噴射客機的製造與技術【修訂版】

我們在旅行或商務時，時常都會搭乘飛機，但是你知道飛機是由什麼樣的公司生產的嗎？
要製造一架如此龐大的飛機需要用到非常多尖端技術與零件，這些複雜的零件來自世界各地的許多不同公司，每種系統設備及機體元件都有各專業製造商，最後再運往波音及空中巴士工廠進行組裝。
飛機組裝工廠號稱「沒有柱子的世界中，最大的建築物」，在噴射客機的製造現場，您可以看到像一座足球場面積那麼大的工廠大門！每一架飛機的製作除了要考量使用者需求及經濟效益，其尺寸、重量也與維修、機場的適性息息相關。更不能忽略的是在導入新技術的同時，最優先考量的就是確保及提高安全性！

飛機是結合多方面專業技術與科技的成果，
本書就要帶你來看飛機系統設備及製造零件製程全解析！
◎ 空中巴士和波音客機的製造方式有什麼差別？
◎ 一個月最多可以製造多少架飛機？
◎ 這麼長的主翼和機體如何製造、如何運送？
◎ 「試飛」是要試哪個部分呢？
◎ 噴射客機引擎的進化與種類
◎ 噴射客機的壽命是幾年？
◎ 製造噴射機的工廠有多大？

本書特色

1、噴射客機製作流程大公開，帶你一窺製造現場的技術細節與浩大工程。
2、精美圖片解析，還有許多作者親自取材拍攝的照片，一目了然，具臨場感，以容易理解的方式傳達給讀者。

青木謙知
1954年12月生於北海道。1977年3月畢業於立教大學社會學系，同年4月進入「Aviation Journal」航空雜誌出版社擔任編輯/記者。1984年1月，於日本《航空日誌》月刊擔任總編輯。1988年6月，該雜誌廢刊後，便轉任航空軍事自由記者。他不僅在專業航空雜誌投稿，在報紙、週刊以及通訊社等也有諸多與航空、軍事問題相關的專欄。有多數著作如《徹底驗證！V-22魚鷹直升機》、《驚人的F35第五代戰鬥機》、《世界最強！美國空軍的全部》、《自衛隊戰鬥機有多強？》、《波音787如何製造》、《F22為何被譽為最強》等（全部為SCIENCE‧i新書）。目前身為日本電視節目解說員。


盧宛瑜
輔大日文所畢，取得輔大翻譯學程證明。求學期間曾參與2006年中經院舉辦之台日科技高峰論壇研討會會後成果編譯。後陸續擔任多場活動口譯，如日本留學說明會口譯、2011年、2014年、2016年、2018年台北國際旅展中日口譯等。曾任秀峰高中、聖心女中、新莊高中兼職第二外語日文教師。譯有《趣味地球科學》《飛機為什麼會飛》《航空管制超入門【圖解版】》等書。

