波音777X摺疊翼尖之路 值得中國借鑑的經驗-晨楓
波音777是劃時代的。第一代波音777是作為中遠程、大容量、雙發寬體客機研製的，但更大推力、更省油的發動機和更大的起飛重量使得第二代波音777在保持雙發經濟性的同時，成為遠程客機，一舉打碎了傳統的四發客機的天下。空客的A340首先被謀殺了，A380至今還在賠本賺吆喝，有可能玩不下去了，而波音自家的千年不倒的空中女王波音747也被刺翻在地。
現在，波音正在研製第三代777，公司代號為波音777X。為了進一步增加航程和改善經濟性，第三代777具有更大的展弦比和翼展。也就是説，機翼更加細長了。飛機靠機翼飛起來，機翼是用阻力換取升力的裝置，細長機翼的升阻比更高，滑翔機的機翼特別細長就是這個道理。但太細長的機翼不僅設計和製造上困難，在運作上也有問題。機場的跑道問題還不大，不大可能出現翼展太大的機翼刮到跑道兩側障礙物的事情。但滑行道和停機坪就不一定那麼寬敞，停機位更是有寬度限制。機場對飛機是按照着陸重量和佔用停機位的寬度收費的，特別佔地方的大翼展飛機要多收費，對航空公司的盈利不利，省油的效益被多繳的機場費抵消掉好多。
為了便於機場運作和降低航空公司費用，波音在第三代777上採用可摺疊的翼尖。在起飛前，翼尖放下、鎖定，摺疊段和固定段形成完整的大展弦比機翼，從起飛到升空到巡航到降落接地，機翼一直保持在這個狀態。降落後，在跑道上減速滑行時，當速度低於一定閾值後，翼尖向上摺疊，便於機場運作。此後一直到登機橋，都可以按照65米以下標準翼展的普通飛機處理。
按照設計，機翼摺疊可自動操作，也可手動操作。由於現代客機座艙高度玻璃化，大量傳統儀表和開關都電子化了，已經沒有傳統客機駕駛艙裏密密麻麻的開關了，頭頂儀表板上新設的摺疊翼扳手開關和警告燈特別顯眼。扳手指向直觀地標示了翼尖位置。飛行員可以手動撥動扳手，控制翼尖的放下或者摺疊。在自動狀態下，扳手開關也自動地指向當前位置，便於飛行員準確判斷。在儀表板的大型顯屏上，翼尖摺疊狀態還與發動機、導航等重要信息一起，有另外的顯示符號專門標示。
摺疊翼尖不是新技術。海軍的艦載飛機早就使用摺疊翼技術了，以節約艦上的佔地。波音對摺疊翼的設計和製造是熟悉的，購並進來的麥道就是艦載飛機的專家。波音在第一代777的時候就提議過摺疊翼，並有意把這作為選項。但所有航空公司都“謝絕好意”，不僅顧慮到摺疊翼的額外重量和可靠性，更擔心適航認證。基本型777的認證不是問題，但不管誰選用摺疊翼，就要準備（至少部分）承擔這個選項的認證費用。所有航空公司都選擇基本的固定翼，波音後來索性取消了這個選項。
88年研發的“777”，三發，加長機身的767，機翼摺疊
但到第三代777時，加長的翼展已經無法迴避。這一次波音具有足夠信心，現在看來摺疊翼是作為標準技術提供的，不再是選項。不需要更大航程或者更大載客量的話，反正還有第二代777和加長的787可供選擇。
波音777X的翼展達到71.8米，摺疊翼尖後，翼展縮短到64.8米，實際摺疊起來的翼尖部分長3.66米。這增加的7米翼展是777X成功的關鍵，但也是巨大的挑戰。這不僅是波音在設計與製造上的挑戰，也是美國聯邦航空署（簡稱FAA）型號適航認證的挑戰。
對於FAA來説，型號適航認證不僅針對正常使用時的強度、壽命等問題，還要特別關注摺疊機構的可靠性和故障問題。如果機翼在起飛或者飛行狀態時沒有正常打開，或者意外摺疊，翼展和翼面積就要低於設計要求，就要損失相應的升力。如果出現一側打開而另一側沒有打開，還會出現不對稱升力和阻力。
作為使用摺疊翼最多的用户，美國海軍在歷史上有過不少飛行中發現的摺疊翼故障 ，幸好每次都沒有因此而機毀人亡。
1960年8月，一架F-8“十字軍戰士”從那不勒斯的機場起飛，在起飛前忘記放下翼尖，爬升到5000英尺時，飛行員感到操縱桿壓力異常，扭頭觀看才發現折起的機翼沒放下來。馬上在空中放油，減輕重量，24分鐘後返航，安全降落。降落速度很快，但其他沒有什麼異常，飛行操控也沒有太多的特別。此後F-8還有過至少7次類似的事故，包括夜間飛行，都安全返航降落了。
