将发动机固定在飞机机翼上可能是一个复杂的挑战。
在大型飞机上，每当我坐到一个靠窗的座位时，在飞行中就会看到安装在机翼下的强动力喷气式发动机，这是一番令人敬畏的景象，特别是在恶劣的天气中，发动机相对于机翼会产生明显的偏转。在为飞行传输推力的同时，发动机悬置系统需要保持跟机翼的安全连接，时刻承载发动机的重量，还要承受空气动力对发动机外壳（引擎机舱）的冲击，我不禁对发动机悬置系统所需的高科技工程设计惊叹不已。
飞机发动机通常安装在被称为“挂架”（pylon）的细支杆上，使其悬挂在飞机机翼下面的前缘处，这种悬置位置从20世纪40年代以来一直很受欢迎。发动机悬置系统的作用是将发动机固定在飞机上，同时也用来传递推力，并允许产生由温度和受力的波动而引起的偏转。
在发动机悬置位置的设计方面，由于考虑不周，已经产生了一些意外的后果，如飞机操纵问题和发动机壳体的物理变形问题。
波音737MAX于2018年在英国范堡罗国际航展上亮相，但在随后几个月发生两起致命事故后，该机型很快被停飞。737MAX使用更大、更省油和更安静的发动机更新了早期的设计，但它们的尺寸需要将发动机安装得更靠前、更高，这对飞机在某些飞行条件下的操控性产生不利影响
第一架商用喷气式飞机是1947年德·哈维兰公司的DH.106彗星飞机，其发动机嵌入机翼内，位于靠近机身的翼根部。但在前一年，波音公司开发了一种轰炸机，这种轰炸机的450型号后来被称为“B-47同温层喷气机”，其喷气发动机吊舱悬挂在机翼下面的挂架上，远远超出机翼的前缘。从那时起，航空公司的设计师在很大程度上遵循了波音公司的策略，在机翼下安装发动机。
飞机发动机悬置是一项复杂的工作。喷气式发动机中的气流变化产生推动飞行的推力，通过压力和摩擦力将推力传递到连接发动机壳体的部件和支杆上。最大型的发动机能够产生高达445000牛顿的推力，然后发动机壳体上的悬置系统将推力传递到机翼挂架上，将飞机推向前进。悬置系统还必须能够支撑发动机的重量（约9000千克），并且在飞行中必须能够承载引擎机舱的空气动力负荷。由于发动机外壳在温度和负载方面要经受很大的变化，一些发动机悬置系统设计了转动能力，使外壳在轴向和径向自由膨胀和收缩。所有这些因素加起来形成一系列各种各样的变量，这些变量必须控制在严格的参数范围内，否则结果可能是灾难性的。
悬置问题
波音737MAX发生的两起致命坠机事故都间接跟发动机悬置问题有关。这款飞机是于2017年3月得到联邦航空管理局认证后推出的。一起坠机事故发生于2018年10月29日，狮航610号航班起飞后，在印度尼西亚雅加达湾边缘坠机，机上189人全部遇难。另一起坠机事故同样是发生在起飞时：2019年3月10日，埃塞俄比亚航空302号航班从亚的斯亚贝巴起飞后坠机，机上157人全部遇难。
这两起坠机事故共造成346人死亡，结果到2019年3月18日，所有的387架737MAX飞机在全球范围内停飞。随后，波音公司为飞行员提供了更加合理的程序说明和相关培训，花费巨额财力对造成事故的操作问题和设计问题进行了修复。2020年底到2021年初，监管机构允许737MAX恢复商业飞行。2023年1月，波音公司被传出庭面对这些坠机事件的受害者家属。对于美国政府跟该公司达成的和解条款，受害者家属们提出质疑。
除了悲惨的人命损失之外，这一系列可怕的事件给波音公司也带来了重大的财务损失。波音公司曾因拥有长期成功的航空史而受到尊重，此时却也不得不蒙受声誉上的损失。虽然估计数据有所不同，但是事故和停飞给波音公司带来的损失可能达到200亿美元或更多，而737MAX订单取消带来的间接损失却高达600亿美元。
