晨枫:波音737是如何铸成大错的?

来源:观察者网

晨枫,自由撰稿人。

[文/观察者网专栏作者 晨枫]

2019年3月10日,埃塞俄比亚航空302航班在亚的斯亚贝巴起飞6分钟后坠毁,机上157人全部丧生,包括8名中国旅客。在不到5个月前的2018年10月29日,印度尼西亚狮航610航班在雅加达起飞13分钟后坠毁,机上189人全部丧生。

两起事故涉及的都是波音737-MAX8客机,都是新近交付使用才几个月的新飞机。但最先进的发动机和电子技术没能防止恶性的机毁人亡事故,引起世界的震惊。这将是波音的噩梦,但影响远远超过波音737MAX这一条产品线。

晨枫:波音737是如何铸成大错的?

新近交付才几个月就坠毁,这是波音的噩梦

波音737是民航史上非常特别的一章,其成功是一个意外。在60年代初,波音成功地用四发的波音707占领了远程市场,用三发的波音727占领了中程市场,急欲推出新的双发客机占领短程市场。在这个时候,竞争对手道格拉斯已经推出DC-9。在欧洲,则有法国南方飞机的“快帆”和英国飞机的BAC-111。这些成功的设计都采用尾吊双发的布局,起落架高度降低、重量减轻,干净的机翼气动效率更高,尾吊发动机的噪声也远离机舱主体。

但波音设计师另辟蹊径,采用与波音707和727相同的机体直径,不仅机舱从竞争对手的2+3加宽到更加舒适的3+3,也在设计和生产上可以与波音707和727共用生产线和机舱模块。更有甚者,翼下发动机为机翼减载,降低的结构重量使得波音737的经济性秒杀竞争对手,最终成为历史上最成功的民航客机。以后波音737从短程扩展到中程,现在航程媲美早期波音707,载客量超过波音727,甚至新一代的波音757都被白发人送黑发人了。

为了进一步加强经济性和短程运作的便利,波音737的发动机离地很低,便于地勤维护;起落架很低,在理论上旅客上下飞机可以不需要机场专用登机梯而用自带的简便登机梯。为了节约重量,主起落架直接收入机腹的凹腔内,连盖板都没有。这些设计特点最终也成为限制波音737进一步发展的障碍,但这与安全性无关。

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波音737作为一种已有50年的老机,对其进行进一步改进其实是有很多限制因素的

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比如至今737的主起落架还是没有盖子

事实上,成熟与安全正是波音737-MAX的招牌。在50年的持续成功后,波音737成为波音的负担,因为进一步改进已经很困难了,而市场一直在变。

比如说,波音707的机体直径决定了座位宽度还是以50年代的人的身材为基准,对于如今大胖子遍地走的情况已经难以适应。机翼离地高度不足,也使得更加省油、安静的大直径涡扇发动机难以采用。发动机高度前挑,发动机位置严格来说已经不是翼下,而是“翼前”了。波音737-MAX10甚至被迫使用很复杂的两段式起落架,好像狗腿子一样可以伸展,以在起飞、着陆时加长起落架长度,确保加长的机尾不至于在拉起时触地。

这样的勉为其难实际上是被空客逼的。空客A320比波音737晚推出20年,在设计的时候就针对波音737的先天缺陷加以改进,在此基础上推出加长的A321,其载客量和航程刚好处在波音望尘莫及的位置,在过去10多年里独霸市场。

波音在产品路线图上希望双管齐下,用“新一代小飞机”(简称NSA)替换波音737,重建对空客的优势;用“新一代中型飞机”(简称NMA)填补波音737与787之间的空隙,但在是否把NSA和NMA合二为一问题上举棋不定,在NMA采用单走廊还是双走廊问题上也犹豫再三。

空客帮波音拿了主意,用新发动机推出A320NEO,并对机舱和驾驶舱全面现代化,事实上占领了NSA的位置,而A321NEO也事实上占领了NMA的低端。空客还有进一步加长为A322NEO的选项,只要空客高层做出决定,在技术上没有太大的困难。在另一端,A330-800则卡住了NMA的顶端。

波音既等不起NSA,NMA那边又难产,只好把已经50岁的波音737再次拉皮,用新发动机、机舱和驾驶舱设计隆重推出波音737-MAX系列。

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下一代飞机的开发拖延和空客的紧逼是导致737再次拉皮的主要原因

