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波音737MAX客機(jī)MCAS系統(tǒng)背后的秘密與問題

(在此感謝張聚恩、殷云浩、王元元、陳建國等專家對本文的支持和幫助)

一、兩起空難概況

2019年3月10日,一架埃塞俄比亞航空公司的波音737MAX型客機(jī)起飛后6分鐘墜毀,機(jī)上的149名乘客和8名機(jī)組人員不幸全部遇難,其中包括8名中國乘客,但這并不是首起737MAX空難,2018年10月29日,印尼獅航一架由波音737MAX執(zhí)飛的飛機(jī),在從雅加達(dá)起飛大約13分鐘之后失聯(lián)、墜毀,機(jī)上189人不幸全部罹難。這兩架失事客機(jī)均為全新飛機(jī),均在起飛后不久經(jīng)歷了不尋常的急速下降及爬升,空速儀表也出現(xiàn)異常讀數(shù),兩架客機(jī)的飛行員均嘗試折返,但最終都是墜毀。埃方表示,通過讀取的失事埃航客機(jī)黑匣子的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)與獅航失事客機(jī)的黑匣子數(shù)據(jù)“明顯相似”。

獅航空難初步調(diào)查表明:失事飛機(jī)信號系統(tǒng)接收到一個(gè)假的迎角信號,該信號顯示飛機(jī)處于高迎角狀態(tài),所以觸發(fā)了飛機(jī)自動失速保護(hù)系統(tǒng)持續(xù)控制使飛機(jī)低頭,機(jī)組人員與該自動失速保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了較長時(shí)間的飛機(jī)控制權(quán)爭奪,但最終還是發(fā)生了墜機(jī)悲劇。

從目前情況看,波音在737 Max客機(jī)上安裝的MCAS(機(jī)動特性增強(qiáng))系統(tǒng)在兩起空難中扮演了重要角色,本文嘗試對 MCAS系統(tǒng)及其相關(guān)重要問題進(jìn)行如下粗淺的分析。

二、MCAS系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)問題分析

所謂的MCAS系統(tǒng)是一種應(yīng)用于737 MAX飛機(jī)的俯仰機(jī)動能力增強(qiáng)系統(tǒng),該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷是避免飛機(jī)進(jìn)入失速。當(dāng)飛機(jī)的迎角過大時(shí),MCAS系統(tǒng)就會啟動。為了監(jiān)測迎角大小,MCAS系統(tǒng)需要依賴飛機(jī)上安裝的傳感器,如果檢測到迎角接近失速狀態(tài),該系統(tǒng)就會通過調(diào)節(jié)位于平尾的水平安定面,增加飛機(jī)的低頭力矩,以改出失速。

通過研究波音申請的自動失速保護(hù)系統(tǒng)專利(CN106477055A號)以及最新資訊可以發(fā)現(xiàn),現(xiàn)階段暴露出的MCAS系統(tǒng)問題可能只是“冰山一角”,其背后可能埋藏著更多的秘密和問題。

1、從相關(guān)專利上看,MCAS系統(tǒng)可能只是自動失速保護(hù)系統(tǒng)的子系統(tǒng)之一

01

圖1  CN106477055A號附圖

CN106477055A號專利與737MAX飛機(jī)上防失速系統(tǒng)技術(shù)最為接近,該專利名稱為飛行器失速保護(hù)系統(tǒng),是波音公司于2016年申請的中國發(fā)明專利。從圖1右下角可知,當(dāng)自動失速保護(hù)系統(tǒng)工作時(shí),可以通過調(diào)節(jié)升降舵(受推桿器控制)、穩(wěn)定翼(即水平安定面)、推力(估計(jì)為飛機(jī)的自動油門系統(tǒng))、擾流板等多個(gè)部件來控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)和速度;其中MCAS系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)水平安定面,但其只屬于自動失速保護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)子程序,在737 MAX中可能還隱藏著推桿器、自動油門和自動控制擾流板等子系統(tǒng)。

比如,通過已公開的飛行數(shù)據(jù)顯示,埃航飛機(jī)失事前,最大地速達(dá)到383海里/小時(shí),超過了飛機(jī)正常的飛行速度,飛機(jī)的異常超速飛行,是否與自動失速保護(hù)系統(tǒng)的推力控制子系統(tǒng)有關(guān)?遺憾的是,據(jù)筆者了解,這種控制關(guān)系有可能難以從黑匣子存儲的數(shù)據(jù)記錄中分析出來。原因如下:由于黑匣子(FDR)的參數(shù)記錄通道有限,通常,主要記錄的參數(shù)包括:駕駛員操縱輸入(駕駛桿位置),油門桿位移,襟翼開關(guān)等等,飛機(jī)的運(yùn)動參數(shù)(姿態(tài)角,過載,角加速度,速度,高度,GPS信息等)。而飛控系統(tǒng)內(nèi)部的信號傳輸,工作邏輯等信息,黑匣子不做記錄。所以在事故調(diào)查中,很難分析飛控系統(tǒng)內(nèi)部的工作過程。

