波音737飞机的发展历程

Development Course of B737
　　 □中航第一飞机设计研究院　郭　燕　邓少康
　　摘 要：主要介绍了波音737系列飞机的发展历程、主要设计思路及关键技术。
　　关 键 词：波音　737飞机　发展
　　波音737（B737）飞机可以称得上是世界航空史上最成功的民航客机之一，因为无论从销售业绩、飞机性能，还是从航空公司的使用方面看都是相当出色的。B737系列飞机的发展反映了民航客机的发展趋势，通过本文，可以了解B737飞机的设计理念、设计思路和发展策略，同时对波音公司是如何在民用航空领域的竞争中脱颖而出有大致的了解。
　　一、波音737系列飞机概述
　　 B737是波音公司在20世纪60年代开始研制的双发中短程单通道窄体客机。自1967年获得适航证并交付使用以来，B737系列共计推出了三代九种型别,迄今总共交付了5200多架,是国际民用航空市场上非常畅销的机型之一。
　　 B737飞机的基本型为B737-100、B737-200型；传统型为B737-300、B737-400、B737-500型。目前，基本型和传统型B737均已停止生产。
　　 1993年11月，新一代B737项目正式启动，新型号B737分为B737-600、B737-700、B737-800、B737-900型四种，它以出色的技术赢得了市场青睐，被称为卖得最快的民航客机。截止2001年底，已交付超过1000架。
　　二、波音737飞机的最初设想
　　 20世纪60年代，民用航空还处于起步阶段。波音公司的远程客机中B707占据着主要地位，中程客机B727也有较好的销量，但还没有短程客机。
　　在获得德国汉莎航空公司10架短程客机订单后，波音公司想设计一种短程双发的喷气机，它应具有宽敞安静的客舱，速度适中，并能够在恶劣天气条件下飞行。当时的短程客机有SE-210（"快帆"）、BAC-111和DC-9，并且，SE-210已经服役5年了，DC-9即将投入使用，BAC-111也已进入飞行试验阶段。波音公司要与他们竞争，具有的最大优势就是已经在B727上获得的成功经验。
　　 1. 设计方案的确定
　　波音公司于1964年11月开始了B737方案的研究工作。
　　设计方案为：载客量为100人；双发；经济使用航程为1800km左右；最大商载系数定为0.35；与B727有尽可能多的通用零部件。
　　 2. 发动机布置方案
　　波音为了与SE-210、BAC-111和DC-9争夺航空市场，主设计师提出B737要具有不同于其他同类飞机的特点。他将最初的带有T型尾翼和尾吊式发动机的B737方案，调整为像B707那样翼吊式发动机方案。但如果采用以往的翼下吊装发动机方案，则会阻挡住B737短机身上的主客舱通道（最初方案的机身舱门在机身中部，机翼前端），在登机时造成阻碍，他将发动机改为紧贴翼面下部布置后，该问题就解决了。
　　波音公司在对比了翼吊式布局和B727机身尾部短舱式发动机布局（尾吊式）方案后，认为翼吊式布局有以下优点：干扰阻力小，失速特性好；结构重量轻，据估计比尾吊式可减轻680kg的重量；能够较好地控制飞机重心；客舱后段的噪声小；机身后部有更大的使用空间；发动机短舱安装高度较低，便于维护；缩短了发动机的输油管和操作线路的长度；同时，发动机的重量也可以对机翼有减载的作用，但这一点估计的有些过于乐观，在飞机进行静力试验的过程中，当加载到95%的最大载荷时，机翼发生了损坏，不得不重新设计机翼。
　　发动机翼吊式布局也有以下缺点：需增大垂尾面积来平衡某一侧发动机停车时飞机所产生的偏航力矩；因为要减小发动机短舱的离地距离，发动机的挂架结构必须为机翼的一个完整部件，这使得机翼翼弦较短。
　　 B737最终决定采用下单翼、翼吊发动机短舱式布局方案，此方案能够很好的满足短距起降和飞行高度的要求。20世纪50年代末国外民机普遍采用尾部吊舱式布局，而B737是较早采用翼吊式短舱的客机方案。
　　发动机型号的选取同样非常重要，普惠发动机又长又窄，挂在机翼下方能够提供很好的气动力。B737与DC-9飞机的机身长度相同，但B737装有普惠涡扇发动机，因而具有在中小型机场起降的能力。
　　 3. 通用性