摺疊機翼的F-8
六年後的1966年5月10日，美國海軍Tophatter中隊（隊徽為小丑帶的高頂筒帽）的一架F-4B“鬼怪”式從“羅斯福”號（CV-42，“中途島”級，不是現在的“尼米茲”級同名航母）上彈射起飛，起飛後才發現機翼還摺疊着。同樣立刻放油，拋掉外掛，放下襟翼，同時發出緊急呼叫。飛行員按照命令轉飛臨近的59英里外的陸地機場，着陸速度達到170-180節，用尾鈎幫助減速，人機完好。幾天後復飛。美國空軍和英國皇家空軍也有F-4到空中才發現機翼還摺疊着的情況，都沒有成為惡性事故。
機翼摺疊的F-4鬼怪
美國海軍F-14服役初期，也有過至少4次類似的事故。不過F-14的機翼不可摺疊，但可變後掠角的外翼段在停放狀態可以後掠到75度，佔寬與摺疊翼相當，所以這就是F-14對應於摺疊翼的狀態。在4次有驚無險之後，美國海軍決定測試這種情況下的飛行和着陸特性，甚至更加極端，一側展開、一側後掠。在1985年12月19日到1986年2月28日期間，共進行了6次試驗，全部艦上着陸。在其中一次在一側最小後掠的同時，另一側最大後掠角達到60度，確認能安全返航和降落。
F-14一側最大後掠一側最小後掠狀態
但這樣的有驚無險不能成為民航機可以輕視摺疊翼故障的危害的理由。戰鬥機的翼載比民航機低得多，對翼面積不足不如民航機敏感。戰鬥機的操控比民航機要好得多，萬一不可控了，飛行員還能彈射。民航機就沒有這樣的好事了。民航機的安全要求比戰鬥機是成數量級的提高。
美國是航空的發源地。1926年，美國國會通過《商用航空法》，責成美國商務部負責航空安全事宜，包括飛行員資格、飛行器適航性等現在FAA的業務範圍。其實在商務部之前，郵政部已經負責相關事宜了，這是因為最早的飛機除了用作雜耍和玩樂外，主要商業用途是航空郵運。1938年的《民航法》責成新成立的民航局負責航空安全和空中交通管制。1940年，羅斯福把民航局拆分為負責空中交通管制和飛行員資格認證的民航局與負責航空安全與飛機型號認證的民航委員會。1958年，新的《聯邦航空法》把民航局與民航委員會合並，組建FAA。除了名稱和建制的差別，FAA可算是從事飛機型號認證行業最老資格的了，但現有適航認證規定裏沒有如何認證摺疊翼的條文，歷史上也沒有過民航機認證摺疊翼的先例，FAA也是老革命遇上新問題。
FAA歷史背景
作為業界老大，FAA在漫長的航空技術發展史上不是第一次碰上這樣的問題，是有一套辦法專門用來處理這樣的新問題的。在現有規範和標準裏沒有適用條款的話，FAA要針對新技術提出“特別條件”。在確認特別條件的適用性和新技術的安全性之後，相關條件會整合到已有規定之中，成為供未來認證使用的規範條文。
FAA支持性文件
波音也是業界老大，引入新技術也不是第一次了，對於如何與認證當局合作，既確保安全，又引入新技術，也是很有經驗。民航機認證是很費時費錢的過程，這也是現有設計在潛力沒有挖盡之前，通常只是改型挖潛，而避免全新設計的道理。老樹新花最有名的例子肯定是波音737，但空客A320和A330也是例子。波音777X是按照波音777基本型的附加認證進行的，摺疊翼與原設計偏離太大，這部分必須重新認證。在設計過程中，波音已經與FAA和歐洲的EASA合作研究認證問題至少四年了。新技術和特殊條件對大家都不是突然襲擊，都是有備而來的。
FAA對摺疊翼提出三個“特殊條件”：
1、對起飛時或者飛行中出現摺疊翼沒有放下或者鎖定不可靠，要有額外警示
2、需要確認摺疊翼的受力承載極限
3、需要證明地面側風對摺疊後的翼尖的影響在可接受的範圍內
