波音空難與飛機失速

黃建國

2019年3月10日，埃塞俄比亞航空公司的一架波音737MAX8客機在起飛后不久失事，包括8名中國公民在內的157名乘客無一生還，再一次令世界震驚。

在埃塞俄比亞航空空難事件的5個多月前，印度尼西亞獅子航空公司一架同一機型的客機墜毀，189條鮮活的生命從此不復存在，令世人痛惜萬分。737MAX8是航空工業(yè)巨擘波音公司極力推介的一款最新的大功率且省油的客機。它剛剛投人航線不久就接連出事，叫人難以置信！

從印度尼西亞獅子航空公司公布的黑匣子破解數(shù)據(jù)得知：飛機起飛爬升才幾分鐘，就出現(xiàn)了少見的機頭下墜狀況。飛行員不得不拉駕駛桿，使機頭向上，但飛機隨后又發(fā)生快速向下俯沖，飛行員又拉桿，機頭接著又下墜....如此20多次，飛行員持續(xù)頑強地與飛機的失常搏斗，最終失敗，機頭高速沖向海面，飛機在高速撞擊海面時解體，機上人員全部罹難。

而埃塞俄比亞航空客機在起飛4分鐘后就遇到與印度尼西亞獅子航空公司客機非常相似的失控局面。這兩起空難中，導致機頭直墜地面的事故起因，繞不開飛行中最令人忌憚的飛機失速。

“可惡”的飛機失速

一直以來，飛機由于飛行中失速釀成事故屢見不鮮。2009年震驚世界的法航AF447客機在大西洋上空因失速引發(fā)的空難至今還令人扼腕嘆息。事故的起因是飛機在高空飛行時，迎角傳感器的進氣口被冰塊堵塞，飛行員被飛機迎角的錯誤提示誤導，緊張得一直不斷地拉駕駛桿，導致飛機失速，陡然從高空墜人茫茫大洋之中。實際上，相較客機、運輸機，殲擊戰(zhàn)斗機遭遇飛行失速的頻率更高。它們常常在作戰(zhàn)或特技訓練中，為快速搶占空中制高點使勁向上沖，時而滾轉，時而俯沖，險象環(huán)生。飛行員駕駛稍有不慎，飛機就會伴隨劇烈的抖動陷人失速及無控尾旋之中。若不能迅速將飛機調整至安全狀態(tài)，即刻就會造成機毀人亡的嚴重后果。

飛機失速為何如此可怕？

在介紹飛機失速之前先解釋一下迎角的概念。迎角是飛機飛行方向與機翼弦線（翼剖面上前后兩點間的連線）之間的夾角。飛行員在飛行中緩慢拉（駕駛）桿時，飛機迎角會逐漸加大，飛行速度則開始下降。當迎角大到速度降至很低時，飛機的升力非常小，所受到的阻力急劇增大，隨即導致飛機機體振動，用于控制飛行姿態(tài)的舵面效能銳減或消失，飛機橫向會搖擺、不穩(wěn)定。這種飛行亂象就是飛機失速。

導致飛機失速的原因，已從理論和風洞試驗及”飛行試驗中找到。只要飛機迎角增大到一定值時，流經(jīng)機翼的氣流壓力會大幅增加，使得附著在機翼表面薄薄一層的“附面層”氣流無法克服該壓力上升而發(fā)生逆流，隨即出現(xiàn)氣流渦流式分離，導致飛機升力減小而阻力增加。又因為流經(jīng)機翼的氣流壓力分布急變，分離的氣流很不穩(wěn)定或發(fā)生周期性變動，自然造成了機體、尾翼、舵面等振動。再加上那些雜亂的氣流吹到舵面，比起原本有序的順氣流，必然會大大降低氣動效率及穩(wěn)定性。在這些因素的影響下，飛機就陷入了不可控的險境。

嚴防飛機失速發(fā)生

簡而言之，飛機失速是在飛行迎角增大、機翼升力迅速下降、阻力急劇增加的那一時刻開始的。

飛機的升力系數(shù)C與飛機迎角a有下述曲線關系。當迎角a小于失速迎角a。時，隨著a的增大，升力系數(shù)CL按近似正比例關系遞增;當a增大到a。時，C.達到最大值，即CLmax;等到a大于a。時，CL突然大幅度下降，飛機進人失速區(qū)。此時，飛行員必須采用緊急防范措施才能避免事故。通常，為防止飛機進人失速區(qū)，每種飛機都設定了比a，小的實際使用失速角，大小約為a。的85%。在通常飛行中，飛行員向后拉駕駛桿抬起機頭，實際使用失速角決不可超出這一上限。

