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《大飛機》:窄體客機的王者之爭

2014年06月11日 10:00   來源:《大飛機》雜志   張慧騮

  在商用噴氣飛機的歷史上,波音737和空客A320是最為成功的兩款機型。過去40年,兩者在多輪競爭中不斷發展,總生產量超過一萬架,且已有訂單足夠兩家公司連續生產5年以上。

  然而,兩寡頭壟斷的局面在2004年發生了變化。當年7月,龐巴迪宣布啟動C系列,定位在110~130座級,直逼737和A320的縮短型座級。同年,俄羅斯Irkut宣布啟動MS-21的研發。隨后不久,C919大型客機項目正式立項,這兩款飛機的座級均在150~200之間,與737和A320的座級完全重合。特別值得注意的是,這些新飛機都選用了新一代發動機,在經濟性上比在役的737和A320有很大提升。

  在此形勢下,2010年12月空客正式宣布研發A320的后繼機型A320neo,這迫使波音不得不在2011年8月宣布啟動737MAX。一時間,新一輪窄體客機市場的競爭硝煙四起。

  押寶發動機

  早在2006年,空客就開始著手A320“改進型”(Enhanced)的研制,取名A320E。當時,空客計劃選用CFM的“Tech56”或國際航空發動機公司(IAE)的“V2500SelectOne”,但評估下來,改進后的發動機最多只能節省1%~2%的燃油,因此空客決定對現有A320進行換發。

  經過多輪篩選,空客選擇了普惠的PW1000G和CFM的LeapX-1A作為A320neo的動力裝置。空客方面承諾,新的發動機將幫助航空公司節省15%的燃油成本、8%的運行費用,降低10%的噪聲和NOx排放。

  與空客不同,2006年波音曾計劃在787之后,重新研制一款替代737的全新機型(波音內部稱其為Y1)。但由于空客搶先一步推出了A320neo,并獲得了市場認可,波音不得不調整計劃,立即啟動737MAX以應對空客的挑戰。波音承諾,737MAX將比在役的A320節省16%的燃油,比未來的A320neo節省1%~4%的燃油。由于受起落架限制,波音最終選擇了LeapX-1B發動機,并花費了一年時間對發動機尺寸進行評估,最終風扇直徑定為1.73m。為此,現有起落架要加長15~20cm,才能保證發動機與地面有足夠的間隙。

  發動機對比

  既然雙方都將寶押在了發動機上,就有必要對新一代發動機進行對比研究。

  普惠宣稱其齒輪傳動渦扇發動機PW1000G和目前同類發動機相比,可節省10%~15%的油耗,并且噪聲要低得多。除A320neo選用外,龐巴迪的C系列、三菱的MRJ和Irkut的MC-21都選擇了這款發動機。其實,齒輪傳動技術并不是一個新概念,霍尼韋爾的TFE731在多年前就已采用,只是發動機的推力要小得多。普惠的新發明是降低齒輪的重量和提高齒輪的可靠性,從而可以將其用在大功率發動機上。從目前來看,發動機的重量是降低了,但可靠性還需要時間來證明。

  再看CFM的LEAP-X,GE在2013年的UBM航空發動機大會上作出了諸多承諾。比如,比同類產品降低15%油耗,NOx排放和降低噪聲方面也有突破,并且CFM56的30年可靠性/耐久性經驗和GE90、GP7200及GEnx諸多降低油耗的新技術將集中體現在LEAP-X上。

  值得注意的是,三家飛機制造商同時選擇了LEAP-X。其中,LEAP-1A用在空客的A320neo,LEAP-1B用在波音的737MAX,LEAP-1C用在中國商飛的C919。三款發動機結構特征雖然相似,但尺寸上卻有較大差異。LEAP-1A的風扇最大,在燃油消耗(SFC)上會有優勢,因為通常風扇越大可能會越省油。

  LEAP-1B的風扇最小,短艙阻力自然也最小,特別是層流短艙的使用會進一步降低摩阻,從而降低燃油消耗。LEAP-1C在兩者之間,希望會兼具兩者的優點,但如果處理得不好,則可能兼具兩者的缺點。因此,發動機和C919飛機的一體化設計必須相當謹慎。

