空客a380和波音777對比（空客A380憑什麼擊敗波音747稱王）

2023-08-08 04:38:41 27

在廣大飛友的眼中波音747牢牢佔據著「空中巨無霸」的稱號，有「空中女王」的光環之稱。在壟斷全球四發寬體客機四十餘年之後，進入新世界後終於迎來最重量級選手——空中巴士A380。2005年4月27日搭載羅·羅的遄達發動機首飛之後，兩架巨型的客機製造商終於在超大型客機的市場短兵相接。下面就跟隨我來了解全球最大的客機是如何建造的，它背後又是如何的故事。

空中巴士A380首個交付用戶新加坡航空塗裝

1、飛機究竟有多大？

我們以A380-800為例，飛機全長72.7米，翼展79.8米，高24.1米。最多的座艙布局可達853個座位，比排名第二的飛機多出35%，即使是經典的三艙布局也能達到550個座位的雙層超級噴氣客機。這麼一個龐然大物當如也需要足夠的升力才能託起560噸的A380，所以它也身負一對巨大的「翅膀」。它有多大？它的一片機翼就可以存放70輛家用轎車。但過長的機翼也給製造商帶來很多技術上的難題，如果按照基礎的設計，它的機翼比這還要長，超出了很多機場的降落標準。國際間對飛機的最大體積做了限制，以免飛機在機場內滑行的生活發生剮蹭事件。機翼的長度被限定在了80米，A380的設計長度必須小於這個數值，還要提供足夠的升力，空中巴士的設計藉助仿生學完成了這個難題。

圖1：氣流穿過機翼模型，機翼下方的較高氣壓會將機翼向上推

但是傳統的機翼也有個比較大的缺陷：氣流通過翼尖的時候並不是很順暢，會產生螺旋狀的旋轉空氣，被稱之為翼尖渦流（Wingtip vortex）（圖2）。機翼下方的高壓空氣從翼尖四周向上跑，然後將機翼表面向下壓，相當於機翼最後5%的長度完全沒有利用上，出現的渦流表示翼尖並未提供升力。

A380的原型機在通過有照明的煙霧中時，翼尖會產生巨大的渦旋（圖3）。為了補償飛機喪失的升力，A380的機翼必須變得更長，這嚴重超出了機場對機翼長度的上限。空客的工程師們把目光轉向了大自然的傑作——草原雕。

圖2：翼尖螺旋狀的翼尖渦流

圖3：A380原型機通過煙霧時能看到巨大的渦旋產生

3、A380的「老師」為何是草原雕？

這種雕因為生長在遼闊的中原草原上被命名為草原雕，要有熱流（熱流：寬度約為20米的上升暖氣流）的存在他才能在草原上展翅翱翔。和A380的境遇相同的是草原雕的翅膀也不能太長，否則在它盤旋的時候會飛離熱流。草原雕的翅膀經過千百年的進化，早已適應了草原的環境，它們的翅膀能以最短的長度提供最大的升力。牛津大學的動物學家泰勒採用微型攝像機綁在草原雕的背上，讓我們得以觀察到它神奇的樣子——草原雕居然可以控制翅膀末端的羽毛！為了製造最大升力，它將自己翅膀末端的羽毛向上彎曲，達到和翅膀接近垂直的狀態，藉此擾亂了翼尖渦流，大幅提升自己的飛行效率。草原雕利用翅膀末端的羽毛形成了所謂的翼翹，這項天賦的「特權」草原雕即使是較短的翅膀也能在草原自由翱翔。

圖4：飛行中的草原雕可以控制翼端的羽毛

4、A380的翼尖有何特點？

有了大自然這個優秀的老師，空客的工程師們該把這項技術應用到A380身上了。通過風洞實驗我們得知傳統的機翼飽受翼尖渦流之苦，工程師決定打造一個類似於草原雕翼尖羽毛的裝置——翼翹。通過實驗我們可以清晰的看到整個機翼周圍的氣流通過非常的通暢，在翼尖出也並未出現翼尖渦流的現象（圖5），圍繞著翼尖產生的漩渦消失了，翼翹的存在成為了阻擋氣流旋轉的屏障。渦旋被引導到翼尖處的翼翹頂部分離（圖：6），此時原型機翼的整個表面都可以產生有利的升力，效率同較長的機翼相同。而將翼翹做成近乎垂直的形狀，便可將翼展的總長度縮到最短的距離（圖7）。草原雕的翅膀挽救了「巨無霸」，使得A380計劃得以順利進行。