　　 B737有60%的零部件与B727通用，包括客舱门、前缘升力装置、发动机短舱、驾驶舱布局、航电系统、部分内饰等等。B737保持与B727有相同的机身剖面，且具有较大的货舱容积（B737的载货量大于DC-9，载客量和载货量都大于BAC-111），从而有能力被改装为货机，这在传统型B737飞机上已经实现了，仅靠这一点就可以在竞争中取胜。
　　 4. 双人制驾驶舱还是三人制驾驶舱的争论
　　 B737是波音公司生产的第一架双人制驾驶舱的飞机，因为当时几乎所有的航空公司由于考虑到飞机的复杂性和安全性，在飞机上都设有飞行工程师。为了确定飞机是否能在双人驾驶的情况下安全飞行，美国联邦航空局（FAA）决定B737飞机由一名FAA的驾驶员和一名波音公司的驾驶员来执行任务，他们在6天内完成了40个科目的飞行，其中包括进场、复飞、转场、模拟仪表故障与机组人员不能正常履行工作义务等状况。
　　 1967年12月，FAA正式宣布"飞机可以在双人驾驶的情况下安全飞行"。
　　 5. 暂时出现的问题
　　第一架B737于1968年2月正式投入使用，虽然不可避免地出现了一些小的技术问题，但客户对其可靠性很满意。当时飞机的APU加载时容易停车，安装新研制的加速度控制调节器后问题就解决了；发动机的起动阀被地面上的浮沙堵住了，在它前面固定一个优质的过滤网就可以得到改善。最大的问题来自登机梯，它折叠的过程较为复杂，并且当它收起或放下时会对扶手有不同程度的损坏，甚至使其断裂。登机梯的问题一直没有解决，直到2005年两个英国操作员决定去掉他们机队中所有B737飞机的登机梯，这样不仅可以避免航班的延误，减少维修费用，并且每架飞机还可减少177kg的重量。
　　三、波音737飞机的改进
　　在订单的争夺战中，多家航空公司趋向于购买DC-9-30，波音公司立即对B737的方案进行改进，使其能够装载更多的乘客。两个月后波音就推出了B737-200，比B737-100的机身增长1.93m，成为最受欢迎的机型。
　　 1. B737-200基本型
　　 B737-200基本型最大载客量增加至130人，并且进行了第一次改进，改进措施为：增装了靶型反推力装置以提高反推力效率；增设机翼涡流发生器，改进了襟翼前缘和缝翼在收起位置时的密封情况；发动机短舱尾部伸长1.14m，减少了阻力。
　　 2. B737-200改进型
　　 B737-200改进型在基本型的基础上进行了第二次改进，虽然在尺寸上没有较大不同，但在技术上却超过了B737-200基本型。改进措施为：修改刹车系统，使前轮在转向条件下具有一定的刹车能力；改进增升装置；可选用海平面静推力为68.94kN的JT8D-15涡扇发动机，推力更大、噪声更小；改进燃油系统，可在机腹货舱中加装辅助油箱；改进电子系统；采用新型材料，飞机重量得以减轻。
　　 B737-200改进型面向的客户是第三世界国家。有的第三世界国家没有沥青、水泥跑道，只有较窄的沙土跑道，为此波音对这一型号进行了部分加强，增大推力，增加了燃油装载量，并设计了新的着陆襟翼，使得飞机减小了起降距离。波音同时对发动机进行防护措施，改善了飞机近地飞行（起飞和着陆）的特性。
　　 3. B737-200C/QC客货两用型
　　在B737-200的基础上，波音又推出了B737-200C/QC 客货两用型，B737-200C/QC共生产了104架。客货两用型对机身和地板进行了加强；客舱侧面加开了一个2.18m×3.4m的舱门，使得座椅能够快速移出，进行客型和货型的快速转换。
　　 4. 其他型别
　　波音公司还在B737-200的基础上研制了B737的专机型、远程型、碎石跑道起落型、导航训练机（T-43A）、海上巡逻机、电子雷达试验平台、气动飞行试验平台。
　　 B737系列飞机的研制使其订单渐渐超过了DC-9。1987年，B737成为当时最畅销的飞机。
　　四、传统型波音737的设计方案
　　 B737-300飞机是于1984年设计的。B737-300飞机的噪声更低、机身更大、更加经济，同时也有一些新的改进。
　　 1. 通用性
