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波音737MAX客机MCAS系统背后的问题
您当前的位置 :首页 > 航空资讯 正文 来源: 如皋生活网 发布时间:2020-05-22 03:32:38

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失速改出操作示范图。

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MAX飞机安定面配平切断电门示意图。

讯:据《华尔街日报》3月29日报道,埃塞俄比亚航空公司波音737MAX空难的调查人员得出初步结论,飞机在俯冲到地面前自动启动了预防失速系统(MCAS),该结论与数月前印尼狮航波音737MAX空难的初步调查结论一致。两起空难的“元凶”——MCAS系统是波音公司开发的自动安全系统,初衷是阻止737MAX客机失速,但在某些异常情况下,该系统可能自动启动,使机头降低,从而导致机头俯冲坠机。

本文尝试对MCAS系统及其相关重要问题进行分析。所谓的MCAS系统是一种应用于737MAX飞机的俯仰机动能力增强系统,该系统的设计初衷是避免飞机进入失速。当飞机的迎角过大时,MCAS系统就会启动。为了监测迎角大小,MCAS系统需要依赖飞机上安装的传感器,如果检测到迎角接近失速状态,该系统就会通过调节位于平尾的水平安定面,增加飞机的低头力矩,以改出失速。

通过研究波音申请的自动失速保护系统专利(CN106477055A号)以及最新资讯可以发现,现阶段暴露出的MCAS系统问题可能只是“冰山一角”,其背后可能埋藏着更多的问题。

从相关专利上看,MCAS系统可能只是自动失速保护系统的子系统之一

CN106477055A号专利与737MAX飞机上防失速系统技术最为接近,该专利名称为飞行器失速保护系统,是波音公司于2016年申请的中国发明专利。当自动失速保护系统工作时,可以通过调节升降舵、稳定翼、推力、扰流板等多个部件来控制飞机的飞行姿态和速度;其中MCAS系统用于调节水平安定面,但其只属于自动失速保护系统的一个子程序,在737MAX中可能还隐藏着推杆器、自动油门和自动控制扰流板等子系统。

比如,通过已公开的飞行数据显示,埃航飞机失事前,最大地速达到383海里/时(709千米/时),超过了飞机正常的飞行速度,飞机的异常超速飞行,是否与自动失速保护系统的推力控制子系统有关?这种控制关系有可能难以从黑匣子存储的数据记录中分析出来。由于黑匣子(FDR)的参数记录通道有限,而飞控系统内部的信号传输、工作逻辑等信息,黑匣子不做记录。所以在事故调查中,很难分析飞控系统内部的工作过程。

飞行员在模拟737MAX失速时发现飞机有自动推杆现象

据悉,国内的专业飞行员在两台D级模拟机(经过民航局认证可以用来代替真飞机对737MAX飞行员训练的模拟机)上模拟了737MAX飞行时,出现了两种值得注意的情形。其一,在737MAX模拟机试飞演示大迎角失速时,使用襟翼在接近失速时,飞机没有发生MCAS配平现象,因为按照MCAS逻辑,其工作需要在襟翼收上时工作,所以这也符合MCAS工作条件。但是,接着模拟机模拟飞行显示,飞机起飞接近失速时,会出现飞机自动推杆现象(即推杆器自行工作,控制升降舵运动);其二,当737MAX模拟机试飞演示大迎角失速时,使用襟翼也就是收起襟翼,在接近失速时,两台模拟机上的飞机均再次发生了自动推杆现象。

以上模拟仿真结果表明,在737MAX接近失速时,推杆器可能会自行工作,而且这个自动推杆的功能不属于MCAS系统所应该具有的功能,也没有写在波音737MAX的使用手册里。当飞机在真实飞行中接近失速状态下,在没有告警的情况下,这个隐藏的自动推杆功能可能会对飞机的飞行姿态进行自动调整。

从基本的飞行动力学原理推断,失速保护功能也不仅能依靠MCAS来实现

对于常规布局的民用喷气式飞机(后掠翼、翼吊式发动机),当飞机处于大迎角或失速状态时,应利用所有可能利用的操纵面,使得飞机改出复杂状态。这些操纵面包括:升降舵、水平安定面、扰流板、发动机推力(推力对于飞机重心也会产生力矩),并且如果飞机在大迎角时伴有大的滚转角,还要利用飞机的副翼和方向舵控制。

ICAO(国际民航组织)出版的教材中,强调由于在大迎角状态下飞机的舵面效率降低,因此从失速状态中改出时,要利用所有可以利用到的舵面。因此,对于波音737MAX飞机,有理由相信该飞机在进行失速保护系统设计中,包含了对多种舵面控制的功能,这样才能保证飞机从急剧失速或深失速(最为危险的几种失速类型)中改出,所以MCAS系统有可能只是737MAX飞机中具有代表性的一个自动失速保护子系统。

狮航空难后,波音对MCAS系统逻辑的错误描述有可能酿成大祸

狮航空难后,波音给所有使用737MAX的航空公司发布了OMB(使用手册通告),对MCAS系统进行了专门解释说明,FAA也根据该OMB作出了相应的适航指令,当737MAX飞机襟翼收起、自动驾驶仪脱开(也就是飞机处于人工驾驶状态)、迎角过大或大坡度转弯时,MCAS系统启动,飞机的水平安定面开始受到MCAS系统的控制。另外,埃航失事飞机的飞行员接受了埃航的专门培训,应该知道如何通过MAX飞机安定面配平切断电门来关闭MCAS系统。