「製造業」現場，是在一無所有的狀況下，生產出實體的「物品」。這個過程實為非凡的景象，且能夠給人物品誕生後的感動。用於製造業的各種技術，特別是訓練有素的技術員，其技藝更令人驚嘆。
飛機的體積相當大，因此工廠也很大。由於製造過程已分工，因此只看一間工廠無法掌握其製造全貌。例如波音的飛機，雖然在波音工廠進行最後組裝，但反過來說，就算參觀波音工廠，也只能看到最後組裝作業。對於機體框架的製造以及外板加工等，大部分的作業工程，都是和其他工廠簽訂負責製造的合約，在其他工廠進行製造作業。因此，就算想「在波音工廠看某個構造零件的削切作業」，也不可能實現。
關於飛機整體的實際製造作業，首先從某個製造商開始製造小零件，再由其他製造商使用這些零件來製造尾翼等「機體元件」部位。接著各元件會被運至波音工廠，才進行最後組裝完成。這些作業流程無論是波音公司，還是歐洲共同體的國際合資製造商空中巴士，原則上都相同。
飛機內部更有引擎以及操縱裝置等諸多系統類的配備。尤其引擎完全為個別處理，引擎製造商是在製造完成後才交貨給機體製造商，並在最後組裝作業程序裝上。這就是為什麼，有一部分機種的引擎走「選擇制」，能夠讓航空公司（Airline）選擇。
各種系統設備原則上和機體元件一樣，都有各個專業製造商。這些專業製造商從機體製造商那邊簽訂契約，開發、製造系統後再裝置於機體內部。筆者在取材時，對於這些進行前置作業的製造商感到吃驚的是，「他們作業用的工具機幾乎清一色都是日本製」。
最近，飛機的製造零件幾乎都是強化纖維複合塑料（FRP：Fiber Reinforced Plastic），但即使如此，飛機原則上還是金屬製。最常使用的就是鋁合金，暴露於高溫的部位則使用鈦合金材料。另外有部分相當低的比例會使用鋼鐵。日本製的各種作業用工具機則用來對這些金屬素材進行加工，這些工具機也被海外多數製造商引進。
說實話，這些機台雖都是相當特殊的機械，但大部分都由一些不是很知名的企業所製造。但不管是哪一間公司製造，比較其作業精細度以及可靠性、耐久性等，無論從哪個角度來看，大家都認為「日本製的工具機最好」。由於大多數公司對日本製機械的認可，加上現實也是日本製工具機的使用率較高，所以這並不是因為筆者身為日本人，就開始自誇。筆者在取材時發現這樣的事實，心中不禁感到無比驕傲，而且也重新認識了日本的技術力。
客機工廠比其他大型機體的組裝工廠還要大。雖然製造商提供了工廠地板面積以及建築物的總容積數字，但無論何者，都和我們日常生活接觸到的認知相差甚遠，幾乎難以想像。因此飛機組裝工廠有諸多稱號，如「是沒有柱子的世界中，最大的建築物」等，擁有相當多「世界第一」的形容詞。最容易想像的說明之一，就是在波音公司的埃弗里特工廠，面積到達「一棟工廠大門的大小，和美國一座足球場地面面積一樣大」。這個說明就能夠實際感受到工廠（建築物）的大小。
本書主要都使用筆者所取材的內容以及照片，並針對今日的噴射客機製造現場的狀況，包括規模大小等，以容易理解的方式傳達給各位讀者。
本書執筆之際，受到科學書籍編輯部門的益田賢治先生、以及石井顯一先生的許多寶貴建議。筆者在此藉著書序，對兩位致上謝意。

作者序

第1章 直到決定開發噴射客機前
1.1 噴射客機的壽命
1.2 市場預測
1.3 客機市場的轉換
1.4 機體提案的策劃制定與評價
1.5 導入新技術等的評價
1.6 到提案之前的過程
1.7 獲得啟始客戶
專欄(1)Working Together的意思是？

第2章 如何開發噴射客機
2.1 決定形狀及架構
2.2 以數位模擬法設計
2.3 開發所使用的機體數量和種類
2.4 飛行實驗機
2.5 地面實驗機
2.6 決定製造方式
2.7 轉向分工的過程
2.8 國際分工以及合作夥伴1
2.9 國際分工以及合作夥伴2
2.10 波音公司和西雅圖
專欄(2) VFW Fokker 614

第3章 波音787是如何製造的？
3.1 最後組裝線的特徵
3.2 第1組裝位置與MOATT
3.3 第2組裝位置與第3組裝位置
3.4 第4組裝位置及塗裝
3.5 各部位的製造1
3.6 機體製造的特徵
3.7 各部位的製造2
3.8 各部位的製造3
3.9 國際合作體制
3.10 日本企業的參與1
3.11 日本企業的參與2
3.12 日本企業的參與3
3.13 日本企業的參與4
3.14 日本企業的參與5
3.15 日本以外的參與企業
3.16 韓國企業的參與
3.17 澳洲企業的參與
3.18 生產物流1
3.19 生產物流2
3.20 交貨前
專欄(3) 直升機工廠

第4章 近看波音737、747、767、777的製造工程
4.1 最後組裝方式
4.2 新一代737
4.3 747-8
4.4 767
4.5 777
專欄(4) 到現場就能參觀工廠

第5章 空中巴士如何製造噴射客機？
5.1 空中巴士的主要工廠
5.2 A320家族飛機的製造
5.3 A330/340的製造
5.4 A300-600ST「大白鯨」
5.5 A380的製造後勤1
5.6 A380的製造後勤2
5.7 A380的最後組裝線
5.8 A350XWB的製造
專欄(5) A350XWB

第6章 噴射客機的引擎進化
6.1 噴射引擎的種類
6.2 渦輪式噴射引擎和渦輪式風扇引擎
6.3 渦輪式風扇引擎的進化
6.4 新一代渦輪式風扇引擎
6.5 三軸構成以及齒輪渦輪風扇引擎（GTF）
6.6 未來的噴射客機用引擎
專欄(6)首飛成功！龐巴迪「C系列」