　　 B737-300与B737-200的通用零部件达67%，这不仅为航空公司节省了一部分维修、备件、工具等费用，同时B737-300飞机与B737-200有相似的飞行品质和驾驶舱布置，仅在操作飞机的程序上略有不同。
　　 2. 发动机方案
　　 B737-300飞机仅选用CFM56涡扇发动机，CFM56-3比JT8D的效率提高了近20%。
　　 CFM56出现的主要问题就是发动机短舱离地面的距离太近，此问题用以下方法得到了解决：将发动机底部的附件移动到左右两侧，使发动机短舱底部扁平，这样看短舱唇口为扁圆形；发动机向前向上移，与机翼的上表面平齐，并向上翘5°，这样不仅可以增大发动机离地面的高度，还使得发动机排气的方向下偏，避免了发动机过热，形成的矢量推力使起飞性能有所改善。
　　 3. 机体结构方案
　　 B737-300飞机在B737-200基本型的基础上，机翼前机身等直段加长1.120m，机翼后机身加长1.524m。所有的飞行控制面都采用了复合材料以减轻重量，铝合金用于机翼的梁和加强长桁、主起落架支柱等以提高其强度，同时使用寿命延长了12%。
　　机翼进行了重新设计，目的是为了改善其低速性能和巡航特性。发动机外侧的机翼弦长向前增加了4.4%，减小了机翼前梁前段上表面的弯度，增加了临界马赫数，因此能够提供更好的跨声速流动特征并且改善了抖振边界特性。机翼加装27.9cm的翼梢小翼，机翼的翼展增长。这两处更改对飞机的高速性能产生了极大的影响，使飞机穿越紊流的马赫数变为0.73。
　　机翼的缝翼和襟翼进行了重新设计以提高升力，增加了用于横向控制的扰流片，但重量没有改变。对于机翼的其他改进还包括：结构材料增强，防腐蚀保护等。
　　 4. 设计改进
　　性能：升限达到11.28 km；最大起飞重量增大；耗油率比B737-200低20%；
　　发动机：选用CFM56-3，推力为82231～104468N；
　　机身：机翼前等直段增长1.12 m，机翼后等直段增长1.524 m；
　　机翼：加装翼梢小翼，增大翼展；改进缝翼翼型剖面、襟翼布局和襟翼滑轨；增加油箱载油量至16200kg；
　　尾翼：增加背鳍以增大横向稳定性；平尾翼展增加0.762 m，所以也增加了机身长度；
　　飞行控制：新的缝翼设计使得飞机进场速度减小了几节，降低了地面对轮胎的损坏；
　　前起落架：支柱伸长0.1524 m，保证发动机短舱的离地距离与B737-200相同；
　　主起落架：对轮胎进行加强，以适应增大的最大起飞重量；改装更好的刹车系统；
　　飞行平台：电子飞行显示系统替代了一些传统的设备；
　　其他：增装了数字飞行管理系统、彩色气象雷达和自动油门。
　　 B737-300获得了巨大成功后，波音决定发展新的系列飞机：1988年推出B737-400，机身加长了3.05m，可以载乘客170人；1989年推出B737-500，可载乘客132人。
　　 B737传统型飞机的飞行试验持续了9个月的时间，3架飞机总共飞行了1294h。试验进行得很顺利，仅有一些小的问题出现，如飞行时机翼有些振动，当在每个翼梢小翼上加装50kg的配重后问题就解决了。B737-400飞机的飞行试验为1694h，B737-500飞机为1669h。
　　五、新一代波音737飞机的设计思路
　　近年来，面对来自空客电传操纵的A320家族日益加剧的竞争和市场要求的改变，波音公司希望改进B737的总体性能，而不是制造一架全新的飞机。不对飞机驾驶舱作不必要的改动，要求重点放在飞机的经济性和维修性上面，同时要改进飞机的使用性，进一步降低噪声和排气污染，保留不同尺寸的系列化飞机，保持与目前的B737相同的型号合格证，以便B737用户以尽可能少的费用引进新的飞机。
　　波音公司于1993年6月正式启动新一代B737飞机的研制。
　　在B737-300、B737-400、B737-500型的可靠、简单以及运营成本低的基础上，波音公司对机翼进行改进，换装了推力更大、性能更好的CFM56-7发动机，增大载油量使航程加大，具备了与竞争对手空客A320同样的可横跨美国大陆的飞行能力；采用了波音B777飞机最先进的数字化设计和制造技术；考虑了更多气动、结构、驾驶舱和客舱方面的最新发展，一些技术与B757、B767相同。
