的气流免受干扰并降低客舱噪声。快帆客机是西欧国家在空中客车飞机项目之前仅有的两种能实现盈利的喷气式客机项目之一（另一个是BAC1-11客机）。该机的布局在随后的几十年被多家制造商的产品所采用，包括道格拉斯的DC-9、图波列夫的图-134、图-154、BAC1-11、福克F28、波音727、德·哈维兰的三叉戟、伊留申的伊尔-62和维克斯的VC10。

宽体喷气客机时代

（20世纪60年代至今）

宽体喷气客机或者说双通道喷气客机的出现是在20世纪60年代繁荣经济的刺激下产生的。1966年初，波音和泛美航空公司决定开发350座级的波音747。起初，波音考虑的是采用单层宽体客舱的设计思想。最终，考虑到波音747最终将用于货运的预期，波音将747的主舱设计为能够容纳8英尺×8英尺集装箱的大直径圆形截面，而驾驶舱采用了独特的设计安装在主舱前部上方，从外形上看机头部分隆起，这样可以方便从机头位置进行装载。空客研制的真正的双层客舱布局的A380于2005年首飞，它是世界首款采用全双层客舱布局的大型客机。

喷气支线飞机的兴起

（20世纪80年代至今）

专门针对区域市场的小型喷气客机诞生在1980年代末的美国，随着轮辐式航空网络的逐渐发展，支线航空市场逐渐兴起。但是推动支线航空市场革命性发展的是德国汉莎航空公司1990年开通的“城市蓝线”（CityLine），当时汉莎航空订购了庞巴迪公司基于挑战者公务机发展的加长版50座级喷气客机CRJ100/200。作为对市场的回应，先前只生产小型涡桨飞机的巴西航空工业公司也及时推出了全新的双发喷气支线客机ERJ-145，该机于1995年首飞。在随后的20年中，上述两家制造商不断系列化发展支线客机以满足市场需求，在此过程中将包括BAE、福克、仙童/多尼尔等在内的多家竞争对手全面击溃。随着市场对大载重飞机需求的增加和燃油成本的不断上升，50座级喷气支线客机的使用成本也水涨船高，支线喷气飞机的尺寸也逐渐扩大到70～120座级，包括CRJ和E系列。并且市场出现了新的竞争者，包括三菱飞机公司的MRJ，苏霍伊民机公司的SSJ和中国商飞的ARJ21。

风靡一时的水上飞机

（20世纪30年代前）

20世纪20至30年代的一段时间，由于缺少硬质跑道等关键基础设施，大型客运水上飞机很适合世界远程运输航线。水上运输在当时受到欢迎还有一个原因是大多数主要的国际贸易航线都以大型港口为起点和终点。但是二战后全球范围内的机场建设和远程运输飞机的改进标志着水上飞机黄金时代的结束。实际上，航空史上曾出现了两个超大型的水上飞机，分别是休斯的H-4大力神（被广泛称为“云杉鹅”）和桑德斯·罗公司的“王子”。320英尺（97.5米）翼展、木制的大力神水上飞机由休斯飞机公司研制，但是直到二战结束也没有完工，该机只在1947年飞行了1次；“王子”水上飞机翼展为219英尺（66.75米），是世界上最大的全金属水上飞机，它没有找到合适的运营商，于20世纪50年代废弃。

二战前的水上飞机更加成功，包括多尼尔的157英尺（47.85米）翼展的Do-X和西科斯基的S-42。Do-X在1929年首飞时是当时全球最大的飞机，它采用12台西门子发动机，发动机分6组背靠背（一台推一台拉）安装在上机翼的上方。S-42飞机由于翼载较大，并且安装了普·惠的R-1690大黄蜂发动机，因此具有较高的巡航速度。其他后面的著名水上飞机还包括肖特飞机公司的S.23帝国，马丁公司M-130和波音314（波音314是一种于1938年至1941年间由波音公司制造的长程水上飞机）。所有这些水上飞机设计都采用了船形横截面，同时满足气动和水动性能要求，以方便飞机起飞前在水面的滑行同时打破水面对飞机表面的吸力；它们还将发动机的安装位置放的很高以减小水的影响。

