张仲麟:737MAX复飞:麦道殷鉴不远,望波音好自为之 |2020-11-22

2020年11月22日16:02:47 发表评论
2020年11月18日,美国联邦航空局宣布波音737MAX获得复飞许可。而这一天距离2019年3月10日埃航ET302航班空难发生后737MAX全球停飞已经过去了616天,这也成为了世界民航史上停飞时间最久的飞机,而波音737MAX事件无疑也将成为航空制造业的一个经典案例。
漫长的复飞之路
波音737MAX是始于上世纪六十年代的波音737家族第四代飞机,作为应对空客A320NEO威胁的产物,波音737MAX的上马与设计充满了赶时间的气息。空客在2010年12月宣布了A320NEO计划之后,波音匆忙于2011年8月宣布了737MAX计划。根据参与设计波音737MAX的匿名工程师在停飞之后的说法,整个737MAX的设计节奏可以用“疯狂”一词来形容,仅仅用三个月的时间就完成了737MAX的技术图纸与设计,其速度堪比战争时期武器装备的应急设计速度。
既然是针对A320NEO的应急产品,那么要让737MAX能与A320NEO竞争则需要有足够吸引人的卖点,而737MAX的卖点则是:更加节油的飞行效率、飞行员无需培训就可以从737NG(第三代波音737)转换到737MAX(第四代波音737)。为此得安装更大的发动机与维持一贯的飞行操控品质。
然而与八十年代设计的A320NEO不同,基于六十年代设计的737MAX机翼下方没有足够的空间安装目标发动机LEAP1B,使之不得不将发动机往机翼上方移动以确保足够的离地高度,而这又改变了飞机的气动与飞行品质,需要飞行员重新培训以适应。于是为了满足飞行员“无需培训就能飞”,在737MAX中加入了MCAS(机动特性增强系统)以中和气动变化所带来的操控变化,而MCAS系统则是导致JT610与ET302这两起737MAX致命空难的罪魁祸首,最终导致了346人遇难与长达616天的全球停飞。
停满波音兰顿工厂停车场的737MAX
实际上在2018年10月29日的印尼狮航JT610空难之后,初步调查结论已经指向了MCAS系统,但波音与FAA均称问题可控,只要飞行员注意下就行,同时将进行软件升级。然而4个月后的埃航空难彻底打碎了这一套说辞,而直到第二起空难发生,软件升级包也没有问世。
在全球停飞之后波音一直试图尽快复飞737MAX,最初目标定在2019年的6月复飞,这样还能赶上2019年的暑运市场。然后从6月拖到9月,又从9月推迟到12月,到了2020年1月波音终于不堪重负宣布暂时停产737MAX。
而随着三月份新冠疫情在美国的全面爆发,737MAX的复飞审定工作也不得不随之暂停,一直到5月份才重新开始复飞审定流程,并于6月29日由FAA对改进好的737MAX开始审定试飞工作,达成重要节点。
在十月底,随着欧洲EASA对737MAX改进方案认可,并称最快将于年内复飞737MAX,这使得737MAX的复飞逐渐变成了可能,而11月18日FAA宣布批准复飞也是早有风声,正式宣布只是第二个靴子落下了。至于资本市场更是早已得到消息,波音的股价也在这几天一飞冲天。
虽然目前FAA只是批准了波音737MAX的培训方案、改进计划以及注意事项,距离737MAX正式重新执行商业飞行还有一段时间,但对波音来说最黑暗的时间已经过去了,黎明的曙光浮现在地平线上了。
审查结论与改进措施
在FAA正式宣布批准复飞737MAX之时,FAA也发布了详细的审查报告以及适航指令,指出了737MAX所存在的安全隐患并提出了相应的整改要求。由于FAA的审查报告长达99页,这里直接上结论部分,即需要整改的问题与整改措施。
1. 使用单迎角传感器(AOA)数据
在原始设计中,MCAS只采用两个迎角传感器(后文全都用AOA指代)中一个的数据,来决定是否启动MCAS并进行机头自动下压动作。而在新的MCAS设计中,波音将使用双AOA数据并且通过更新后的有安全措施的飞控规则来识别错误或者异常的迎角数据。而升级后的飞控计算机软件也将通过判断两个迎角数据来决定是否启动MCAS系统动作。如果两个AOA数据相差值超过阈值,飞控计算机将不会启动MCAS系统并对飞行员进行提示。
2. MCAS系统重置后反复生成MCAS执行指令
在波音的原始设计中,如果采用的AOA数据出现持续的错误并出现高迎角读数,那么MCAS系统将起作用。而就算飞行员操作安定面电配平电门将MCAS系统重置,MCAS系统在重置后5秒依然会生成让机头向下的指令。也因此在JT610与ET302空难中,都在飞机坠毁前出现了飞行员与MCAS系统反复争夺飞机控制权的状况,因为就算飞行员重置了, MCAS系统很快依然会让飞机低头。