最初的波音737于1967年首飞，经历了近60年的设计。事实证明，在解决了最初一些设计上的小问题后，该型号的飞机是最受欢迎的双引擎客机。2018年，第10000架737飞机从华盛顿州伦顿的波音公司生产车间下线，由发动机制造商CFM国际公司的CFM56涡扇发动机驱动，其风扇直径为60英寸（1英寸为2.54厘米）。涡扇发动机的功率和燃油效率由所谓的旁通比决定，旁通比就是从发动机周围绕过的空气量与通过发动机的空气量之比。CFM56的旁通比为5:1。 737型客机的引擎机舱进口底部形状是扁平状的，这种设计考虑的是能够使其利用较大的发动机，同时保持必要的17英寸滑行离地间隙。航空业给这种发动机扁平状的开口起了一个绰号——“仓鼠嘴”。
为了追求更高的燃油经济性，737MAX将CFM56发动机替换为CFM国际公司的新型LEAP涡扇发动机。LEAP表示“前沿航空推进系统”（LeadingEdgeAviation Propulsion），这款发动机的旁通比为9:1，因此有着更高的燃油经济性，其风扇直径为69.4英寸，能够提供更强的动力。
最初的1960年代波音737有一个更小的JT8D发动机和一个圆柱形机舱，但被更大的CFM56发动机机舱（左）取代，该发动机机舱经过重新设计，底部变平以增加间隙，因此获得了“仓鼠嘴”的绰号。当飞机被重新设计为737MAX时，使用的LEAP发动机（右）更省油、更安静，但更大的尺寸意味着它必须比以前安装得更靠前、更高，导致飞机在某些飞行状况下可能失速
随着风扇尺寸的增加，LEAP发动机在机翼上安装时，引擎机舱必须比以前的CFM56发动机安装得略高和更靠前，以便提供必要的离地间隙。然而，这种新的安装位置和较大的引擎机舱带来的一个意外后果是：在飞行过程中，会导致空气涡流离开舱体，在高飞行角度下产生多余的升力，特别是在飞机起飞爬升时，更是如此。由于LEAP引擎机舱位于飞机重心的前面，这种多余的机舱升力会造成轻微影响：使飞机机头向上倾斜。如果机头持续上仰，就会使飞机更加接近失速状态，进而导致飞机升力严重损失。
作为有着一定背景的燃气轮机空气动力学专家，我本以为波音公司会直接消除多余的引擎机舱升力。这个过程可能需要改变引擎机舱的表面，打破涡流气流，然后进行大量的风洞测试。
但是，针对LEAP机舱多余的升力，波音公司的工程师并没有进行空气动力学修复，而是创建了一个自动防失速软件，名为“机动特性自动调节系统”（MCAS）。MCAS软件代码详细说明了737MAX尾部安装的水平稳定器如何自动进行调整，以对抗多余的机舱升力。这个飞行控制软件依靠的是机身上安装的传感器所感知到的飞行角度（称为攻角）。传感器的故障，外加MCAS系统的缺陷，是导致两起737MAX致命坠机的原因。
波音公司对737MAX选择了安装MCAS控制系统，该方法可能更为方便，然而付出的代价却是许多生命的瞬间逝去，从长远来看还可能会给公司带来更大的损失。
解决扭曲问题
LEAP发动机安装问题背后的许多工程细节仍然是受专利保护的，但是其他案例可以提供某些启示。
对于早先产生的发动机安装问题，我可以凭我的亲身经历做出更加详尽的描述，这次涉及的是标志性的波音747飞机。1969年2月9日，波音747进行了首飞，这种四引擎飞机是第一款商用巨型喷气式飞机，是迄今为止开发得最成功的宽体客机。到目前为止，波音公司已生产了1500多架747飞机。在华盛顿州埃弗雷特，波音747的生产经历了半个多世纪，于2022年停产。
普惠飞机公司是一家坐落在康涅狄格州的发动机生产公司，现在为雷神技术公司旗下的一家子公司。20世纪60年代，我作为普惠公司的一名年轻工程师，曾经亲自参与首台PWAJT9D发动机在747飞机上的安装工作，解决安装时出现的问题。
首飞后不到6个月，就发现JT9D发动机外壳产生了过度弯曲和椭圆化——扭曲成非圆形，这是起飞时高达194000牛顿的推力负荷造成的。椭圆化变形导致涡轮机和压气机的叶片与发动机壳体内部发生摩擦，致使叶片尖端间隙的功率消耗增加，结果使推力严重下降，油耗增加，比制造商保证的油耗要高7%。
