波音和空客的下一个战场

万磁王

作者：晨枫
来自空翼

　　2017年巴黎航展最大的期待之一无疑是F-35的飞行表演。F-35如期表演，但没有像洛克希德期望的那样，一劳永逸地打消人们对F-35飞行性能的质疑。另一个最大的期待则是波音对NMA计划的澄清。NMA全称为New  Midsize Airplane，意为新一代中型客机。波音并没有做出多少澄清，NMA依然在迷雾之中，但NMA无疑指明了民航客机的下一个战场。

不管F-35在巴黎航展上的表演是否一劳永逸地打消了人们的疑虑，F-35不是巴黎航展唯一的期待。另一个最大的期待则是no show：波音没有如期宣布NMA的启动

万磁王

　　民航客机是一个高度细化的市场。在竞争激烈的各类航线上，载客量每相差20座就可以成为新的型号。载客量不够当然要丢失盈利机会，载客量过大、上座率不足则要常年拉着太多的死重到处飞，对盈利也是大大的不利的。航程也有类似的问题，过大的航程意味着不必要的油箱容积和结构重量，过大的发动机也不利于省油。最好所有飞机对每一条航线都有恰到好处的载客量和航程，这当然是不可能的。为了无缝覆盖，民航客机主要产品系列的两端多有重叠。比如在波音的系列里，波音777占据了300-400座、9500-16000公里航程的区间，波音787占据了240-330座、12000-15000公里航程的区间。在重叠区，用户可以在波音777的载客量和波音787的航程之间优化，以选择最适合需要的型号。但波音737MAX占据了140-195座、6500-7000公里航程的区间，与波音787之间有显著的缺口。

民航是高度细分的市场，每相差20座就可以成为新的型号。这是达美航空的机队，为了在不同航线和流量上获得最大效益，需要有不同的飞机，哪怕要求很相近

万磁王

　　在空客方面，A320NEO占据了140-210座、6500-7400公里航程的区间，A330NEO占据了260-290座、12000-14000公里航程的区间，A350占据了320-370座、15000-18000公里航程的区间，A380则是550-600座、15000公里航程的巨无霸。空客也有缺口，但情况比波音稍好一点。
　　A320比波音737出世晚了20年，在基本设计上避免了后者的一些先天缺陷，比如机体较窄导致座位较窄、翼下净空不足导致发动机尺寸受限等。加长的A321NEO的载客量比波音737-9要多，以4：1的订单优势彻底压倒了波音737MAX-9。更要命的是，波音是以缩短航程为代价而勉强增加载客量的，而A321NEO（NEO意为新发动机）新增的A321LR亚型靠增加的辅助油箱维持了航程，事实上独占了这一块市场，有把波音赶出这个重要市场的趋势。这正好是美国东西海岸之间或者东海岸到欧洲西部的理想航程（由于备降机场和余油规定，航空公司的实际运营航程要显著短于客机的理论最大航程），由于点到点模式的兴起，越来越受到各大航空公司的青睐。波音正在推出波音737MAX-10，但这只是增加载客量，还是解决不了航程问题。