第7章 MRJ的製造技術
7.1 MRJ的製造1
7.2 MRJ的製造2
7.3 MRJ的製造3

第1章 直到決定開發噴射客機前

1.1 噴射客機的壽命
噴射客機的壽命在設計時，主要依其機體構造而定，通常都以其構造強度能夠承受的飛行時間及飛行次數來決定。例如長距離客機波音747，在設計階段時便以「總飛行時間60000小時」以及「起飛和著陸次數（又稱起降次數）20000次」為目標，並在實現此目標為前提下，進行設計製造。
其後製造的短距離機型（747SR），比起長距離機型的巡航飛行高度較低，接受外部空際的氣壓差較小，但另一方面，短距離航線的起降頻率會增加，因此便將新機體的飛行壽命目標設定降至42000小時，但起降次數則增為53000次。
此外，飛機也會根據其實際操作的狀況，而有可能超過當初設定的飛行壽命。例如麥克唐納‧道格拉斯（簡稱麥道，後來與波音公司合併）公司的MD-80，它所設計的飛行時間壽命為45000小時，但卻因其相同構造設計的前代機種DC-9的飛行實績，而延長至78600小時。
若要正確推測客機的壽命，會有點複雜，不過以一般的客機使用條件，其中一個標準就是「經濟壽命達20年」。這個意思就是在20年內，一般維護保養工作下便能夠飛行，但若超過20年，即使還能夠運作，其維護工作的頻率也會增加，而且修補工作所需的花費也會提高。
但如果是貨物專用機，即使相同設計的機種，其壽命也能延至35年。原因之一就是貨機不載客，因此像一些使用壽命較短、且需要頻繁檢查的旅客用安全設備以及客房系統等都不需要裝設。當然客機本身的安全性和構造強度等完全沒問題，在不載客的情況下還能夠延續使用15年。因此當客機退役後，其機體大多會轉賣，被當成貨機來運航。

1.2 市場預測
噴射客機並非每個人都會購買的一般商品。但是進行市場預測，調查何時需要、需要何種機種、以及需求量多大等，再根據預測訂定販售策略，這一點和其他商品並無不同。
客機主要製造商波音公司以及空中巴士公司每年都會發布20年後的市場預測。波音公司發行的預測稱為Current Market Outlook（COM），空中巴士的則稱為Global Market Forecast（GMF），其中包含往後20年間世界各地區的經濟成長預測、未來20年內全球所需機種和數量、以及每個地區需求的特徵等。
這兩家公司的預測時間之所以都是20年，這是因為前面提過，客機的經濟壽命大約為20年，現在所使用的噴射客機在20年後幾乎都退役，且更換完畢。簡而言之，這個預測是針對全機型替換期間的總需求。
兩間公司的全體預測並無太大差異，其預測相同的部分如：今後20年內，航空旅客的需求量每年平均約成長5%，其結果表示噴射客機的數量必須增至2倍，牽引世界航空旅客市場的地區是中國以及東南亞地區，而需求量最大的則是單通道機艙，配備150∼180席座位的機種等。但是關於超大型機種的需求量，由於空中巴士開發並販售了A380客機，因此空中巴士對於這項需求的預測量較大。

第2章 如何開發噴射客機

2.1 決定形狀及架構
噴射客機的架構上，機體幾乎都是圓形剖面，且主翼都是在機體下方以低翼配置。一般而言，引擎的裝置方式有裝在後部機體（又稱為後置式）、以及裝在主翼下兩種，近年來小型客機幾乎都採後置式，但將引擎裝在主翼下方仍為主流。當然每架飛機的裝置方式都會因某些理由而被決定，因此絕對有其合理性。
首先，機體的剖面之所以多為圓形，是因為在高空飛行的噴射客機，其機內氣壓通常比機外氣壓高。噴射客機通常在10,000公尺左右的高度飛行，如果機內氣壓和氣溫與外部空氣相同，那麼高空氣壓僅有平地氣壓的一半，氣溫約為－50℃，這樣的環境不是人類可以生存的。因此飛機的客艙內，配有能夠維持舒適溫度以及提高氣壓（又稱為加壓）的空調系統。
現今幾乎所有的客機即使在高空飛行，客艙的氣壓高度也能夠維持在8000英尺（約2400公尺）內，這樣的氣壓大約和日本富士山的新五合目標高相同。機艙內氣溫當然也設定在最適宜人類生存的20℃左右（實際設定一般由空服員調整）。最先進的機種波音787，甚至將機艙內高度壓力降至6000英尺左右（約1800公尺），提供旅客更接近平地的環境。
以加壓裝置來從機體內側提高內部壓力時，若剖面以圓形構造呈現，優點就是無論機體內任何一個部分，都能夠平均加壓，而且又能將構造簡化，在設計和製造上也比較輕鬆容易。有些小型飛機機體剖面呈現四角形，但這樣的機種在內部所需的加壓會因地點不同而改變，因此無法裝配加壓系統。