一架性能良好安全的飛機必須具備大的升力系數(shù)CL。升力系數(shù)Cl大意味著飛機升力大，這樣的飛機具有機翼面積小、重量輕、載客多、航程遠、起飛距離短等諸多優(yōu)點。又從升力系數(shù)C.與飛機迎角a的關系得知，升力系數(shù)Cl大的飛機，其失速迎角a，也必然大。若失速迎角a，大，飛行員控制飛機迎角的回旋余地增加，工作壓力減輕，緊張情緒得以緩解，飛機失速的概率可大幅降低。因此，盡可能提升機翼的升力系數(shù)C，增大失速迎角ao，是防止飛機失速的關鍵所在。

那么如何獲得更大的升力系數(shù)Ci呢？有效的措施是在機翼的后緣配置單縫襟翼、子翼/主翼雙縫襟翼或主翼/后翼雙縫襟翼。特將機翼后緣的襟翼分成多塊子翼和主翼，用以增加“子-主”間的縫道數(shù)量和可調縫道寬度，這樣的結構既可增加機翼的面積和加大機翼的彎度，顯著提高升力，還能使機翼下表面高壓力的氣流通過縫道吹走機翼上表面尾緣處那些雜亂無章的渦流，從而令氣流穩(wěn)定，阻力大為減小，達到提高升力系數(shù)和失速迎角的目的。

另外，在機翼的前緣配置縫翼，也可以大幅提升飛機的升力系數(shù)C及失速迎角ao，這是防失速的另一種有效手段。早期的空客客機、麥道系列飛機上就專門配備了自動縫翼。如今，在波音、空客的大中型客機及我國C919、ARJ21飛機的機翼后緣，上都安裝有4塊面積碩大的襟翼，整個機翼前緣表面則覆蓋著一塊塊狹長的縫翼。一旦飛機處于即將失速危險之際，縫翼在接收到迎角傳感器發(fā)出的信息后，會立即在

套獨立的、無需飛行員操作的控制系統(tǒng)控制下自動向前下方伸出?？p翼與機翼前緣之間會有一條縫道，如此結構也會使得機翼上表面的渦流被吹走，飛機的升力系數(shù)及失速迎角得到大幅提升，延緩或避免失速事件的發(fā)生。

多重防止失速措施

除采用襟翼、縫翼降低飛機失速危險之外，現(xiàn)代客機還專門為飛行員增設了一套失速警告系統(tǒng)。它的職責是一旦飛機接近失速時，即刻向飛行員發(fā)出警告，提醒飛行員緊急采取諸如前推駕駛桿以減小飛機迎角等措施。失速警告系統(tǒng)由位于機身兩側的兩個迎角傳感器、一個相當于大腦的失速警告控制器、裝在駕駛桿上的振桿器、飛行員座位前的可視可聽的警告指示燈與警告喇叭組成。迎角傳感器實時將測到的飛機迎角信息傳給失速警告控制器，控制器隨即對兩個迎角信息進行校準，并在確認飛機迎角大于預定的失速角后，立即對飛行員發(fā)出多重警告。在實際飛行中，失速迎角會隨著飛行馬赫數(shù)和襟翼/縫翼位置不同而變化，因而，真實的失速迎角值在經(jīng)過失速警告控制器和，上述兩個迎角傳感器修正后才更為精準可靠。

當今主流的大型客機如波音737MAX8、波音787.空客A350和我國C919等都采用了先進的由多種傳感器、三臺以上的電子計算機等組成的電傳飛行控制系統(tǒng)（fly?by?wire?flight?control?system）。飛行控制律是電傳飛行控制系統(tǒng)的核心關鍵，是飛機的靈魂。優(yōu)秀的飛行控制律可以防范飛機失速，具有失速保護功能。根據(jù)飛行控制律編制的軟件被存儲在飛行控制計算機中。飛機不論常規(guī)起降、飛行還是在巡航狀態(tài)下的自動飛行，都聽從計算機快速解算飛行控制律后作出的精確無誤的指令。這不僅大大減輕了飛行員工作量和精神負擔，而且確保飛行高效精準。當然，飛行員也可以通過一個特定的“直接開關”，將計算機運行中的正常模式轉為直接模式。此時，飛行員直接手動前推駕駛桿，減小飛機迎角，避免失速的發(fā)生。