FAA進一步規定，如果在起飛前或者飛行中，翼尖沒有落位或者可靠鎖定，飛行員應該得到聲音、視覺等多重警告，確保不會被忽視。在警報條件下，飛行控制系統應該自動確保不能起飛。在起飛後和飛行中，波音必須在技術上確保不可能由於單點故障引起解鎖。閉鎖必須是機械的、無源的、自鎖的，沒有外來能源不可能解鎖，而外來能源在鎖定後必須隔離（拉閘），確保不可能意外解鎖。閉鎖機構也必須能承受外力打擊，不會由於外物撞擊或者外力而意外解鎖。
777X試驗摺疊翼內部鉸鏈結構
FAA以控制面的陣風鎖定為例子。飛機在地面停機時，液壓壓力切除，尾翼舵面和襟翼、副翼處在“自然放鬆”狀態。如果遇到大風，控制面可能會被颳得過度擺動而受到損壞，所以在地面是鎖住的。但在起飛或者飛行中意外進入鎖住狀態，那飛機就要失控。現在已有一整套技術和檢查措施確保控制面在起飛前解鎖，常見的起飛前各個控制面擺動一下就是這個目的。在確認鎖定狀態方面，控制面和翼尖有相似之處，但還是不一樣：前者要確認解鎖，後者要確認閉鎖；前者在停機位，後者在跑道上的出發位置。
在確保摺疊機構強度方面，除了常規的載荷試驗，FAA還要求波音能證明在長期使用中，磨損、腐蝕等不致引起閉鎖機構的過度鬆動。任何機械閉鎖都有一定的鬆動，但摺疊機構如果出現過度鬆動，即使不至於影響機翼強度，也會影響氣動性能，尤其要避免的是氣動彈性導致的控制反轉這樣的危險特性。
機翼是有一定的彈性的。初次坐飛機的人可能會驚訝地發現，機翼在飛起來之後兩端上翹了。對波音787這樣採用復材機翼的情況，上翹格外明顯，坐在中間位置的旅客可能都看不到翼尖了。波音777X也採用復材機翼。遇到強烈氣流擾動的話，機翼還會劇烈抖振。這都是機翼的結構彈性導致的。這樣的彈性在平時並無大礙，絕對剛性也是不可能的。但彈性過度的話，可能造成結構扭轉和控制反轉。比如説，放下襟翼的作用是增升。但機翼結構太軟的話，襟翼造成的額外升力迫使結果發生扭曲，後緣相對上抬，反而造成機翼整體迎角下降，導致升力損失，這就是控制反轉。副翼也可能造成類似的惡果，本來要向左滾轉的，結果由於機翼彈性變形，反而向右滾轉了。這是非常危險的。
波音 787 大量採用複合材料，機身和機翼是全複合材料的，複合材料佔全機重量的 50%
在通常的機翼設計中，氣動彈性問題早已得到充分重視，控制反轉不再是問題。但摺疊機構鬆動可能帶來機翼結構彈性之外的結構變形，必須做相應考慮，這是FAA要求波音必須展示的。
摺疊機構還“打斷”通常的機翼結構受力途徑，摺疊機構本身也改變局部振動特性。一般對上下方向的彎折很重視，但同樣重要的是順着鉸鏈線的剪切受力情況。FAA也要求波音對這些問題做出明確説明。
按照波音的設計，着陸滑跑中速度降低到一定程度後，可以自動或者手動啓動摺疊，使得翼尖上反，好像超級大號的翼尖小翼一樣。摺疊和展開各需要20秒鐘時間。FAA要求波音證明這額外增加的垂直翼面積不會在地面滑行時受到側風的過度影響而造成滑行操控問題。另外，摺疊起來的翼尖必須能承受來自任何方向的高達65節的風力影響。所有展示要包括從完全展開到摺疊完畢的所有狀態。波音還要展示一側摺疊正常而另一側故障的非對稱摺疊情況以及影響。
777x機翼摺疊結構
FAA還要求波音把翼尖的導航燈安裝在儘量接近於起飛位置相仿的高度，這可能迫使波音修改設計。翼尖左紅右綠的導航燈是在夜間判別飛機前進方向和飛行高度的重要標誌。在雷達和其他探測技術高度發達的現在，導航燈沒有過去那麼重要了，但依然是飛機上必備的基本安全設備，對夜間進近接地和滑行道運作尤其重要。按照規定，導航燈要安裝在兩側翼尖，標示飛機的全寬和高度。波音原來計劃把777X的導航燈安裝在機翼固定段的外側頂端，這可以滿足機翼摺疊後的要求，但不能滿足起飛前和飛行中的要求，所以還是移到翼尖的傳統位置了。問題是這樣一來，翼尖摺疊後，導航燈就高高在上，遠遠高於正常翼尖的高度了，容易引起誤判。現在還不清楚波音會怎麼解決這個問題，最簡單的辦法是在固定段的外端再裝第二套摺疊後專用的導航燈，只在翼尖摺疊後使用，同時翼尖導航燈關閉。翼尖展開後，第二套導航燈關閉，啓用正常的翼尖導航燈。