而在波音的新设计中,MCAS不会反复发出水平尾翼动作指令。使得飞机水平尾翼不断动作把飞机机头下压。在感知到高迎角状况后,MCAS系统只会动作一次而不会在处于得到高迎角数据状态(极有可能是错误的数据)时不断尝试将机头下压,只有回到低迎角状态后再次进入高迎角状态才会再次启动。
737MAX操控杆上的电动配平电门(左侧)
3. MCAS配平权限
在波音原始设计中,所有的MCAS指令都是增量指令,意味着在水平安定面无论当前位置是什么,都会将水平安定面移动相应的量。也因此,若多个MCAS指令重复操作水平尾翼,那么……这画面就非常刺激了,会使尾翼做动大大超出需要的量。
举例来说,水平尾翼本来在2度位置需要增加1度,结果MCAS反复下达了三次指令,结果最终就是变成了5度。也因此飞行员无法通过控制升降舵来与之抗衡。也因此在新设计中,波音的飞控规则进行了更改,限制了MCAS对水平尾翼的控制也改了指令方式,变成“达到X度”而不是“增加/减少X度”,这增强了机组通过操纵杆就能对飞机的俯仰进行操控的能力。
4. 机组识别与应对
在两起空难中,黑匣子数据均显示机组在遇到单个AOA故障所发生的一系列驾驶舱事故时,没能有效控制尾翼安定面的动作。而在整改之后,波音修订了八项机组非正常情况下的处置流程,并增加了额外的训练科目。这一修订的机组处置流程与增加的训练科目,可以让飞行员有效识别异常的安定面动作以及处置AOA故障所带来的影响。
5. AOA不一致警示
在737MAX初始交付的配置中,主飞行显示器上的AOA不一致警示是属于选配项目,而非标配项目(值得一提的是,在上一代737NG中这是标配项目),而这一功能(AOA不一致警示)应当是飞机标配的功能(选配了该功能的飞机,在停飞之前也处于该功能不可用状态)。也因此在新设计中,波音根据整改意见将AOA不一致警示功能作为每一架737MAX的标配实装上去。而FAA额外要求波音对软件进行升级,使得机组可以得知两个AOA传感器读数不一致是因为故障还是因为校准问题(JT610空难中故障AOA传感器就是因为校准问题导致读数偏差极大并导致空难)。
虽然FAA认为没有AOA不一致警示信息并不是一个不安全因素,但FAA坚持要加入这一软件升级,以让所有737MAX都能显示AOA不一致警示信息。因为这一信息提示有助于机组识别问题,并引导机组执行正确的处置程序。
主显示器上的AOA不一致告警信息
6. 其他可能的跑道安定面故障
FAA和波音对MCAS的集成系统安全性进行了评估,发现了一种极端远程故障,需要飞行员及时进行干预才能保证飞行和着陆的安全。因此在新设计中,波音增加了新的飞控计算机交叉监控,可以有效发现并关闭来自飞控计算机的异常尾翼安定面操控指令。这样使得在飞行与降落中遭遇这类故障时不再仅仅依靠飞行员的反应时间。
7. 与MCAS相关的维护程序
根据印尼国家运输安全委员会关于JT610空难的最终报告,在JT610空难的调查过程中发现与AOA传感器的更换以及未准确校准有极大关联。也因此维护手册中关于AOA传感器的部分要求对AOA传感器进行最终检查,以避免维修中没有正确校准。
在印尼的调查报告中显示波音原有的维护手册中安装AOA传感器的流程已经有相应的程序来识别没有正确校准的AOA传感器。而为了确保每架飞机的两个AOA传感器都能在维修后正常运作,运营者需要在每架飞机维护之后都对AOA传感器进行检查以确保正确无误。这一项要求是为了确保每一个AOA传感器的风标都正常运作并能正确读数。
狮航空难最终调查报告中关于AOA传感器未校准的部分
也因此,在11月18日FAA发布的737MAX适航指令,简单归纳的话就是这么几点:
1. 升级飞控计算机的软件
2. 给驾驶舱主显示器增加AOA不一致告警
3. 在飞行手册中修订处置流程并增加训练
4. 改变(分散)水平尾翼配平线路以确保安全
5. 飞机维修后要对飞机AOA传感器进行校准检查
而除了FAA的审定之外,还有其他技术小组也发布了审查/审计报告,其中包括由FAA、美国空军、NASA、美国交通部沃尔普中心组成的技术咨询委员会(TAB)也开展了对MCAS系统的审查,还对研发过程进行了审计。其结论基本和FAA的审查报告一致,而有趣的是在提出的整改意见中,要求波音将飞控计算机CPU及存储故障的危险等级给列为灾难级——也即最高级——需要最高的安全系数。
在TAB的审查中还指出了一点,在两起空难中均发生飞行员认为配平手轮摇不动的情况,并由此认为配平手轮失效了。而调查的结果显示要摇动这个手轮需要“不小于50磅的力量”(也即45斤左右)。