2、飛行員在模擬737MAX失速時(shí)發(fā)現(xiàn)飛機(jī)有自動推桿現(xiàn)象

據(jù)悉,國內(nèi)的專業(yè)飛行員技術(shù)圈的飛行員,在兩臺D級模擬機(jī)(經(jīng)過民航局認(rèn)證可以用來代替真飛機(jī)對737MAX飛行員訓(xùn)練的模擬機(jī))上模擬了737MAX飛行時(shí),出現(xiàn)了兩種值得注意的情形:(這部分內(nèi)容來自“資深機(jī)長陳建國”微信號文章“飛行圈試飛發(fā)現(xiàn)可能存在另一個(gè)未被告知的保護(hù)”。就在我們準(zhǔn)備發(fā)布本文前得到消息,美國飛行員聯(lián)合會發(fā)言人表示目前僅波音有1臺MAX機(jī)型的模擬機(jī),中國民航局負(fù)責(zé)人也表示國內(nèi)各大航司也無737MAX模擬機(jī)。我們推測,上述引用文章所述的模擬機(jī)可能是737-800,在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了軟件包的升級。另外,這里其實(shí)又反映出一個(gè)問題,那就是如果只有波音公司有1臺737MAX模擬機(jī),特別是獅航空難后好多航司都要買,但是波音以各種理由推脫,有可能是擔(dān)心模擬機(jī)飛行發(fā)現(xiàn)更多的MCAS的問題嗎?)

情形一:在737MAX模擬機(jī)試飛演示大迎角失速時(shí),使用襟翼(5),在接近失速時(shí),飛機(jī)沒有發(fā)生MCAS配平現(xiàn)象,因?yàn)榘凑誐CAS邏輯,其工作需要在襟翼收上時(shí)工作,所以這也符合MCAS工作條件。但是,接著模擬機(jī)模擬飛行顯示,飛機(jī)起飛接近失速時(shí),會出現(xiàn)飛機(jī)自動推桿現(xiàn)象(即推桿器自行工作,控制升降舵運(yùn)動);

情形二:當(dāng)737MAX模擬機(jī)試飛演示大迎角失速時(shí),使用襟翼0,也就是收起襟翼,在接近失速時(shí),兩臺模擬機(jī)上的飛機(jī)均再次發(fā)生了自動推桿現(xiàn)象。

以上模擬仿真結(jié)果表明,在737MAX接近失速時(shí),推桿器可能會自行工作,而且這個(gè)自動推桿的功能不屬于MCAS系統(tǒng)所應(yīng)該具有的功能(因?yàn)閾?jù)波音介紹MCAS系統(tǒng)只控制安定面)!也沒有寫在波音737MAX的使用手冊里,當(dāng)飛機(jī)在真實(shí)飛行中接近失速狀態(tài)下(或被自動失速保護(hù)系統(tǒng)自動判斷其處于失速狀態(tài)),在沒有告警的情況下,這個(gè)隱藏的自動推桿功能可能會對飛機(jī)的飛行姿態(tài)進(jìn)行自動調(diào)整。

3、從基本的飛行動力學(xué)原理推斷,失速保護(hù)功能也不僅能依靠MACS來實(shí)現(xiàn)

對于常規(guī)布局的民用噴氣式飛機(jī)(后掠翼、翼吊式發(fā)動機(jī)),當(dāng)飛機(jī)處于大迎角或失速狀態(tài)時(shí),應(yīng)利用所有可能利用的操縱面,使得飛機(jī)改出復(fù)雜狀態(tài)。這些操縱面包括:升降舵、水平安定面、擾流板、發(fā)動機(jī)推力(推力對于飛機(jī)重心也會產(chǎn)生力矩),并且如果飛機(jī)在大迎角時(shí)伴有大的滾轉(zhuǎn)角,還要利用飛機(jī)的副翼和方向舵控制。

02

圖2 失速改出操作示范圖

圖2來源于ICAO(國際民航組織)出版的教材,是關(guān)于失速改出方法的教學(xué)示范圖片。在該教材中,強(qiáng)調(diào)由于在大迎角狀態(tài)下飛機(jī)的舵面效率降低,因此從失速狀態(tài)中改出時(shí),要利用所有可以利用到的舵面。

因此,對于波音737MAX飛機(jī),有理由相信該飛機(jī)在進(jìn)行失速保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,包含了對多種舵面控制的功能,這樣才能保證飛機(jī)從急劇失速或深失速(最為危險(xiǎn)的幾種失速類型)中改出,所以MCAS系統(tǒng)有可能只是737MAX飛機(jī)中具有代表性的一個(gè)自動失速保護(hù)子系統(tǒng)。

4、獅難空難后,波音對MCAS系統(tǒng)邏輯的錯(cuò)誤描述有可能釀成大禍

獅航空難后,波音給所有使用737 MAX的航空公司發(fā)布了OMB(使用手冊通告),對MCAS系統(tǒng)進(jìn)行了專門解釋說明,F(xiàn)AA也根據(jù)該OMB作出了相應(yīng)的適航指令,當(dāng)737MAX飛機(jī)襟翼收起、自動駕駛儀脫開(也就是飛機(jī)處于人工駕駛狀態(tài))、迎角過大或大坡度轉(zhuǎn)彎時(shí),MCAS系統(tǒng)啟動,飛機(jī)的水平安定面開始受到MCAS系統(tǒng)的控制(如圖3所示)。另外,埃航失事飛機(jī)的飛行員接受了埃航的專門培訓(xùn),應(yīng)該知道如何通過MAX飛機(jī)安定面配平切斷電門來關(guān)閉MCAS系統(tǒng)(如圖4所示)。

03

圖3波音737MAX的MCAS系統(tǒng)示意圖

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聲明: 本文由入駐維科號的作者撰寫,觀點(diǎn)僅代表作者本人,不代表OFweek立場。如有侵權(quán)或其他問題,請聯(lián)系舉報(bào)。

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