圖5：加裝了翼翹的飛機模型，並沒有出現翼尖渦流

圖6：渦旋被引導到翼尖處的翼翹頂部分離

圖7：A380的翼翹

5、A380和元代的蒙古弓有何關係？

機翼的問題解決之後，A380的工程師團隊還需面對另外一個問題：如何降低這個巨無霸的運營成本？航空運輸業是一個充分競爭的市場，額外的重量都會導致更多的燃油支出，所以A380的整備質量得到嚴格控制。A380的蒙皮面積達到驚人的3千平方米，工程師不得不在輕量化和結構強度間尋找某種平衡。這次工程師的靈感把我們引入了來自遠古冷兵器時代的蒙古弓。這次的實驗場地位於英格蘭都公布的廢棄空軍基地裡，用來實驗輕質和高強度的太空材料。工程師們找來了大炮和雞，類似於測試風扇葉片的程序。航空界經常使用「飛雞」大炮（圖8）用來模擬飛雞起飛時遭受高速飛行中的鳥撞擊後的情形。

圖8：「飛雞」大炮

這項重要的實驗可以測試飛機外部蒙皮的強度，飛機在萬米高空一旦發生機身破損，就會導致機艙內爆炸型減壓的後果。遭受鳥類的撞擊後會導致機翼嚴重受損，進而導致飛機失控。工程師將「飛雞」大炮發射速度設定為A380的起飛速度——290公裡每小時。經受過「飛雞」撞擊過得鋁板樣本沒有破損（圖9），僅有些許的變形。但是這個鋁板樣本過於厚重，工程師決定實驗0.9mm厚的輕質鋁板，結果慘不忍睹，被高速的「飛雞」炮彈瞬間洞穿（圖10）。

圖9：遭受「飛雞」撞擊後的鋁板樣本僅有稍微的變形

圖10：薄型鋁板強度完全不夠

實驗證明鋁板越薄，承受力就越差。薄款鋁板雖然剛性足夠做客機外層蒙皮，但強度不足以承受物體的高速撞擊。空客的工程師決定採用新型材料來解決這個問題，蒙古人一統天下的武器長弓又重出江湖了。在公元12世紀的時候，一塊木頭製成的長弓是一款十分強大的武器。木頭也必須能夠承受人體對它施加巨大的力，拉弓的時候，弓的外部會伸展變長，內部則會受擠壓而變短（圖11），所以，弓必須要能同時承受兩股不同的力量。較短的弓須承受的彎力較大，但木頭的強度卻不夠，很容易便會被折斷。因此蒙古人決定用兩種不同特性的材質來打造性能更強的弓，分別取材于堅固的水牛角和極富彈性的鹿後腿腱（一種連接肌肉和骨骼的由結締組織所構成的纖維束或膜）。將鹿腱綁在弓背上，然後把牛角片貼在弓裡側（圖12），這樣即使是短弓，也能在拉滿弓的時候保持足夠的韌度。小巧的蒙古弓既能滿足蒙古士兵從馬背上發射的便利性，又有足夠的力道射中3百米之外的目標。這給現代的科學家們引入新的概念——複合材料。結合兩種特性的材料，就能製造出更加優秀的產品。幾百年前複合材料製成的蒙古弓幫助成吉思汗一統天下，現代的複合材料則幫助世界最大的A380成功統治巨型民用噴氣機市場。

圖11：弓的雙重受力

圖12：複合材質製作的蒙古短弓

6、輕薄的複合材料如何經受「飛雞」大炮的洗禮？

A380同樣也需要複合材料的加持才能達到輕質化的目標，它的蒙皮同樣由兩種材質組成。薄型鋁板雖然剛性高，但遭受重力撞擊的時候，鋁板會彎曲然後整塊裂開（圖10），蒙皮需要第二種材料，就像短弓上的鹿腱一樣。工程師選擇了一個讓我們意想不到的材料——玻璃，玻璃雖然易碎，但在玻璃變形的時候，裂痕會不斷的擴散，有些裂痕會貫穿整塊玻璃。普通的玻璃非常容易破碎（圖13），但是有個方法可以使玻璃變的堅固得足以承受炸彈的爆炸強度。玻璃被加熱到攝氏1千5百度的高溫時會熔化，在熔融狀態能被延展到極長的長度還不會斷裂，就成為了新型的材料。普通玻璃會有細微的裂痕，玻璃纖維沒有所以它異常堅固，玻璃纖維的強度可以達到鋼的6到10倍。玻璃纖維也能製作成織物狀，作為片材使用。接著就是添加液態樹脂，樹脂幹了之後會把玻璃纖維粘合在一起，形成最堅固的玻璃——玻璃纖維（圖14）。玻璃纖維的強度極高，即使用鐵錘反覆的強力敲打（圖15），也只會造成內部的纖維斷裂，但裂痕不會擴散。薄鋁板加上玻璃纖維後如虎添翼，這種複合材料被稱之為鋁合金玻璃纖維（Glass Fiber Reinforced Aluminium Laminates，簡稱GLARE）。鋁合金玻璃纖維同樣要接受「飛雞」大炮的「洗禮」，事實證明鋁合金玻璃纖維足夠的堅韌（圖16），順利的通過了測試。

