埃航737MAX8,在波音與時間賽跑的落敗中墜落

3月10日,埃塞俄比亞航空一架波音737 MAX 8飛機發生墜機空難。這是繼去年10月29日印尼獅航空難事故之後,5個月內,波音737 MAX 8飛機發生的第2起空難。

3月11日在墜機空難事故發生的第二天,中國民航局在全球第一個下達了737 MAX 8禁飛令。中國民航局介紹,此次埃塞俄比亞航空ET302空難,是繼去年10月29日印尼獅航JT610空難事故之後,波音737-8飛機發生的第2起空難。鑑於兩起空難均為新交付不久的波音737-8飛機,並且都發生在起飛階段,具有一定的相似性,因此作出停飛決定。

隨後亞非各國紛紛加入、然後是歐洲,最後是美洲。3月14日加美也先後宣佈停飛。最後宣佈停飛的是日俄。如今全球385架737MAX靜靜地趴在各地機場,等待著重生的召喚。

  • l 埃航黑匣子已尋獲,3月13日送往歐洲進行分析;
  • l 波音公司證實,它將在“幾周”內對737 MAX 8進行軟件升級,對737 MAX飛機的駕駛軟件做出關鍵性變更

一、 相關消息彙總

波音737是大眾熟知的機型,事件究竟如何?下面對相關的信息進行彙總和解讀。

737機型介紹

波音737系列飛機自1968年投入商業運營以來,已經發展了四代,分別為Original、Classic、Next Generation以及MAX型號。

埃航737MAX8,在波音與時間賽跑的落敗中墜落

  • 737初始型號(Original)包括737-100及737-200飛機。
  • 737經典型號(Classic)包括了737-300、737-400、737-500型號。
  • 737NG(Next Generation)包括了737-600、737-700、737-800和737-900型號。
  • 737 MAX飛機包括了737 MAX 7、737 MAX 8、737 MAX 9以及737 MAX 10飛機,其FAA的機型代碼分別為737-7、737-8、737-9以及737-10。737MAX飛機換裝新的發動機,優化了氣動性能,採用分叉式小翼。下圖是波音網站上發佈的737 MAX技術參數。
埃航737MAX8,在波音與時間賽跑的落敗中墜落

波音737MAX從2017年5月開始交付,至今已交付387架,分佈在全球的59家航司。故事的主角737 MAX 8,美國本土有74架。目前國內的民航客機中主要是737NG和737 MAX型號。目前國內是737NG擁有1300多架,其中737-800為主力,有1200多架。

據民航資源網數據,從國航2017.11.3接受第一架737 MAX 8到山航2019.3.1接受的最新一架,目前國內共有96架737 MAX 8,為波音737 MAX 8第一大客戶。其中南航24架、國航15架、海航11架、上航11架、廈航10架、山航7架、深航5架、東航/祥鵬各3架,奧凱/福州/昆明各2架,九元1架。

737MAX的幾個時間點

  • 2017.5.22, 737 MAX首次商業飛行;
  • 2018.10.29,印尼獅航墜機,首次空難,亡189人,無人生還;
  • 2019.3.10,埃航墜機,再次空難,亡157人,無人生還。

印尼獅航墜機事件細節

2018年11月28日,印尼初步調查報告,披露10月29日印尼獅航墜機事件細節。在11分鐘的飛行中,飛機的機頭自動下垂二十多次,飛行員一直在與出問題的飛機作鬥爭,將機頭拉高,但這場“人機互鬥”最終以墜海為結局。

埃航737MAX8,在波音與時間賽跑的落敗中墜落

二、 波音的解釋

在獅航JT610航班失事事故後,在過去幾個月內,波音公司一直在為737 MAX開發一款飛行控制軟件加強版,旨在使本身安全的飛機更加安全。波音公司11日證實,它將在“幾周”內對737 MAX 8進行軟件升級

我們先來看波音對MCAS的說明:

A pitch augmentation system function called Maneuvering Characteristics Augmentation System (MCAS) is implemented on the 737-8, -9 (MAX) to enhance pitch characteristics with flaps UP and at elevated angles of attack. The MCAS function commands nose down stabilizer to enhance pitch characteristics during steep turns with elevated load factors and during flaps up flight at airspeeds approaching stall. MCAS is activated without pilot input and only operates in manual, flaps up flight. The system is designed to allow the flight crew to use column trim switch or stabilizer aisle stand cutout switches to override MCAS input. The function is commanded by the Flight Control computer using input data from sensors and other airplane systems.