传统民航的放射形模式，这里洛杉矶和丹佛是核心机场

核心机场越来越拥挤

里面挤，外面也挤

大型飞机的起落还有严重的尾流问题

万磁王

　　传统民航运作的模式好比放射形，核心对应于一线城市的核心机场，核心机场之间用大型客机，载客量越大，经济性越好。单机载客量较大还可缓解机场登机门周转率的问题，两架飞机靠泊和登机离机的操作时间远远大于一架两倍载客量的飞机。从核心机场到附近的中小城市则由中小型、中短程客机运营，把核心机场的客流导向分散的目的地。
　　但放射形模式高度发展后，弊端也日益严重，核心机场空域拥挤，登机口紧张。大飞机的尾流强大，要求起飞、着陆间隔加大，对机场周转率的好处并没有预想的那么大。核心机场的航站也越来越大而无当，单个航站楼容纳不下，多个航站楼之间转机、误点成为越来越大的问题，航空公司和旅客都苦不堪言。
　　点到点模式绕过核心机场，在大量远距离二线城市之间直飞，或者在一线与二线城市之间直飞，大大便利了旅客，也节约了旅行时间。一般来说，航空公司只能经营从境外直达外国的国际航线，而不能经营外国境内的国内航线。增加本国直达外国二线城市的航线还有助于减少不同航空公司的联运，“独吞”航线营利。即使航空公司有权运作多段航线，每段航线也有相应的飞机、机组和机场费用，点到点直飞节约费用，经济性最终反映到票价，刺激消费者的出行意愿，开拓新的需求。
　　但点到点不仅需要足够的航程，还要有适中的载客量，满座率不高的点到点航线是没有生命力的。波音787开创了远程点到点模式，但载客量依然偏大，适合大中城市之间使用，流量再小一点的市场就嫌太大。中等流量、中远航程，这是波音NMA的定位所在，也称中间市场客机（Middle  of the  Market，简称MOM），大约定位在200-270座、9000-10000公里航程级。最关键的是：NMA要以单通道的经济性实现传统上只有双通道才能做到的载客量和航程。波音在36个航空公司中的调查表明，NMA的市场需求可达5000架之多，其中至少2000-3000架属于不能由“低端高用”或者“高端低用”满足的核心需求。历史上，这是由波音757/767、空客A300/310所覆盖的范围，现在波音757和A300/310已经停产，波音767只有货机和美国空军的加油机还在继续生产，2004年后客机已经停产。
　　波音是第二次碰上MOM问题了。在70年代推出波音747之后，波音需要一架飞机填补波音737和波音747之间的缺口，但最后配套推出了波音757和767。波音757是单通道的，200-250座、5500-7250公里航程级；波音767则是双通道，220-300座、7000-12000公里航程级。在波音提出NMA要求后，用新发动机和航电重开波音757/767生产线的呼声很高。

在70年代，波音同时推出757和767来解决MOM问题

波音757实际上可以看作“超级737”

但波音767是双通道的，而且是很受旅客欢迎但不受航空公司欢迎的2+3+2布局

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　　波音757依然采用波音707/727/737的机身截面（后机身直径有所增加），原意要取代短程的波音727和中程的波音737，但机身长，重量大，作为“大号波音737”飞短途的话，经济性不如正主；飞中长途的话，载客量不如波音767，难以得益于规模经济，市场响应始终不温不火，2004年就停产了。波音757适合中流量点对点中远程航线的优点是在停产多年后才意识到的。
　　波音767载客量和航程很适合填补波音747以下的需求空间。这是独特的半宽体设计，也是双通道，但每排座位为独特的2+3+2，非常受旅客欢迎，没有人需要爬过两个邻座才能走上走道。但对于航空公司来说，通道增加一条，但每排座位数只比单通道的3+3增加一个，机舱里被走道占用的非营利面积太大，经济性不好。与波音747那样的宽体相比，半宽体有机体直径较小、重量较轻、迎风阻力较小的好处，但地板下的空间正好无法安放两个标准的LD3航空集装箱，只能装两个偏门的小号LD2，也影响使用。捎带货物是中远程航线上的重要营利手段。