圖13：普通的玻璃遭重擊後，非常容易破碎

圖14：玻璃纖維

圖15：即使用錘頭反覆的重擊也不會破碎

圖16：事實證明鋁合金玻璃纖維足夠的堅韌

7、鋁合金玻璃纖維能通過恐怖分子的炸彈襲擊嗎？

聯邦航空總署（FAA）為了模擬測試恐怖襲擊的情形，特意在機艙內放置了塑膠炸彈，放在以鋁合金玻璃纖維製成的行李貨艙內，結果顯示，貨艙僅僅是產生了鼓包變形，並未遭遇大的結構問題。

圖17：鋁合金玻璃纖維順利通過了爆炸測試

對於A380的設計師來說，鋁合金玻璃纖維完美結合了高強度和輕質量的特性，對於整個機型的成功開發具有戰略意義。A380有面積超過470平方米的蒙皮由這種材料製成，鋁合金玻璃纖維比鋁要輕四分之一，為減少A380的碳排放量做出了重要作用。

8、A380逃生滑梯如何做到6秒鐘充滿氣體？

A380在天上的問題解決了，我們仍要面對在地面上所出現的問題。位於法國土魯斯的空中巴士總部，飛機最後的裝配線有將近半公裡長，高度則有50米，裝配完成後的A380客機是目前世界上最長、最寬和最高的民用客機。上層的機艙出口距離地面高達8米，如果飛機遭遇不測，乘客需要跑很長的距離才能逃出生天（「空難改變航空史」中可以看到，一旦發生迫降時間，逃生每增加一秒，就可能造成更多無辜的生命喪失。）

A380的模擬緊急疏散的實驗表明，為了達到符合國際民航機的規定，機長滿乘853名乘客在疏散時，只能利用飛機16個出口中的8個。飛機如果發生火災，乘客必須要在90秒內逃出機艙。工程師們必須合理的設計逃生路線和緊急出口才能達成這一目標。沒有輔助設施的2層客艙緊急出口距離地面有3層樓高度，這無異於另一場災難。因此A380擁有世界上最大的逃生滑梯，在規定內，飛機的滑梯必須在6秒鐘之內完成充氣程序，以免臨近緊急出口的乘客堵住生命通道。普通的充氣方法在短時間內根本無法充滿整個安全滑梯，工程師引入火箭的工作原理進入到測試當中，採用火箭氣體當做助推器和壓縮氣體相結合的形式，並在進氣口加裝一個漏鬥形的進氣器。漏鬥越窄的地方，通過的火箭氣體會加速前進，導致壓力下降，從而形成真空效應，會吸入更多的氣體進入救生滑梯（圖19）。經過改進型的A380逃生滑梯更可在4秒內便可充滿氣體，在實地演練的時候，853名模擬乘客在78秒鐘內便完成了疏散訓練。救生滑梯是最後的救命之路，工程師決定走在前頭，在一開始便避免飛機發生緊急狀況。

圖18：高達3層樓的緊急出口

圖19：真空效應會促使更多的空氣被吸入

9、如何打造A380的起落架？

當A380客機在空中時，降落時所需要面對的潛在危險要遠高於其他時刻。這個龐然大物最大的設計起飛重量達560噸，這幾乎相當於466輛高爾夫7的重量，工程師們需要設計特別的起落架組來面對這個大傢伙在降落時產生的衝擊力。A380起落架共有5組22個輪胎組成，每組輪胎都安裝有巨大的避震器，飛機能夠搭載乘客平安落地，全仰仗起落架的功勞。A380的起落架必須能承受在強側風天氣下，單輪瞬間著陸的衝擊，即使飛機的下降率超出常規的4倍也是如此。聰明的工程師從自行車的打氣筒中獲取靈感用來製作起落架的避震器，他們把飛機的避震器當做裝有活塞的打氣筒，不同的是A380的避震器內不是空氣而是油質液體（圖20），能讓560噸重的飛機降落時能保障足夠的舒適度。