737MAX飛機MCAS軟件探討

張鵬

（東航技術(shù)有限公司云南分公司，云南 昆明 650000）

2018 年10 月29 日，印尼獅航JT610 航班起飛不久后墜毀，189 人遇難。2019 年3 月10 日，埃塞俄比亞航空從亞的斯亞貝巴飛往肯尼亞內(nèi)羅畢的ET302 航班失事，157人遇難。2019 年3 月11 日中國民航局發(fā)文要求停止所有737MAX 飛機的商業(yè)運行，隨后全球各國相繼禁飛737MAX 飛機。截至本文撰寫之日該機型仍舊未恢復(fù)運行，波音還在升級調(diào)試相關(guān)技術(shù)軟件，還未進入正式的復(fù)飛取證流程。半年內(nèi)兩起嚴(yán)重的空難均為同一款飛機—波音737MAX8。這是一款波音在2016 年首飛，2017 年5 月正式交付商業(yè)運行的飛機。作為一款“新”飛機，波音在事故后不可避免地要盡快給出一個令各方滿意的答復(fù)，以盡快恢復(fù)市場的信心。獅航空難事件后波音發(fā)布的技術(shù)通告指出事故的關(guān)鍵因素是AOA數(shù)據(jù)錯誤，AOA（angle of attack-迎角）是飛機氣動性能的關(guān)鍵因素，因為民航客機并沒有戰(zhàn)斗機或者火箭那樣直上直下的本事，所以簡單來說，迎角過大會導(dǎo)致飛機失速。但是同樣的AOA 傳感器也安裝在737NG 系列飛機上，同樣的事故卻沒有發(fā)生在這系列飛機上。所以，進一步的數(shù)據(jù)分析都指向Max 系列飛機采用的全新技術(shù)MCAS（maneuvering characteristics augmentation system-機動特性增強系統(tǒng)），而波音公司一開始卻否認(rèn)了該技術(shù)和事故發(fā)生的直接關(guān)系，直到該系列飛機全球停飛后，波音才不得不承認(rèn)該技術(shù)存在缺陷，而且目前所有恢復(fù)飛機認(rèn)證的措施也都是圍繞該技術(shù)的軟件升級展開的。那么，波音為什么在本已經(jīng)很成功的機型上采用這一全新的技術(shù)，而這一技術(shù)為何又會導(dǎo)致事故頻發(fā)，本文將探討MCAS 的來龍去脈。

737 系列飛機作為波音公司商業(yè)上最成功的一款產(chǎn)品，自1967 年第一架737-100 飛機交付給漢莎航空公司以來，在飛機的構(gòu)型上一共可分成四個時代：737OG/737CL/737NG/737MAX。劃分這四個時代最重要的區(qū)別就是發(fā)動機的變化，從最早普惠JT8D 到CFM56-3 再到CFM56-7 直到最新的LEAP-1B。最直觀的變化就是發(fā)動機尺寸越來越大，尺寸變大提升了發(fā)動機經(jīng)濟性的一個重要指標(biāo)—涵道比。CFM56-7 的涵道比為5.1-5.5，LEAP-1B 涵道比為9，對應(yīng)的LEAP-1B 的風(fēng)扇直徑比CFM56-7 的大了約20cm。與此同時，從737NG 到737MAX 飛機在機身尺寸上并沒有大的改動，準(zhǔn)確地說，是在機身直徑上737 系列飛機都是3.76m，只是在長短上有所不同，這么做的原因也很簡單，機身長短的改變只需要在機身上增加或者減少幾個隔框，類似蓋房子在結(jié)構(gòu)允許的條件下多蓋兩層樓或者少蓋兩層技術(shù)上沒有太多難度，而要改變機身直徑那就是在改地基了，那基本上就是推倒重建了。波音公司在737 系列飛機帶來的50 多年的成功后并沒有多大的動力去干這么廢力的事情，而這也為后面737MAX 飛機事故埋下了伏筆。因為737 系列飛機都是收放式起落架，而機身直徑直接限制了主起落架的尺寸，顯然收上后主起落架的尺寸不能大于機身直徑，所以不變的機身尺寸導(dǎo)致737NG 系列飛機和737MAX 系列飛機的主起落架尺寸是一致的。變大的發(fā)動機和不變的起落架帶來的后果就是發(fā)動機離地間隙變小了，但是，離地間隙變小又會給發(fā)動機運行帶來各種風(fēng)險，比如，吸入外物或者擦地，這顯然是波音不愿看到的。于是，波音將發(fā)動機吊架往前延長，讓發(fā)動機盡量靠前向上翹起，以提高發(fā)動機進氣道的離地高度。同時將前起落架升高8 英寸，因為前起落架是沿機身縱向收放的，所以在機身直徑不變的情況下，改變前起落架的尺寸是可行的。經(jīng)過這兩個大改動，發(fā)動機的離地間隙到達0.42～0.54m，滿足了運行條件。但是，發(fā)動機前移上翹導(dǎo)致發(fā)動機進氣道與機翼前緣的相對位置發(fā)生了改變，這勢必對飛機的機翼氣動布局造成影響。同時，發(fā)動機是一個很重的部件，兩個發(fā)動機的前移也會對飛機的重心帶來不可避免的影響。波音的工程師在設(shè)計時肯定也考慮到了這些問題，筆者在與波音工程師交流時，他們也提到737MAX 是一款設(shè)計比較倉促的飛機，為了應(yīng)對空客320NEO 甚至C919 的競爭硬著頭皮上馬的一個項目，這也導(dǎo)致了波音沒有足夠多的測試來驗證改型帶來的問題，在發(fā)現(xiàn)問題時沒有足夠多的時間完善系統(tǒng)設(shè)計。而筆者所在公司運行的737MAX8 飛機維護手冊里存在著諸多的筆誤，甚至前后矛盾的情況也從側(cè)面反映了這款飛機設(shè)計及投入運行的忙亂?；氐角懊婵针y事故，獅航最后的事故分析指出，飛機自始至終的一側(cè)AOA 數(shù)據(jù)錯誤，而后MCAS 介入，飛行員在不知情的狀況下反復(fù)與MCAS 搶奪飛機的操控權(quán)，最終因為在干擾下對飛機的真實態(tài)勢失去判斷導(dǎo)致飛機最終失去控制。