双发的A330大获成功，但四发的A340很快被双发的波音777谋杀了

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　　空客的应对是推出A330和A340，采用相同的机体和机翼。A340为四发，主打远程；A330为双发（翼下外发动机位置用盖板盖上，这一特点在改装加油机时特别有用，这里是天然的翼下加油吊舱的位置），主打中短程。这是技术上有创意而又稳妥的做法。但四发的经济性天然吃亏，A340很快被航程相当但载客量更大的波音777（尤其是远程的波音777-300ER）扼杀了，这是另一段故事。A330的定位与波音767相似，采用2+4+2的座位布局，经济性更好，反过来扼杀了波音767的生存空间。A330也用新一代发动机推出A330NEO，继续畅销。
　　波音要重回MOM市场的话，用新发动机直接恢复生产波音757MAX或者767MAX是最简便、快捷的做法，但也是最短视而没有后劲的做法。波音767MAX将被A330NEO再扼杀一遍，波音757也有本质缺陷。
　　波音757的机舱宽度与波音737相同，继承自波音707。这在50年代是合适的，但现代人普遍体胖，17英寸的座椅宽度太窄，A320的18英寸明显更加舒适。这在短途的波音737上问题还不大，但在主打中远程的波音757MAX上，旅客的舒适就是大问题。这和把波音737拉皮到MAX还不一样，波音737有特别大的用户基础，使用、维修、运作的熟悉、现成的备件和技术保障体系加上依然优秀的经济性，使得波音737MAX依然有巨大的吸引力。波音757没有这样的条件。而要加宽机体，这就是彻底重新设计了，谈不上什么恢复生产了。既然这样，不如全新设计。
　　NMA需要波音767的航程和载客量，更需要波音757的经济性，能达到波音737的经济性更加理想。事实上，把波音737继续拉长作为NMA也是一个遥远的可能性，只是波音737尽管依然畅销，但基本技术还是60年前就确定的，也急需考虑换代了。除了机舱宽度和翼下净空问题，还有金属为主的基本结构和机电飞控的问题。还有一个问题不大提到：波音737的地板下行李舱只能携带散货，不能像A-320那样用标准的航空集装箱，需要人工装卸，不仅费时费力，而且在抛接中容易损坏行李。这些问题都是可以解决的，但都需要全面重新设计。既然如此，不如全新研制下一代，这就是波音的下一代小型客机（New  Small Airplane，简称NSA）计划。

波音737MAX是深挖潜力的结果，但737的潜力已经被“挖尽”好几回了

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　　事实上，波音737的潜力已经“挖尽”好几回了，每一次都在新技术的注入下，重现新的生命力，但这条路越来越难走了。波音737MAX从一开始就是过渡行为。如果不是空客A320NEO用换发来“换代”取得意外强烈的反响，波音本来是准备直接进入NSA阶段的。但NSA已经不能再拖延了。A320可以推出A321NEO和LR，只要有市场需求，还可以推出进一步加长（可能还需要设计全新机翼）的A322NEO，但波音737已经黔驴技穷了，加长再加长的波音737MAX-10已经是为了不向空客投降而硬憋出来的。NSA势在必行。
　　NSA的上端和NMA的下端重合，要是把两个计划合并，在经济上是有利的，但在技术上则是难上加难。
　　NSA的要求还没有公布，估计这将定位于150-200座、7500公里级航程，也就是说，是波音737的直接换代。一般认为200座是一个分水岭，200座以下以单通道为宜，所以NSA肯定是单通道的。
　　250座以上的话，则以双通道为宜，否则单通道的机体长度太大，最后几排座位的旅客要经过万里长征才能从登机门走到自己的座位，容易有怨言。一字长蛇的登机离机的时间也太长。另外，过长的机体有起飞拉起时机尾触地问题，A321已经在离地时只能缓缓拉起，达到一定高度后再转入大迎角爬升，以减小起飞路径下的噪声投影。但这样的大角度爬升容易引起乘客不适，也对发动机推力提出更高的要求。
　　但200-250座之间就比较纠结，既可以是加长的单通道，也可以是缩短的双通道。波音声称，NMA将有双通道的载客量和舒适，和单通道的经济性。问题是，波音767那样的每排2+3+2的双通道已经证明经济性不好，至少需要每排2+4+2，但这就危险地逼近每排3+3+3的波音787的型号区间。
　　缩短波音787也不是办法，“短宽体”销路不好，历史上波音767-100、波音787-3都夭折了，空客A310也铩羽而归。现在的波音787也只有载客量大的-9和-10畅销，载客量较小的-8已经开始销路不畅了。
　　在机舱宽度上，只有2+3+2符合NMA的载客量要求。要解决经济性问题，只有突破传统，走全新的思路，比如采用椭圆截面。坊间传言，波音已经决定：NMA为椭圆截面的双通道，人们甚至已经给NMA定名了：波音797。