短命的超声速飞机

（20世纪60-90年代）

20世纪50年代军用超声速飞机的出现点燃了人们开发商用超声速飞机的梦想，尤其是英国1954年就开始了商用超声速飞机的研究。法国当时也开始了超声速运输项目（SST）。1962年，英法两国联合起来开展协和超声速飞机项目。就在同一年，苏联透露也在着手开发一款超声速民用客机——图-144，它的外形与协和相似，采用细长三角翼布局。协和超声速飞机载客120人，可以完成跨北大西洋飞行，巡航马赫数2.02，由4台罗·罗/斯奈克玛奥林巴斯593涡喷发动机驱动。在起飞和加速阶段发动机需要开加力，超声速巡航阶段则无需开加力模式。

协和号的关键设计特点包括采用了S型前缘的双三角翼布局，这使其能够在较大的马赫数和迎角范围内产生稳定的升力涡。其他的创新技术还包括能够控制激波、降低入口速度的计算机控制可变进气道，电子控制模拟电传操纵，能够改善起降视野的机头下垂设计。协和号和图-144都没有安装平尾，但是图-144在机头侧面安装了可收放的小鸭翼用来进行低速时的操控。图-144在1978年结束了商业载客飞行，但后来它在NASA的高速商用运输（HSCT）研究项目中也进行了飞行，于1997年结束了最后一次飞行。对于协和号来说，噪声和声爆问题严重地限制了协和号的商业前景，它也只在法国航空公司和英国航空公司短暂地服役。继2000年法航一架协和号坠机以及2001年空中运输系统崩溃后（“9·11”事件带来的影响），协和号于2003年退出了历史舞台。

美国对超声速客机的关注焦点在更大和更快（马赫数3）的飞机概念上，但是FAA力挺的波音2707-300项目被美国政府在1971年取消了。NASA和工业界开展的HSCT项目使人们对超声速商用飞机的兴趣在20世纪90年代短暂回归，但是从那时起工业界将商用超声速飞行的研究重点重新聚焦环境可接受的、低声爆喷气公务机关键技术。

未来的新构型飞机

如今，“筒状机身加机翼”的成熟构型已经统治商用飞机领域近100年，随着制造商追求未来客机在效率上大的提高，这些传统布局飞机已经无法胜任。如今，受激进的环境指标驱动，设计师已经在考虑未来可能应用的全新布局形式。研究人员正在评估大量的创新布局，包括混合翼身/翼身融合体，双气泡机身，盒式机翼布局，桁架支撑大展弦比机翼布局以及高度集成的推进系统等。以下是一些未来可能变为现实的飞机新构型。

最流行的设计方案之一就是所谓的“混合翼身”，它有时也被描述为翼身融合体，在这种设计方案中，机翼和机身达到了无缝的融合，使得整机的气动效率极大的提高，大大降低了燃油消耗、噪声和排放。

2012年，NASA成功试飞了X-48C翼身融合体飞机验证机，该机具有较大的内部容积可以用来装货和载客，设计展长为73米。试飞采用的是8.5%缩比的构型，展长6.54米。波音以X-48C为基础，设计了翼身融合体客机方案。该方案在机身后上部安装两台普·惠公司的齿轮传动风扇发动机，发动机两侧为两个斜尾翼，起到了屏蔽发动机噪声的作用。

下图是麻省理工、极光飞行科学公司和普·惠公司团队提出的一个N+3候选布局——D8双机身布局。风洞试验结果显示，由于宽大机身提高了升力，嵌入式发动机带来的附面层抽吸作用减小了阻力同时屏蔽了部分噪声，采用该布局的180座级客机在巡航马赫数0.74的条件下相比同级别的现役飞机可提高70%的燃油效率。

结束语

商用飞机的发展是一个进化演变的过程，商用飞机的百年发展史体现了人类对更快、更舒适空中旅行的不懈追求。未来，商用飞机将越来越强调安全性、经济性、环保性，越来越强调提高乘客的飞行体验。相信随着科技水平的提高，超绿色高效亚声速客机和超声速客机在不久的将来就会面世。