主翼採低翼配置最為合理
客機機體原則上為雙層構造，地板面的上方為客艙，下方則設置貨艙。為了確保其搭載力，兩艙都必須規劃一定的空間，因此機體必然會變寬胖，另一方面，考量到要讓貨物容易裝卸，機體位置最好儘可能壓低。
如果只考慮機體位置，只要將主翼採高翼配置就能讓機體降低，但若將機體分為客艙和貨艙雙層構造，貨艙的部分就會讓機體拉高，導致機體位置無法降低，而且也會讓機體重量增加。
因此，高翼式的客機都是客座100席以下的小型飛機，或者是貨物量較少的區域性支線專用機等，這種配置也可說是一種例外。針對適用於各種路線的客機，如果採高翼配置反而沒有優點，因此今後低翼配置應該會繼續引導主流。

人從左側上下機，貨物從右邊裝卸
旅客通常從飛機左側上下機，因此機體左前方設有乘客登機門。機體的右側同樣也有機門，現在的噴射客機將右側機門設置成和乘客登機門一樣。客機的機門分別設在機體左右，目前左右機門的大小原則上相同，兩者可兼作登機門和緊急出口。其中例外的是主翼上方的緊急逃生門，它的尺寸相當小。它除了可當作緊急出口，還可以當作地面上的服務門（作業用），用來補充及裝卸機內設備、飲食等，以及提供機內清潔員等相關業務人員出入使用。
由於乘客從左邊上下機，其相關設備也集中在機體左側，因此貨艙的裝卸就必須在右側進行。這就是為什麼在飛機設計的結構上，客艙門固定在機體左側，貨艙門則固定在機體右側。
乘客之所以從左側上下機，這是取自船舶的運航規則。在航空旅遊發展初期，大型飛行艇相當活躍，這種飛行艇也會在海上航行，因此適用於船舶的航行規則。在這之後的客機便承襲此規則直至今日。不過在1970∼80年代，當時日本羽田機場裡沒有充足的停機空間，因此曾經讓旅客從右側上下機。

引擎及燃料的搭載位置是大學問
飛機內部取得重量平衡的地方，稱為重心位置。重心位置會根據飛機裝載物品的平衡而改變，但大體上說來，一般位於主翼和機體各自的中央位置附近。
飛行中的飛機必須將重心位置壓縮在一定範圍內。因此重物或在飛行中會改變重量的物品，配置於重心位置附近最為合理。客機的各種裝備品裡，最增加機體重量的就是引擎，例如A380所使用的Engine Alliance（發動機聯盟公司）的GP7200發動機，一具引擎的重量是6721公斤，4具引擎總重約27噸。雖然這和A380的總重量560噸相比，僅占其中不到5%，但如果將引擎大小（直徑2.95公尺，全長4.75公尺）考慮進去，它確實是個大型且十分重的元件，因此最適合安裝在重心位置附近的主翼上。
飛行中的飛機，重量會大幅改變的就是燃料。只要飛行，燃料就會消耗，因此出發時的燃料重量和到達時相比，重量當然不一樣。燃料的消耗量會依當日飛行的風速以及飛行高度、飛行速度等多種因素而改變。
波音787-8在極平常的天氣狀況下，於8,425海浬（15,455公里）的距離範圍內，在巡航高度41,000英尺（12,497公尺）、巡航速度0.85馬赫下飛行，若起飛時裝載189,760磅（86,075公斤）的燃料，著陸後燃料會減至18,004磅（8,167公斤）。該趟路程的燃料消耗量為17,1756磅（77,909公斤），耗損比例占起飛時搭載量的90%以上，因此會產生相當大的重量變化（換算誤差約為1kg）。
因此燃料的最佳配置位置，也是在重心位置附近。不只民航客機，大多數的飛機都在主翼內設置油箱，原因就在此。如果將引擎附掛在主翼下，油箱配管也可以縮短，這也是優點之一。

2.2 以數位模擬法設計
客機的設計及製造方式近年來已逐漸改變。在設計上導入了電腦輔助設計（CAD），進化為無紙化，甚至也能和合作企業結合，所有參與計畫的公司都導入共通系統，以網絡連結後在電腦上進行所有設計。
此外，過去為了確認設計是否正確，在製造實體機之前會先製造出木製實體模型。這個實體模型是為了確認在二元圖面上無法呈現的部分，如所有配備是否能完整收納，以及配線和配管是否互相干擾等，但今日這些作業都能夠以三次元的電腦圖像來進行數位模擬，目前已不需要製作木製的實體模型了。