737MAX中的软件系统旨在防止飞行器在大角度飞行时失速，例如在起飞期间。飞机发动机的位置以及机舱气动力位于飞机重心的前方，可能会导致飞机的机头在这种大角度飞行中向上倾斜。该软件系统依靠飞机机头中的传感器来检测飞机的飞行角度。传感器和软件的缺陷导致了两起致命事故
一张1969年10月的照片显示了在华盛顿埃弗雷特的波音工厂组装的第一批波音747飞机。由于发动机外壳变形问题导致叶片磨损，以及推力和燃油效率降低，生产被推迟。这个问题通过开发Y形框架来修复，该支架可稳定发动机箱并防止形状变形
波音公司和普惠公司基本上把净资产全押在747飞机上。有一次，在波音公司的埃弗雷特停机坪上，15架四引擎的747喷气式飞机停在上面，但它们并没有安装引擎，这代表着3.6亿美元的资产搁浅，以2023年的美元计算，当时搁浅的资产超过了20亿美元。那时，让这些飞机升空在工程上和商业上都是必须要做的事情。正如《时代》（Time）杂志在1969年9月报道的那样：
在华盛顿州埃弗雷特，波音公司工厂外的停机坪上停放着15架巨大的747喷气式飞机，它们高高耸立，默默待飞，预示着航空业新时代的到来。这些飞机上喷涂的颜色代表着几家国际航空公司：环球航空、泛美航空、汉莎航空、法国航空。然而，就目前而言，这些飞机只不过是世界上最大的滑翔机而已，因为它们没有安装发动机。泛美航空本来计划在11月下旬首次购买三架这样的巨型商用飞机，每架可容纳362名乘客。然而，波音公司官员尴尬地表示，交付要推迟多达8周之久，因为普惠公司JT9D发动机在性能方面尚有难题。
像这样的重大问题发生时，发动机公司将会尝试多种途径来寻找原因和解决办法。在我经手的这个案例中，我与一个工程团队合作，对可能导致发动机壳体变形的热效应进行调查。结果发现变形属于结构性问题，是由涡轮机壳体上主推力支架的位置问题引起的，然后就结束了多种途径的调查方法。
随后，普惠公司的结构工程师对JT9D发动机静态的壳体进行了大量的偏转测试和分析。他们发现：如果利用两个推力安装点，周向相隔90度，不管在发动机壳体上的什么轴向位置安装，那么一个安装点产生的椭圆化效应将抵消另一个安装点产生的椭圆化效应，这样会大大减弱壳体的整体变形。这种利用两点抵消变形的方法非常有效，甚至拓展测试的结果显示：两个安装点可以相隔多达120度，壳体变形的降低程度仍然可以接受。
然后，普惠公司的团队设计了一个Y形钛管推力框架，两分支的头部通过两个固定的安装点紧固在压缩机周围的壳体上，相距约120度。推力框架的主干通过一个轴向滑动的接头连接到涡轮机箱后部的支架上，以适应发动机的轴向长度变化，而该支架被刚性地固定在塔架上。
随后的发动机测试表明，新的推力框架大大降低了椭圆化效应。经过改进，发动机可以达到最大推力，而壳体变形微乎其微，其性能也符合所保证的能耗规格。新的推力框架在普惠公司被称为“操纵杆”，为重达3900千克的JT9D发动机增加了大约74千克的重量，另外还需要为发动机的几个外部部件进行重新定位。这种推力框架作为一个附加装置，安装后没有必要对发动机进行额外的联邦航空管理局认证，但它解决了威胁到波音公司和普惠飞机公司财务前景的椭圆化问题。
喷气发动机的安装问题继续向研究机身和涡喷发动机的工程师发起挑战。由于受专利保护的缘故，公开文献中发布的内容并不多。但是从专利列表中也可以了解到在喷气发动机安装方面正在进行的技术活动。
新型齿轮传动风扇发动机的旁通比为12:1，通用电气公司新型GE9X涡扇发动机的风扇直径为178英寸。在不断追求航空燃油经济性的过程中，发动机的旁通比不断增加，风扇尺寸不断增大，在机翼下安全地安装发动机仍将是一项艰巨的任务。
资料来源 American Scientist
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本文作者李·兰斯顿（LeeS.Langston）是康涅狄格大学机械工程学荣誉教授。由于早先在燃气轮机行业从事过工程技术工作，他经常撰写关于燃气轮机技术方面的文章