由于这是在现有的波音737-NG上的大改,用户的现有维修、支援、训练体系容易无缝对接,很受航空公司的欢迎。对于FAA来说,这也只是现有波音737-NG的补充认证,并不需要重头认证。波音新增的机动特性增稳系统(简称MCAS)的问题是到后来才意识到的,但这不是波音画蛇添足、没事找事。

2009年6月1日,法航447航班从巴西里约热内卢起飞,前往巴黎,途中失事坠毁,机上228人全部丧生。这是一架空客A330-200,4年新。没有两架失事的波音737-MAX8那么新,但也算很新的。

飞机在飞越雷雨区时,空速管冻结,造成空速读数不正常,不断发出失速虚警。飞行员按照空客应急处理手册要求,加大推力爬升,反而进入了高空失速,最终坠毁。事后调查发现,在好几分钟里的任何时刻,只要飞行员压低机头,就有足够的高度和速度改出失速,恢复安全飞行。空客的应急处理手册是针对更常见的低空失速情况,但对高空失速考虑不足。飞行员机械地按照手册处理,而不顾常识和经验,也是事故原因之一。

法航447事故后,高度自动化系统与人的交互、人在平常很能干的自动化系统“失智”时的应对,以及关键控制系统对仪表固有可靠性掉链子时的处置成为很大的话题,这些话题至今依然是火爆的研究领域,但工程技术的特点就是:不能等什么都研究清楚了再干,琢磨出来多少,先干起来再说。解决方案不完美是可以改进的,但不作为是不可接受的。

因此,波音MCAS的功能之一就是在一定的高度、速度条件下,如果空速管读数指出迎角过大,就有控制地压低机头,自动改出。如果迎角过大是空速管冻结造成的误读,在较低的高度上,气温升高,空速管冻结自然融化,读数自然恢复正常。由于在高空高速时空速管冻结,飞行员的最好选择也只有压低机头,因此自动与手动并不冲突,自动具有很高权限。

但事情是千变万化的,如果飞行员认定飞行状态正常,不应该大角度俯冲,而拉起的动作反复被自动控制否决,就可能造成“飞行员导致的控制震荡”(简称PIO),几个来回以后,震荡幅度越来越大,就容易失控。这不是典型PIO,典型PIO是由于飞行员急促、频繁的操纵动作激发控制系统本质滞后造成的,但就表象和最后效果而言,这两种PIO是一样的。

现在还不能确定PIO是否是最后导致狮航610失事的原因,埃航302的失事调查更是刚刚开始,但从飞行的速度和高度纪录来看,MCAS与飞行员打架、最后造成PIO的可能性不小。应该指出的是,PIO里的P确实是指飞行员,但这是控制系统设计的问题,不能简单看作飞行员的错误。

有说法MCAS是因为波音737MAX发动机前置、位置提高造成上扬倾向、需要自动补偿的缘故,这是奇怪的说法。发动机前置使得重心前移,带来的是自然的机头下压倾向,而不是上扬。发动机重心提高对俯仰的影响也微乎其微,俯仰主要是重心前后移动的影响,上下移动影响的是横滚。

不管波音是为什么而增加MCAS,波音的错误在于没有把MCAS的功能作为飞行员换型训练的一部分,不仅使得飞行员在控制输入被意外否决时大吃一惊,还没有迅捷有效的办法解除自动控制、全手动接管。

狮航610事故后,波音马上推出补丁,不仅在飞行员训练里强调MCAS的新增功能,还推出解除MCAS的操作步骤。不过这些还是临时补救措施,MCAS一旦解除,也不易恢复,影响后续正常飞行。高度自动化系统在自动与手动之间的无缝来回切换本来就是极端复杂的问题,尤其是部分手动-部分自动的混合模式。软件实现当然是大难题,更大的难题是猜度飞行员的意图和正确表达依然处在自动模式的功能,这样不导致飞行员误解,也能在恢复自动的时候只恢复还在正常工作的部分,而不是把造成先前麻烦的部分一并恢复。

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本该提高飞机安全性的自动化控制系统,有可能导致了两起严重空难

埃航302失事后的第二天,波音就宣布已经在加紧编制补丁,将在未来几周内推出。如果这是狮航610之后就开始编制的补丁,那可能是完成品;如果是埃航302之后才开始的,那依旧是临时补丁。波音最后的技术方案还不知道,但技术问题已经不是波音最大的噩梦,商业运作这边才是。