狮航客机失事后,埃航飞机为何还会以相似的方式再次失事?埃航失事过程中,飞行员可能未能及时切断安定面配平电门,其原因可能与波音未能准确描述MCAS系统的正常启动逻辑有关。

按照波音的官方介绍,飞机襟翼放下时,MCAS系统不会启动。而失事的埃航飞机出事时一直在500~1000英尺(152~304米)的离地高度,这个高度通常在收起飞机襟翼的高度之下。所以正常情况下,MCAS系统应该不会启动,然而此时却出现了机头突然下压的险情(事后分析,该状况很有可能正是MCAS系统造成的)。但是刚受过专门培训的埃航飞行员有理由相信该险情不是MCAS系统引起的(因为此时襟翼还没有收起),再加上副驾驶员的飞行时间只有200小时,其在慌乱中很难具有挑战FAA适航指令和波音OMB权威的勇气,所以埃航失事客机的飞行员没能及时关闭控制MCAS系统的开关,最终导致坠机悲剧的发生。这就能解释埃航失事飞机残骸中发现的安定面配平装置(平尾丝杠)为何会和狮航失事客机极为相似——两者均处于不正常的位置,这表明两架失事飞机坠机之前均处于高速俯冲状态,表明飞机水平安定面应该是被系统所控制。

类似例子并不罕见。这几个月来,美国国内航班的飞行员曾多次向联邦当局表达了对波音737MAX8安全的担忧。比如去年11月一名商业航空公司的飞行员报告说,在起飞过程中,自动驾驶仪已投入使用(按照波音的说法,在此工况下,MCAS系统不应启动),然而飞机“在两到三秒内,飞机机头向下倾斜”,其速度足以触发飞机的警告系统。后来,经验丰富的飞行员将自动驾驶仪关闭后,飞机可以正常情况爬升,并排除了险情。令人遗憾的是这样的报告没有引起FAA或波音的重视,否则有可能可以避免埃航空难的发生。

以上事实表明:MCAS系统的实际表现与波音做出的OMB说明存在诸多严重不相符的地方,并可能因此产生了灾难性后果。

MCAS系统可能存在严重设计缺陷

《西雅图时报》3月17日援引美国联邦航空管理局(FAA)的现任和前任工程师的话说,波音公司2015年推出737MAX新型客机之后,为了获得联邦政府的认证,向联邦航空管理局提交了客机新型飞行控制系统的安全评估,系统全称是“操纵特性增强”系统(即本文所述的MCAS系统),FAA的工程师发现,波音提交的安全评估报告存在以下问题:

安全报告没有充分标出新型飞行控制系统的全部动力。为了防止飞机空中失速,飞行控制系统可以转动飞机的水平翼,让机头朝下。但客机服役之后,控制系统转动尾翼的速度要比安全评估标出的速度高出3倍多。该问题表明波音忽视航空安全,并对MCAS系统研究不足,缺少足够的试验数据来评估MCAS系统对飞机造成的影响。

驾驶员做出回应后,报告未能充分考虑到系统能否及时复原,也未能考虑到系统还可能继续把机头往下推。该问题尤为重要,其指出了MCAS系统可能存在一意孤行,最终造成飞机坠机的严重风险,但是很遗憾该问题没有引起FAA和波音重视。

系统的危险评估定在有害等级,比“灾难性”低了一级。即便有害等级,也不能只靠一个单一的传感器的信号去阻止飞行控制系统的启动,而这套系统正是这样设计的。该问题非常关键,其指出的单一的传感器的信号去阻止飞行控制系统的启动的问题,正是造成狮航空难的直接原因,如果波音在适航认证阶段把该问题解决,狮航空难就不会发生。

报告称,客机水平翼的转动角度小于0.6度,但去年狮航公司610航班坠毁之后,波音公司首次向各个航空公司提供的“操纵特性增加系统”说明则把角度标成2.5度。该问题表明波音对MCAS的披露与实际情况不相符,而且737MAX的适航认证存在漏洞。

FAA在737MAX的适航认证方面早已礼崩乐坏

据外媒报道,美国交通部正在对FAA批准波音737MAX喷气式客机的情况进行调查。这是一项针对新飞机的安全批准存在潜在失误的“不寻常调查”。

外媒援引FAA的工程师的话说,波音737MAX客机的竞争对手是欧洲空客的A320neo客机,但波音研发已经晚了9个月,FAA就把波音737MAX飞行控制系统的安全评估任务交给了波音,并要求自身的工程师们加快检查进度。美国联邦政府的安全调查员认为,波音737MAX客机新安装的控制系统的安全评估存在疏漏,政府的航空认证也没有尽责。在此背景下,匆匆上马的MCAS可能没有经过充分的试验验证,就通过了FAA的适航认证,对于狮航、埃航这两起重大空难事故,当初“放水”的FAA与既当运动员又当裁判员的波音可能都难脱其咎。

上述外媒报道与波音在CN106477055A号专利说明书中自认享受了FAA授予的性能免除许可优惠政策等内容吻合,并且波音向FAA提交的关于MCAS系统的安全评估报告,在CN106477055A号专利说明书中也有记载,这些情况表明MCAS系统与该专利涉及的自动失速保护系统有关,那么除了MCAS系统,波音是否在737MAX上安装了其他自动失速保护子系统?波音是否向FAA隐瞒了这些子系统的存在?这些子系统是否通过了适航认证程序?是否还有更多的系统也这样“混”过了FAA的适航认证?这些问题都与737MAX的飞行安全密切相关。

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