椭圆机体的设想已经不新颖了

椭圆机体可以在同样宽度情况下，重量、阻力小于圆形机体

但椭圆机体的设计制造较困难

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　　在同样宽度情况下，椭圆截面机体的重量和迎风阻力略低于圆截面机体。问题是，椭圆截面的受力不如圆截面，制造难度增加，结构加强要求可能把减重效果抵消了。椭圆截面还有机舱舒适和行李空间的问题。压扁的上部空间挤占了行李架和布线空间，压扁的下部空间使得标准的航空集装箱难以装入，这些都影响舒适性和营利性。
　　椭圆截面的一个远亲是横8字截面，用两个圆截面拼接，工艺性比椭圆略好些，但可能只能用两个低矮的2+2的支线客机级的圆筒，实际上形成2+4+2，再大就横截面太宽了，再小就太低矮、根本不适合作为大型民航客机使用了。2+3+2的话，中间座位的天花板太低，非常压抑，而且机舱低矮，舒适性很糟糕，地板下也没有行李空间。即使不考虑技术风险，NMA采用横8字的可能性也微乎其微。

A380项目研究过的几种机身截面

万磁王

　　2017年巴黎航展前夕，美国《航空周刊》与美林-美洲银行联合向世界各国航空公司调查，发现90%要求少于250座，76%要求不低于9200公里的航程。换句话说，航程优先，载客量则不必太大。这是和点到点、“薄”航线、分散化的大趋势符合的。这决定了NMA更可能是单通道。250座差不多是单通道的极限，波音757-300就是243座（两级布置，单级高密度可达280座，但没人这么做）。250-270座区间就放给波音787了。历史数据也表明：貌似缺乏发展余力的加长单通道卖得红火，A321NEO还没有交付，已经有1400架以上的订货（还可加上1600多架A321CEO，其中1200多架已经交货；对比之下，波音757总产量只有1050架）；更加舒适、貌似更有发展潜力的波音767-200则早早铩羽而归，波音767的所有型号至今总产量也只有1100架。事实上，历史上的短宽体都不成功，波音787-3、波音767-100都在孕育中就夭折了，空客A310也是空客历史上最不成功的型号。
　　历史数据也表明，航空业界对单通道的销售预测经常低估，但对双通道则经常高估。波音每年发布《当前市场预期》（简称CMO），预测未来20年的民航市场，一般认为至少是有关市场预测中最靠谱的。就2007-26年区间而言，现在正好是中间点。2006年CMO指出，在2007-26年间，将有17650架单通道飞机的需求（指波音737、A320和庞巴迪尔CS系列，没有计入俄罗斯MC-21和中国C919），6290架双通道的需求和960架超大飞机（A380、波音747）的需求。超大可以按照典型的1.3倍因子折算为双通道，这样双通道总数为7538架。
　　但在2007-16年间平均下来，单通道实际交付为916架/年，波音和空客现在都预计未来10年将继续增加到1100架/年，甚至可能达到1500架/年。但双通道的交付数量显著低于预期，把算入等效的超大飞机，在2007-16年间实际交付2890架，也就是说，要达到预期，后10年要交付4648架才行，显然不现实。
　　事实上，只要有可能，航空公司宁愿勉为其难也要用单通道飞远程航线，如挪威航空用波音737MAX飞北大西洋航线。这意味着理论上更加适合的小双通道的市场可能被加长的单通道吃掉，登机口周转时间短的优点也不足以扭转这样的情况。
　　当然，NMA最大的问题是众口难调，到底是要更大的载客量，还是要更大的航程，还是载客量、航程都要，这对NMA的单通道还是双通道的选择最后有最大的影响。
　　波音有可能对椭圆截面和2+3+2是认真的，但双通道能用的新技术也可以用于单通道，使得双通道由于结构重量劣势而永远吃亏。更大的重量不仅耗油，还增加了机场着陆费用，跑道使用是按飞机重量计价的。双通道还要求双倍的乘务员，同时对两个通道两边的乘客提供机上服务。
　　双通道的舒适性优点在某种程度上几乎不重要，绝大多数旅客按票价订票，绝少有按飞机型号订票的。最重要的是，波音NMA需要竞争的不仅是现在的A321NEO，还有空客必然跟踵而来的应对。波音有过推出“音速巡航者”而有缩回去的前科，当年这正是作为波音767的换代提出来的，撞墙后改用波音7E7的名义再推出，最后成为波音787。事实上，波音在造势已久后，在2017年巴黎航展上最后还是没有公布NMA。
　　另一方面，NSA和NMA要是共享机体，可以大量节约工程设计和制造工装的开支。传统的圆筒-机翼布局之所以经久不衰，部分原因在于制造上的便利，圆筒的受力情况良好，框架和蒙皮结构容易批量制造，降低成本。共用相同的机体直径和基本结构设计的话，不仅减少工程研发开支，还有规模经济的好处。