FAA提了不少要求，但事實上，這裏有些是FAA額外要求的，有些則是和波音協商後的共識，只是把波音的內部做法規範化、明文化了。波音的設計和做法也是和航空公司長期深入互動的結果。這實際上也揭示了新技術出現時，研製方、認證方和使用方應有的互動。
新技術的出現是推動經濟和社會前進的好事情，但新技術的風險也需要妥善控制。既不能搞僥倖心理，又不宜人為製造不可能的障礙。這不是往認證方一推了事就行的。事實上，在新技術的研發中，研製方、使用方、認證方三方都有職責，應該攜手推進，而不是以鄰為壑。
使用方容易有漫天要價、坐地還價的想法，這於事無補。提出不合實際的要求而研製方照單全收的話，那一定有貓膩。切合實際，才能雙贏。反過來，從安全角度出發，只有符合用户使用習慣、容易理解的系統才是最安全的系統，反人性的設計在人機界面上已經是安全陷阱了。這需要用户參與。波音777基本型就是在由全日空、美航、英航、國泰、達美、日航、澳航、聯航組成的用户顧問委員會的高度參與下進行的。777X的用户顧問委員會成員不清楚，但一般認為有中東大三（酋長、阿提哈德、卡塔爾）的高度參與，可能還有漢莎。
波音作為研製方，具有確保產品安全性的動力，飛機因為設計或者製造疏忽而失事，對波音信譽的影響是毀滅性的。波音也有豐富的經驗和成熟的設計與技術風險控制體制，對於摺疊翼這樣的關鍵系統，要求從系統架構到機電儀元器件到操作規程，都要做到冗餘和失效安全。也就是説，系統或者部件失效的話，會“自然”回位到或者保持在安全位置。
為了系統測試，波音在華盛頓州埃弗萊特的主要工廠所在地建立了試驗設施，從多方面測試摺疊機構的可靠性和一般運作。還要在西雅圖以南的波音機場另外建造全尺寸試驗設施，進一步進行FAA所要求的測試項目，尤其是可靠閉鎖和側風影響。至於駕駛艙內的摺疊翼安全操作和聲音、視覺警報，波音在迪拜航展上展示了符合FAA要求的777X的駕駛艙和摺疊翼操作界面。
迪拜航展上展示波音777X駕駛艙
但不管主觀意願如何，在同一個體系裏的思考再縝密，容易落入思維定勢的陷阱，對缺陷容易“燈下黑”而視而不見。需要獨立的審查。FAA作為獨立的認證方，就是起把關作用的。
但新技術畢竟是新技術，FAA也未必在一開始就清楚什麼樣的要求是必要的，什麼樣的要求是最好能滿足而且是可能滿足的。必要的要求是一定要滿足的，不滿足就很可能出安全問題。但漫無邊際的要求很可能是無法滿足的，無差別地扼殺新技術並不符合任何人的利益。仔細區分必要要求和應該儘量達到的要求，在控制風險的情況下，穩妥地推進技術前沿，這才是科學的做法。
在摺疊翼問題上，FAA正是這麼做的。在過去幾十年裏，FAA在ETOPS問題上也是這麼做的。ETOPS規定了雙發客機航線沿途的備降機場要求。ETOPS有不同等級，如ETOPS 180、ETOPS 240等，只要航線上任何一點的180或者240分鐘航程內有備降機場，這就是合法的航線。ETOPS極大地拓展了雙發客機的使用範圍，使得雙發飛機可以用於越洋航線，這是波音777成功的基本條件，ETOPS 240基本上抹殺了四發客機存在的意義了。
但ETOPS的拓展是一步一步來的。最初是ETOPS 120，有關型號飛機要積累足夠的安全飛行時數後，才能申請。隨着經驗的積累，ETOPS 180被認為是可行的。但波音777基本型是最早在初始型號認證的時候就獲得ETOPS 180資質的。這不是FAA“開後門”，而是在幾十年ETOPS運作經驗上，積累起來系統、嚴謹的ETOPS認證程序和標準之後，才推行的。
中國科技和工業正在進入井噴式發展的階段，新技術如雨後春筍，從手機到全電汽車到民航客機，安全方面的風險控制要求各不相同。中國需要建立積極穩妥的研製方、認證方、使用方的互動，波音與FAA這樣的經驗是值得借鑑的。既要創新，又要妥善管控風險，由趕到超的製造強國的路正是這麼走出來的。
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