  當然,所有這些“省油”的承諾目前都只是個承諾。對于飛機制造商來說,省油只是一方面,發動機的維護成本也是一個需要重點考慮的因素。業內人士都知道,發動機廠商賣發動機的利潤是微乎其微的,其大部分利潤來自售后服務。

  CFM宣稱,LEAP-X的維護成本和CFM56相當。而普惠則宣稱,PW1000G的維護成本比目前的V2500要低20%。這一說法似乎未能獲得飛機制造商的認可。從兩款發動機的構型上來看,PW1000G比LEAP-X少4級,因此導流片/葉片數估計要少得多(數百量級),從而可以降低維護費用。核心機通常占全部維護費用的90%,而高壓渦輪(HPT)又占其中的三分之二,所以需具體分析具有相同級數的HPT的維修費用。

  用于737MAX的LEAP-1B風扇尺寸明顯小于PW1000G,要取得同樣的效率,前者的HPT溫度就會高許多,不利于部件壽命。另一方面,雖然GTF使風扇速度降低,但同時HPT的速度會增加,不利于部件壽命,所以兩家在發動機HPT上打成平手。

  PW1000G的最大優勢在于齒輪傳動,但從維修角度看也是最大缺點,因為它不僅增加了重量,同時也大大增加了維修費用。綜合下來,Leap-X可能更具優勢,但真正要決出兩家發動機在維修性上的優劣,至少要在其服役5~6年之后。

  小翼的戰爭

  除了發動機之外,兩家制造商在翼梢小翼上也做足了功課。空客的“鯊魚小翼(Sharklets)”由大韓航空的航空工程部門制造,高約2.4m,重量約為200kg,從2012年起已經選裝在部分A320飛機上。空客表示,這項技術可以幫助用戶節省約3.5%的燃油,并增加商載500kg或航程190km。與之對應,每架飛機每年可減少700噸CO2排放,節省約22萬美元的運營成本。

  同樣,波音也在氣動外形上下足了功夫。其最新研制的AT(Advanced Technology)翼梢小翼結合了“耙尖式(Raked Tip)”小翼和“雙羽(Dual Feather)”小翼的優點。波音宣稱,這項技術比空客的“鯊魚小翼”節省1.5%的油耗。

  除此之外,737MAX的尾椎也有很大改進。通過流體力學的模擬表明,新的設計在尾椎和水平尾翼根部避免了一些流動分離,從而阻力減少可達1%。同時,尾椎附近的APU排氣口設計也有所改進,去掉了一些會增加阻力的渦流發生器,使整個尾椎變得更干凈、流暢。

  制造商的口水戰

  空客和波音新一輪窄體客機之爭不僅體現在訂單數上,雙方在飛機性能方面也爆發了口水戰。空客宣稱,A320neo發動機的風扇達81英寸(2.06m),外裝104.3英寸(2.65m)的短艙之后,離地距離還有18.1英寸(46cm),只有這樣,才能充分發揮大涵道比發動機的優勢。在這方面,A320neo優于737MAX。

  波音反駁說,737NG和其競爭機型相比,已有重量輕、維護費用低等優點,737MAX會繼承這些特征,從而在這兩方面會比A320neo更優越。例如,162座737-800的每座運營空重(OEW)比150座A320要輕10%,126座737-700和180座737-900的每座OEW比124座A319和185座A321的相應OEW分別輕5%和7%。對于500海里航程來說,燃油占39%的運營費用,降落和導航費占29%,飛機結構維護費用占5%,發動機維護費用占3%。正如737-800已經證明比A320低8%的運營費用一樣,737NG和737MAX的重量優勢也將有利于降低運營成本。

  波音還引用美國交通部2003~2010年間的數據來說明737NG的每小時總直接維護費用(DMC)比A320低27%。國際航空運輸協會的數據也很相似,737NG比A320的DMC低23%。此外,波音還計劃于2014年進一步降低7%的737NG機體結構的DMC。