　　波音737新一代包括四种机型，B737-600是最小的一种，载客110～132人，可取代B737-500；B737-700与B737-300尺寸相同，可载客126～149人；B737-800是B737-400飞机的延伸版，可载客162～189人；B737-900是该系列中的最大型，其两级客舱布局可载客177人，单级客舱布局可载客215人。
　　 1. 新机翼
　　 2000年2月，波音公司开始研制一种先进的翼梢小翼技术，作为B737－800机型的选装项目。这种高约2.4m的融合型翼梢小翼将使新一代737飞机的航程更远、有效商载增加约2.7t、油耗更低，并且更加环保。2001年5月，首架带有翼梢小翼的B737－800飞机在德国的哈帕克·劳埃德航空公司投入运营。
　　经过精确的气动力分析计算，波音公司重新设计了新一代737的机翼，机翼的弦长增加了0.5m，翼展增加了5m，机翼总面积增加了25%，燃油容量提高了30%。先进的翼型设计使新一代B737的最大航程达到6000km，可以进行横跨美国大陆的飞行。新一代B737的巡航马赫数提高到0.785，最大马赫数可达0.82，最大巡航高度12400m，超越了同级的竞争机型。
　　 2. 新发动机
　　新一代B737选择了CFM56-7发动机作为动力。这种新型的发动机采用了很多最先进的发动机技术，包括24个钛合金宽弦风扇叶片、三级三元气动设计的增压器、第二代全权限数字式控制系统、九级三元气动设计的压气机、三元单晶材料制造的高压涡轮叶片等。与传统型B737飞机上配置的CFM56-3发动机相比，推力增加了11%，噪声远远低于三级噪声标准，而且它还具有油耗低和维护费用低的特点。
　　 3. 通用性
　　新一代Ｂ737系列飞机与传统型Ｂ737具有相同的零部件与地面支持设备，及完全相同的地面维护。另外，新一代Ｂ737的四种机型间具有98％的机械零部件通用性和100％的发动机通用性，从而使航空公司降低了运营成本。
　　 4. 灵活性
　　新一代Ｂ737系列飞机的客舱内饰也应客户要求有了很大的改善：采用了Ｂ777飞机客舱顶板的设计技术；飞机的灵活性大大改进了，航空公司可以在1min内，将新一代Ｂ737的客舱布局的一排座椅从公务舱的每排5座改成经济舱的每排6座，也可以在1h内，将新一代Ｂ737的客机改装成货机。
　　 5. 新驾驶舱技术
　　得益于20世纪90年代后期设计新型Ｂ777飞机成功的研制经验，设计师们将很多为Ｂ777研制的先进驾驶舱技术移植到了Ｂ737新一代飞机上。例如将宽体双发Ｂ777上用的大尺寸显示屏应用到了这种单通道窄体飞机的驾驶舱的仪表板上。
　　Ｂ737新一代系列还安装了先进的显示系统和飞行管理软件，如平视显示器使飞行员能以水平视线看到飞行和安全信息；刚刚通过鉴定的垂直位置显示器可以显示飞机当前及预测的飞行轨迹，并指出可能与地形发生的冲突，能够减少航班延误、提高飞行的安全性和机组的效率。
　　 6. 乘坐品质
　　为了在原有客舱横截面尺寸基础上最大限度提高飞机的乘座舒适性和方便性，波音在B737新一代内饰设计中综合考虑了各种因素，包括线条、颜色、图案、照明等，并融进了现代美学设计。
　　借助Ｂ777的客舱设计技术，新一代Ｂ737的流线型头顶行李舱容量比传统的Ｂ737增大了不少，提高了舒适性。位于行李箱底部的扶手及经过改进的乘客服务装置为乘客和机上服务员带来很大的方便。
　　Ｂ737新一代采用了与Ｂ777相同的弧线形天花板设计，与传统的生硬边线设计相比，客舱显得更宽敞。
　　新一代737飞机比传统型的零件减少了33%,从而缩短了生产时间。有一套单一生产装配线，一个月可生产21架飞机。
　　 B737飞机后继机的客舱截面比A320更宽；在气动方面的改进主要包括加大翼展，增加单缝襟翼、斜削的及融合的翼梢小翼，垂直安定面翼根改为融合布局，并且采用与B787相似的机头及驾驶舱。
　　随着B737飞机的发展，我们不仅看到了民用客机的技术发展趋势，也看到了波音公司制造航空产品的思想和理念的不断转变--随着经济的发展和人民生活水平的提高，世界民航业将更侧重于点到点的运输方式，因此，经济、适用、效率更高的中小型飞机的需求量日益增大，今天，民用客机正向着更高、更快、更远、更安静的方向不断前进。
来源于《航空科学技术》