NSA和NMA要是共享机体，可以大量节约工程设计和制造工装的开支

　　空客A320的机体比波音737加宽6英寸，使得座位可以从17英寸加宽到18英寸，赢得了舒适的口碑。NMA/NSA要重夺制高点，并打退包括C919、MC-21的挑战者，可能需要比A320进一步加宽6英寸。这给NMA/NSA前所未有的自由度，既可以为NMA加宽座椅，改善舒适，又可以为NSA加宽通道，加速登机、离机。据研究，30英寸的通道可以并排容纳一个旅客及其滑轮箱，使得单通道的登机、离机效率接近双通道。
　　单通道的NMA/NSA可以通过拉长和缩短满足不同的座位数要求，但要在航程上取得一致就难了。NSA肯定不需要9000-10000公里的航程，按照那个要求设计，对于大量现用波音737的用户就太浪费了。
　　要达到大航程，传统做法是增加燃油量和最大起飞重量。客机的油箱主要在机翼内，增加翼展一方面增加升力，容许更大的最大起飞重量，另一方面也加大翼内油箱容量。但单纯增加翼展和翼面积是面多了加水、水多了加面的“笨”办法。增加展弦比提高升阻比，用较小的阻力代价获得较大的升力，这才是巧办法。
　　展弦比越高，机翼越是细长，空气可以在更大的展长上得到加速，产生升力，但加速的幅度不必太大，减少了气流分离和种种畸变，提高产生升力的效率，提高升阻比，同时降低了对后掠的要求。后掠翼延迟了激波的形成，有利于提高速度，但斜掠不可避免地产生气流的展向流动，导致一定的升力损失。在不影响飞行速度的情况下，降低后掠角有利于提高升阻比，极端情况当然就是平直翼。滑翔机的机翼就是典型的大展弦比平直翼。但细长机翼的受力不好，气动弹性变形可能造成多种气动反常，如翼尖失速造成机头不可控上扬，或者襟翼副翼动作导致机翼扭转而造成气动控制反转，补强则带来重量增加，抵消了细长机翼的增升作用。复材机翼解决了这些问题，波音787、A350、MC-21都采用了复材，展弦比已经比从传统的9增加到11，后掠角也有所减小，提高了升阻比。采用更先进的主动颤振控制和阵风抑制技术的话，可望把展弦比进一步提高到15。

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　　但更大的展弦比需要全新思维。波音与NASA合作，已经进行SUGAR计划好多年了。SUGAR的全称为Subsonic Ultra Green  Aircraft  Research，意为亚音速极环保飞机研究，重点是省油、减排、降噪。SUGAR有很多亚型，有涡桨型、涡扇型、氢动力型，最极端的是涡轮-电力混动方案，但在气动上是共同的，最大特点是特大展弦比（可达20-30）和支架翼。

波音SUGAR的几种方案