  空客當然不同意波音的上述計算方法。空客強調指出,自從引入了新的結構改進計劃、維護方案和維護周期拓展計劃后,已把A320的48000起降/60000飛行小時延長到了60000 起降/120000飛行小時,大大降低了DMC。同時,由于A320采用數字電傳系統,其機械部件數量大大減少,可進一步降低DMC。

  在飛機的可靠性方面,波音認為737NG的簽派率為99.7%,而A320卻只有99.4%。換句話說,比較100架A320和100架737NG,后者每年每架比 前者將會少590次延誤,或者少影響65000名乘客的出行。以此類推,對于737MAX,在機身結構維護費用方面其凈現值(NPV)將有130~180萬美元的節省,而A320neo卻只有100萬美元的相應節省。

  空客自然不甘示弱,指出A320系列早已通過6千萬架次的飛行和65億乘客表明,其簽派率達到99.7%。值得指出的是,空客的數據只計算了最近出廠的250架飛機,而波音的計算方法是基于同一時間在飛的所有空客A320和波音737NG飛機。

  對于翼梢小翼,兩家也各有說辭。波音指出,空客的“鯊魚小翼”是已經投入服務的技術,而AT小翼則是未來技術,對500海里航程來說,比“鯊魚小翼”可以額外節省1%的燃油消耗。況且,AT小翼的下半部分向下伸展30英寸(76.2cm),因此整個機翼長度增加不大,仍然屬于ICAO的C分類。空客反駁說,雖然2.44m高的“鯊魚小翼”會使翼展增加1.7m,但多家航空公司的實際使用證明,其效率比最初預期的要好1%~1.5%,因此和AT小翼相比,難分伯仲。

  對C919的啟示

  2008年11月啟動的 C919客機的設計目標是比現有窄體客機至少節省12%~15%的燃油,直接使用成本(DOC)降低10%,碳排放水平低50%。與當時服役的A320和737相比,這是性能相當優越的一款飛機。然而,與A320neo和737MAX相同,C919的先進指標較大程度上依賴于先進發動機的性能。在目前C919已轉入詳細設計階段的情況下,面對世界民機市場的新形勢和新挑戰,中國商飛需要有自己的應對策略。

  第一,需要在發動機性能方面和CFM(特別是GE)作進一步溝通,包括:(1)發動機效率以及噪聲和排放標準的保證機制。比如,壓氣機、燃燒室和高壓渦輪的先進技術以及技術成熟度方面的溝通;(2)保證時間節點;(3)確保Leap-1C和Leap-1A/-1B在性能方面的可比性,保證其具有優越性;(4)保證使用壽命及降低維修成本。

  第二,需要在細化設計方面精益求精。無論是外形還是內飾,力爭要和A320neo和737MAX有一定的可比性,并在細節上有自己的特色。

  第三,準確的市場定位。從市場對A320neo和737MAX的反應來看,國外客戶相當看中一款飛機的歷史,而這恰恰是C919最缺乏的。目前,三款飛機在發動機上已是難分伯仲,而A320neo和737MAX在氣動外形、系統及內飾方面均有改進,因此C919要進行準確的市場定位,早期或以立足國內市場為主。

  第四,需要在飛機的價格上表現出差異。資料表明,A319neo的單價約8880萬美元,A320neo約9670萬美元,A321neo約1.133億美元。相比之下,737 MAX要便宜一些,737-7約7770萬美元,737-8約9520萬美元,737-9約1.017億美元。在大量國際采購的情況下,(對這些供應商來說,C919的采購價格會更貴,因為雖然空客和波音也作類似采購,但其采購量要大得多),中國商飛必須加強供應商管理,保證和A320neo及737MAX有足夠的價格差異,才會有一定的競爭力。為此,應充分發揮低制造成本優勢,加強成本控制,提高制造基地的管理水平。

  最后,需要優化客戶服務。中國民機的客戶服務體系建設仍處于起步階段,沒有經驗,這是劣勢,但同時也是優勢,如能借鑒別人的經驗,利用熟悉國內環境和文化的優勢,早作優化,可能會以更低的成本,提供更優的服務。

(責任編輯:繆杰嫻)

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