埃航302失事后,中国首先在国家层面立刻宣布涉事飞机停飞。有人把这与美中贸易战相关联,这是不妥的。即使美中贸易关系如胶似漆,接连两次出这么大的事故,不得到安全确认就继续容许飞行,那才是不负责任的。有人问中国外交部,什么样的安全确认才足够解禁,这其实不是外交部能回答的问题,应该问中国民航。具体需要满足什么样的要求,那是技术性的问题,但继续默认安全性肯定是不妥的。

与此相对照的是美国,FAA至今坚持认为,否决波音737-MAX8适航证的依据不足,所以还没有达到停飞标准。如果说狮航610只是孤例,那埃航302之后,需要证明的就不是波音737-MAX不安全,而是是否还安全了。在没有相关证明之前,FAA的不停飞决定是不负责任的,有损FAA的专业权威。但FAA这样有损专业权威的做法不是没有先例的,下面会提到。

但FAA有苦难言。如果FAA下令停飞,波音生产线上的大批待交付飞机立刻就要大概率面临拒绝接收的问题,航空公司慢说不能正常投入航班运行,连接机都不可能。在最坏情况下,各国航空公司甚至可能出现大面积退货,波音将很难拒绝。

对于航空公司来说,机队停飞也是巨大的问题。像美国西南航空那样,机型高度集中,一旦主力机型停飞,连抽调其他飞机补班都难,因为根本没有那么多替补飞机可以调动,那样公司就有停摆的危险。一旦客流流失,如何拉回来、什么时候才能拉回来就难说了。

也有人问,停飞造成的经济损失是否可以向波音索赔,这就一言难尽了。如果确认是波音的设计问题,那索赔是有根据的,但这要很多年、很多律师之后了。但在未来几年里,老客户再买波音的时候,降价要求就很强势了,用降价代替赔偿对波音是最好选择,但这对公司盈利的打击也是实实在在的。

对于波音来说,眼下的公关灾难还难说只是短期的,还是会有长期影响。在这方面,已经归入波音旗下的麦道有血的教训。

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DC-10的失败对于FAA、航空制造企业和乘客来说都代价高昂

在60年代波音推出波音747宽体客机时,尚在蹦跶的道格拉斯也推出了DC-10。道格拉斯在30-40年代是把波音压得没脾气的民航客机巨头,DC-3开创了民航大众化的时代,战后初期则接连推出DC-4到DC-7的大型螺旋桨客机。但道格拉斯没有抓住喷气时代,被波音707抢了先。一步落后,步步落后,此后道格拉斯一直在追赶波音。

在波音推出划时代的波音747的时候,道格拉斯已经没有牙口针锋相对了,而是推出了三发的DC-10,载客量、航程都小一点,但在机舱舒适和宽敞方面采用同样的双走廊。DC-10没有波音747那么显赫,但稍小的容量实际上更容易满座,三发也更加省油,还是很受欢迎的。

但道格拉斯犯了几个严重的设计错误。下舱是货舱,货舱门一般和客舱门一样,向内退后偏转后才能打开。这是本质安全的设计,即使门锁脱开,舱门也因为客舱压力高于外界,而被顶在门框上,保持密封。所以即使醉汉胡来,客机的舱门在高空也是无法打开的,当然这不等于谁应该去试试。

货舱门一般也是这样设计的,问题是这样的话,门后的空间就必须空出来,不能装货。道格拉斯改变了货舱门设计,使之向外开启,用重型闭锁机构确保关严。另一方面,飞行员通过控制液压管线控制平尾和垂尾控制面。传统上控制管线走机舱天花板内空间,但道格拉斯也改变了设计,把管线改道机舱地板下,既便于从货舱一侧维修,又空出机舱天顶空间,使之更加宽敞。但在重重安全审计中,这些设计的危害没有受到正确认识。

1972年6月12日,美航96航班从底特律起飞,装货员在货舱里塞满了货,后货舱门难以关严实,用了好大力气才勉强关好,指示灯表明闭锁正常。但飞机起飞后,后货舱门的闭锁在3580米空中脱开,舱门打开,造成货舱里爆炸性减压。机舱地板的强度很高,但在设计时只需要考虑地板上的重量,并不需要考虑货舱减压后的压力。美航96后货舱门在空中打开后,压力差使得门附近的机舱地板坍塌,损坏飞控线缆,导致失控。飞行员冷静沉着,用左右发动机的差动动力和残存的尾翼维持最起码的控制,最后迫降成功,所有67名旅客加机组逃生成功。