这里需要说明下,对尾翼进行配平的话有三种方式:电脑自动配平、电动配平电门手动控制、摇动配平手轮。具体到埃航事故之中,前两种手段对飞行员来说都是无效的,因为MCAS在起作用。而最后的手摇手轮来调整尾翼的话,根据报告需要不少于50磅的力量,而想要将尾翼调整5.5度(MCAS最大作动角度)的话需要打上60圈才行。不得不说波音真不愧是百年老店,这大力打手轮颇有二战时期飞行员需要摇几十圈手轮才能放下起落架的风范。
而TAB对于该项问题的结论是“FAA并没有对需要多少力量摇动手轮有规定,所以波音(需要至少50磅的力才能摇动手轮)并没有违反FAA的规定,因为FAA对此没有规定,也没有对飞行员有额外的技巧、力量要求”。
设身处地想一下,在需要一手握着杆与MCAS搏斗,一手还需要摇动手轮来进行手动配平的情况下,还要用至少45斤的力量来摇手轮,这TAB专家组怕不是认为737MAX的飞行员都是陆战队员,或者轰六飞行员,有着怪物般的体能……
当然也不能排除TAB专家组认为人和人的体力不能一概而论,737MAX飞行员可以在极端紧急的情况下一手操控飞机一手大力猛摇手轮。所以如果看到有人右臂极为粗壮时别想歪了,他可能只是个配平手轮打多了的波音737MAX机长。
TAB专家组:我们认为,需要不少于50磅的力来摇动配平手轮没有违反当前规定
图中红圈部分即为配平手轮,要相信大力是能出奇迹的。
监管风云
需要指出的是,目前FAA批准复飞仅仅对美国境内有效,而除了巴西这个美国的小跟班第一时间同步宣布复飞之外,目前世界其他主要民航监管机构并没有同时宣布批准737MAX复飞。而考虑到世界上大部分国家的民航监管机构都只是“打酱油”的,那么几个主要民航监管机构的态度就成为了风向标了,也即:欧洲EASA、加拿大TCCA、中国CAAC。而其余的民航监管机构要么技术实力堪忧,要么独立性堪忧,不具备参考价值。
目前EASA已经表态对波音737MAX的整改方案予以认可,并可能在2020年内放行737MAX的复飞。但是EASA对波音有一个要求,即需要737MAX加上第三个AOA传感器。考虑到在已经投入大规模生产的飞机上重新加装一个机体表面的物理传感器并不现实,EASA允许加入一个“合成AOA传感器”,或者说用软件的形式起到第三个AOA传感器的作用。
笔者与某航电工程师对这一“软AOA传感器”进行分析,认为这是利用惯导系统的陀螺仪、空速计等通过姿态和速度来测算飞机所处的迎角(AOA),本质上是一个核验程序,当发生AOA不一致时,启用这第三个软AOA进行识别以排除错误数据,也即把以往人工排除错误AOA数据的过程通过程序来予以实现。这样的改动虽然比不上增加第三个物理AOA传感器,但可以说一定程度上也能解决只有两个AOA传感器的问题。
目前的737MAX改进并没有实装这个第三软AOA,而是计划在2021年下半年,737MAX10问世时再予以实装。从时间表上来看,是符合增加算法更改以及验证所需时间的。而EASA的表态显示并不想在737MAX上卡着,只要波音承诺后续会更新就可以。
而加拿大TCCA的态度就颇为有趣了:将会持续进行独立审查来确定737MAX的更改是否符合要求。加拿大期待很快能得出结论,但不会与FAA的批准相同,而且加拿大将会对737MAX的运营者有不同的要求,包括驾驶舱流程、飞行前检查程序和训练标准。考虑到波音公司对加拿大庞巴迪公司所采取的手段并最终导致庞巴迪彻底分割出售航空业务,加拿大政府对于波音737MAX的态度极有可能是“嘴上笑眯眯,背后捏着刀”。
而作为全球最早宣布停飞737MAX的中国民航局(CAAC),其态度无疑是最让人关注的。在10月22日中国民航局局长冯正霖就表态复飞要基于三原则:
第一,飞机的设计更改必须获得适航批准;
第二,驾驶员必须得到充分有效的训练;
第三,两起事故的调查结论必须是明确的,改进措施是有效的。
“基于这三个原则,我们没有对737Max8的复飞设定时间表。只要符合这个要求,我们是乐见复飞的。但是达不到要求,或者不符合我们三原则,我们还是要继续严格的适航审定,确保安全。”中国民航局这个表态的背后是什么意思,FAA与波音自己去细细品味吧。
目前737MAX的复飞已经进入了倒计时阶段了,或许波音终于可以松一口气认为一切都结束了。然而在笔者看来,这不是结束,也不是结束的开始,而很可能是开始的结束。如果复飞后737MAX再出现一起空难——哪怕与MCAS系统无关——那么对波音的打击无疑会是致命的。麦道公司殷鉴不远,望波音好自为之。
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