這里先介紹一下MCAS（maneuvering characteristics augmentation system-機動特性增強系統(tǒng)），波音手冊里對于該系統(tǒng)是這樣描述的：

MCAS 是速度配平系統(tǒng)的一種功能，另一種是速度配平（speed trim），MCAS 優(yōu)先級高于速度配平；MCAS 是為了提高飛機在高馬赫和大迎角條件下的速度穩(wěn)定性。

MCAS 以高速模式控制安定面，增強飛機俯仰可操控性。

MCAS 無須人工啟動，當(dāng)空速及迎角超過特定的門限值時自動介入。

首先，速度配平系統(tǒng)是在737NG 系列飛機就已經(jīng)有了的功能，而根據(jù)手冊描述速度配平功能737NG 與737MAX 是一樣的，并沒有區(qū)別。而MCAS 是737MAX 新增加的一項功能，為何在成熟的737NG 系列基礎(chǔ)上還要加裝這么一個功能，而且其優(yōu)先級還要高于原先的速度配平系統(tǒng)？我們分析波音給出的描述，該功能是提高飛機在高馬赫和大迎角情況下的速度穩(wěn)定性，速度配平系統(tǒng)的功能是提高飛機低空速大推力的情況下的速度穩(wěn)定性，根據(jù)空速的變化提供一個反向的抬頭或則低頭力矩。飛機在飛行過程中典型的低速大推力情況就是起飛和降落時，也是最容易發(fā)生空難的時候，事實上兩次737MAX 的空難也都發(fā)生在起飛爬升階段。那么，起飛階段也是大迎角的情況，按照以前的737NG 系列飛機，這個階段飛機由速度配平功能保障飛機的速度穩(wěn)定性能，而737MAX飛機卻增加了這么一個看似重復(fù)的功能，或許只有一個可能，就是MAX 飛機在發(fā)動機和起落架改動過后，飛機對于大迎角情況下失速的情況更加敏感了，原來的速度配平功能已經(jīng)不夠可靠了，這一情況在波音的飛機驗證過程中肯定被波音工程師發(fā)現(xiàn)了，所以做出了相應(yīng)的改動。那么，為什么不可以針對這一氣動特性重新編寫速度配平功能，而是要重新設(shè)計一套軟件來完成這個功能呢，我們再研究波音對于改系統(tǒng)的描述，針對高馬赫和大迎角的速度穩(wěn)定性提升。這里有一個關(guān)鍵詞——高馬赫，飛機在高馬赫數(shù)情況下會由于空氣激波導(dǎo)致升力中心后移，從而使飛機產(chǎn)生下俯的低頭力矩，737MAX 是在超過了0.615 馬赫的情況下會產(chǎn)生這種低頭效應(yīng)。737NG 和737MAX 其實也都有針對這一情況的馬赫配平功能，那么我們可以推測，由于發(fā)動機位置的改動，737MAX 在高馬赫的情況下對于速度的敏感性也更加極端了，超過了原來的馬赫配平所能調(diào)節(jié)的情況，我們進一步推測波音干脆就對這兩種情況下的飛機控制專門設(shè)計一款軟件，以應(yīng)對這一以前沒有遇到的情況。這樣一來，既不對以前成熟的技術(shù)做改動，又給新帶來的極端情況打了補丁，以最小的成本對飛機進行了完善，看似完美的解決方案。但是，對于AOA 數(shù)據(jù)采樣的選擇，對于操控的優(yōu)先級，對于介入的時機，一系列的錯誤最終導(dǎo)致了空難的發(fā)生，也說明了這一補丁的失敗。

殘酷事實擺在眼前，其實波音自己對于這一改進也不是很有信心，因為在發(fā)生空難前，全世界大多數(shù)航空公司并沒有被波音告知這一改動，甚至在波音的機組操作手冊和維護手冊里也沒有提及這一改動。對于為何會這樣，或許只有波音自己內(nèi)部知道。737 作為一款行銷世界50 多年的取得巨大成功的機型，波音一直在反復(fù)挖掘它的潛能，但是其結(jié)構(gòu)上的局限導(dǎo)致了對于它的挖掘也是有極限的，但是巨大的市場讓波音不敢也不能輕易做出重大調(diào)整。目前，波音對于此次事故的處理方式也重點放在了對于MCAS 系統(tǒng)的改進上，將數(shù)據(jù)采樣進行對比，不再強制操作飛機，只要飛行員介入就將指揮權(quán)交回給飛機員，其實，這一做法也值得商榷，如果是真的發(fā)生了極端的失速情況，波音就將責(zé)任全部丟給了飛行員。而對于導(dǎo)致這些情況的根本原因，飛機本身構(gòu)型的變化波音并沒有太多辦法，有太多的利益相關(guān)限制，目前的消息是737MAX10 可能會采用可伸縮的主起落架，這樣或許會將發(fā)動機改回以前的位置，但是氣動布局會帶來什么樣的新變化，現(xiàn)在還未可知。從長遠角度看，經(jīng)濟利益和航空安全之間是互相促進的關(guān)系，希望航空業(yè)界能在這二者之間找到令所有人都滿意的平衡。