The MCAS function becomes active when the airplane Angle of Attack exceeds a threshold based on airspeed and altitude. Stabilizer incremental commands are limited to 2.5 degrees and are provided at a rate of 0.27degrees per second. The magnitude of the stabilizer input is lower at high Mach number and greater at low Mach numbers. The function is reset once angle of attack falls below the Angle of Attack threshold or if manual stabilizer commands are provided by the flight crew. If the original elevated AOA condition persists, the MCAS function commands another incremental stabilizer nose down command according to current aircraft Mach number at actuation.

The MCAS function is not incorporated on 737NG airplanes.

意譯如下:

一個稱為“機動特性增強系統”( MCAS)的俯仰增強系統安裝在737MAX-8/9 上,用以在襟翼收上和飛機大迎角(AOA)時增強俯仰特性。在大坡度轉彎增加了載荷因子和襟翼收上後速度接近失速時,MCAS指令安定面往飛機低頭方向配平,以增強飛機的俯仰特性。MCAS只在襟翼收上的手動飛行時生效,並且不需要飛行員指令。MCAS系統設計成允許飛行機組使用駕駛盤上的電動配平電門和操縱檯上的安定面配平切斷電門來超控MCAS指令。該功能由飛行控制計算機使用傳感器和其他飛機系統的輸入信號來控制。

MCAS功能在飛機AOA超過基於空速和高度設定的閾值時生效。安定面的增量控制限制在2.5度。速率為每秒0.27度。在高馬赫數時,安定面的輸入量較小,低馬赫數時較大。在飛機迎角小於閾值或者飛行機組指令了安定面配平後此功能會退出。如果AOA超限狀況還依舊存在,MCAS會依照當前啟馬赫數重新指令安定面低頭配平。

MCAS功能未在737NG飛機上配置。

三、 技術解讀

737 MAX換裝了新的發動機,卻沒有重新進行機身配平設計;發動機的大推力容易誘發機頭上仰導致失速;波音通過加裝AOA保護程序MCAS抑制這種上仰。出現故障時由於不能簡易地轉為人工控制,最終導致悲劇發生。

舉一個類似的例子,普通的車裝了一個賽車引擎,為了防止加速時撞到護欄,車輛計算機增加了一個監測運行方向的系統。當監測到偏離運行方向軸線時,採取系統自主方向控制。如監測運行方向系統故障,導致車輛計算機反向糾偏,若不能及時關閉該系統將發生車輛高速運行時撞向另一側護欄,最終車毀人亡。

下面從系統設計的角度試著分析一下,系統設計有三個迎角探測器,在兩個或三個探測器堵塞時,隨著馬赫數增加將觸發迎角保護(參見下圖),飛控系統則安排連續的壓頭下俯。而飛機因為迎角探測器故障,不能給飛機一個迎角減小的信號造成飛控系統認為沒有達到指令的效果,從而進一步指令飛機下俯。最終導致飛機進入一個持續下俯狀態直至不歸路。

埃航737MAX8,在波音與時間賽跑的落敗中墜落

此時即使飛行員後拉側杆到底也無濟於事,因為此時飛控系統處於優先模式。雖然可以通過駕駛盤上的電動配平電門超控和操縱檯上的安定面配平電門來關閉MCAS,但是在某種情況下未及時(或無法)超控MCAS將可能導致無法預測的後果。

其實這裡涉及到兩個問題,一是多個迎角傳感器問什麼同時堵塞。二是異常的AOA數據為什麼沒有被識別出來。第一個問題其實很好理解,迎角傳感器如果出現某種外部條件(例如上升氣流)將導致錯誤堵塞,多個迎角傳感器也會出現同樣的判斷,這就是所謂的共模效應(除非採用不同機理的傳感器)。