波音空難分析

應該說，比起傳統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)，采用現(xiàn)代先進電傳飛行控制系統(tǒng)的飛機無論是在操縱性能，還是在飛行安全方面均勝一籌。

那為何波音737MAX8會接連發(fā)生空難，讓人談機色變呢？從目前公開的資料及黑匣子破譯的信息來看，波音公司對這兩次空難負有不可推卸的責任。波音737MAX8安裝了高函道比、大尺寸的發(fā)動機。原本在使用這款發(fā)動機的同時，應該對機翼、機身結構進行更改及加長起落架支柱，但波音公司認為這樣會導致高成本和長周期，因此將該發(fā)動機盡量上挪和前移，使得發(fā)動機上部與機翼上表面齊平且大大超出機翼前緣，從而導致發(fā)動機噴出的氣流不得不環(huán)繞在機翼的表面，破壞了原本的順氣流流動，造成機翼氣動性能不穩(wěn)定，機頭容易向上，加大了飛機失速的發(fā)生率。

波音公司明知加裝大發(fā)動機會增加飛機失速的風險，其采用的對策是增加一套稱為機動特性增強系統(tǒng)（maneuvering?characteristic?augmentation?system，MCAS）的防失速裝置。它的防失速決策與具體措施以軟件方式存儲在計算機中，為計算機專用，飛行員無法干預。可能受到法航AF447空難事故原因的影響，波音公司堅信MCAS的可靠性大大勝過飛行員的手動操作。其實，人的靈敏性與判斷力往往比計算機更佳，以住無數(shù)次的飛機失速危機均靠飛行員的臨危不懼、準確判斷和正確操作化險為夷。

一般飛機起飛時，有經(jīng)驗的飛行員不會將爬升角拉得很大，正常起飛時出現(xiàn)飛機失速實屬罕見。而埃塞俄比亞航空公司和印度尼西亞獅子航空公司的兩架波音737MAX8客機都是在起飛后不就失事的。引發(fā)這兩次空難的原因也與之前法航空難相似：飛機機身兩側的迎角傳感器中至少有一個出現(xiàn)了故障。法航空客A330客機與波音737MAX8客機上的迎角傳感器都出現(xiàn)了誤報，只是后者的MCAS“挺身而出”，強制飛機低頭，進而造成飛機下沖速度增大。遺憾的是，MCAS并沒有處理好迎角傳感器誤報這樣的低級錯誤。按理，波音737MAX8上的兩個迎角傳感器的讀數(shù)應該進行實時比較以判別其真實性，可是據(jù)稱該型號飛機的MCAS軟件在編寫時卻將二者完全獨立，互不關聯(lián)。這就使得故障傳感器發(fā)出的數(shù)據(jù)被當作飛機處在失速狀態(tài)的數(shù)據(jù)，造成了MCAS的“一錯再錯”。

兩次時間間隔極近的空難，讓全球絕大多數(shù)擁有波音737MAX8的航空公司決定停飛該機。波音公司迫于壓力，無法推卸責任，終于公開承諾要重新修改MCAS軟件。除軟件問題外，波音737MAX8發(fā)動機的位置、兩個迎角傳感器的配置等硬件上的缺陷也亟待正視和改進?？湛惋w機上加裝了三個迎角傳感器，一旦一個出現(xiàn)故障，則可通過“表決法”將故障傳感器讀數(shù)排斥在外，這種更安全的設計值得波音公司借鑒。此外建議，當迎角傳感器發(fā)出警告時，飛機控制系統(tǒng)似可賦予飛行員優(yōu)先于計算機進行緊急處置的權限。

飛機是當今最快速的交通工具，在追求速度之前，首先應以乘客的生命為重。只有對飛機作更合理的設計和更謹慎的評估驗證，才能讓乘客重拾飛行安全的信心，避免空難再次發(fā)生。

關鍵詞：空難?飛機失速?防失速措施