第二個問題才是最要命的,飛機上有各類傳感器,如陀螺儀、加速度計、空速管、高度測量器等。在737 MAX如此“注重”AOA的情況下,尤其在迎角傳感器可能被幹擾,通過其他類型的傳感器輔助判斷迎角傳感器的堵塞應該是必須的。這其實是一個多傳感器融合的需求。可能美國人覺得在系統設計上有人為超控MCAS的措施,就不用增加設計的複雜性了。綜上所述,由於設計的缺陷加上其他巧合,釀成了兩起悲劇。

四、 延伸解讀

波音不知道兩起事故有相似性嗎?當然不可能,首先波音有全球監測網絡,在飛機飛行時可獲得關鍵數據。在美國聯邦航空管理局(FAA)的停飛令中指出:綜合飛機配置相關的新信息以及飛行軌跡的星基跟蹤數據,表明ET302與JT610兩次墜毀事件之間存在一些相似性。

  • 波音為什麼不發停航指令

原因之一是僥倖心理,通過發佈2018年11月6日發佈的飛行操作手冊公告(OMB)來淡化此事的影響(商業方面)。期望在下次事件發生前完成軟件修復。在波音更新軟件修復BUG及下一場悲劇之間的時間賽跑中,以為能贏的波音/FAA最終卻輸了。

是政府停擺導致波音未及時修復軟件,間接導致埃航悲劇嗎?我們可以做出合理推斷,某種程度上是美政府的停擺導致了737 MAX的停擺。

商業因素是主因,據波音公司2018年年報中提到,去年波音總計交付256架737MAX機型。截至2019年1月31日,波音共獲得737MAX訂單5012架,交付376架,未交付4636架,這也約佔波音訂單總額的80%,總價值約5795億美元。

FAA代理局長Daniel K. Elwell稱完成全球近400架MAX 8和MAX 9飛機的更新任務,將需要“數月時間”。

如此長的更新時間、可能的推遲交付以及鉅額賠償“阻礙”了波音的反應時間。

  • 各方反應

這幾天各國的反應就體現了地球村的生態環境。下面表述一下各方的反應:

中國:“體現中國政府的負責態度和決斷力”(天下苦美久矣);

印尼:“有帶頭的了,我是受害者;

美國:“能拖就拖,我是村霸我怕誰”

新加坡:“人命關天”;

歐洲各國:“再不發話選民就要鬧了,整一整對空客沒有壞處”;

加拿大:“就剩北美的幾家了,我難道要跟在美國後面,面子過不去啊”;

美國:“老大都發話了,空乘協會也鬧開了,沒有空乘沒有乘客還不如停飛”;

日本:“雖然沒我啥事,大哥都宣佈了,我得跟緊了”;

俄羅斯:“管我啥事,那我家的兩架早自己停了”。

這幾天的反應,中國政府獲得了最多的點贊,被吐槽最多的是美國政府和波音公司。不過老美也不在乎,這兩年的想法是當老大不耍橫就白當了。

  • 解決方案

這裡建議兩種方案:

比較簡單的方案是降低MCAS的持續工作時間,按照每次生效不超過9秒(2.5/0.27)設計,增加MCAS再次起效的間隔時間(如1分鐘)。通過平緩系統的自主幹預和增加機組人員的操控反應時間“捱過”迎角傳感器的堵塞階段(因為氣流的擾動通常持續時間較短)來降低意外的發生。

第二種方案是使用多傳感器融合的技術,識別迎角傳感器的錯誤。降低MCAS的干預概率和程度。這是一個相對治本的辦法。當然將“大馬拉小車”的737MAX改進出一個完善的飛控系統還需要做更多的事情,最終波音的做法還需後續觀察。

五、 結束語

在兩起悲劇逐漸淡出人們視野之際,一場索賠與反索賠的鬥爭即將展開。但願各公司和政府在決策之時以生命為重,敬畏生命。

願逝者安息,悲劇不再!


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