事故后,FAA与麦道达成君子协议,没有吊销适航证,各航空公司自愿改装,麦道在新飞机上也改装。但1974年3月4日,土耳其航空981航班发生几乎相同的事故,从巴黎起飞后货舱门自行打开,爆炸性减压后飞机失控,机上所有346人丧生。

麦道的另一个设计捷径也造成灾难性事故。1979年5月25日,美航191航班在从芝加哥起飞后,左发挂架断裂,发动机短舱在推力作用下翻转到翼上,在撕裂机翼结构时损坏了左侧液压管路,本来伸展出来的前缘襟翼失去液压,在气流冲压下退缩回去,造成左机翼失速,飞机迅速向左翻滚,失控坠毁,机上271人全部丧生,另加地面2人遇难。

这次事故后,FAA在1979年6月6日吊销DC-10的型号适航证,DC-10全面停飞。5星期后,麦道的补丁到位,FAA解禁。但美航191失事突出了DC-10的另一个设计缺陷:控制面在液压作用下伸展后,没有机械锁定,一旦失去液压,会自动回位,这是很危险的。

事故调查中也发现,美航地勤自说自话修改维修手册,没有按照麦道要求先拆卸发动机,再拆卸挂架,而是连发动机带挂架一起拆卸,而且用叉车节约时间,但在粗暴操作中意外损坏了挂架。

液压控制的另一个大问题在联航232航班事件里暴露了出来。1989年7月19日,联航232航班从衣阿华州苏城起飞,尾发涡轮盘碎裂,打坏尾发下方过路的三重飞控管线。飞行员再次用差动动力迫降成功,296人中185幸存,111人丧生。

DC-10没有线缆备份,因为在设计时认为不可能发生三重故障,况且没有液压助力的话,纯靠拉索和滑轮的线缆也拉不动那么大的控制面。但尾发爆炸恰恰造成单点故障,一举切断三重控制管线。事后,麦道对尾发下的三重液压进行了加固,但其它部位依然可能一枪三鸟。2002年时一架货机轮胎爆炸,切断了一号、二号液压回路,三号回路挤压变形,但还好坚持住了,否则又是机毁人亡。

麦道后来对DC-10的系统全面重新设计,把安全性提高到当时先进水平,这就是MD-11。民航客机不仅是高科技领域,也是高度重视信誉和名声的领域。人们对民航客机的可靠性的期望与高楼大厦一样,高楼大厦不会无缘无故地倒塌,民航客机也不会无缘无故地掉下来。但DC-10接二连三地掉下来了。麦道最终还是没有从DC-10的阴影里走出来,加上军机方面接连在A-12、ATF和JSF项目上败北,最后只好自卖自身,如今成为波音的一部分。

波音会重蹈麦道覆辙吗?现在下断论还太早,只剩空客一家独大的民航世界也会出问题,但接连坠机对波音的长远发展没有影响是不可能的。空客A380是一个巨大的商业失败,本来波音777-X正好乘虚而入,在NSA/NMA上再趁热打铁的话,可以一举压住空客很多年。但波音737-MAX8的灾难可能极大地占用波音的内部资源和消耗外部信用,777-X的下线仪式已经取消了,NSA/NMA所需的启动资金也可能被各种追索和赔偿耗散。波音的噩梦还要持续很长时间。

晨枫:波音737是如何铸成大错的?

加强机队多样性对于航空公司来说是很有必要的,这个鲜血换来的教训将给未来的世界民航机市场带来更多的机会

这对航空公司也是一个教训。机型高度集中有很多好处:简化培训和机务保障,便于在单机故障时无缝调动填补。但这也对机型停飞高度敏感。在商业运作上很成功的美国西南(Souhwestern)与加拿大西捷(WestJet)都是全737机队(西捷刚开始尝试767、787等更大的机型),尽管不是全MAX。停飞就等于停摆,打击是灾难性的,多样化或许才是生存之道。

如果说狮航610空难是一场飓风的话,埃航302空难就是海啸了。波音如何挺过去是一个大问号,FAA如果过关更是看点。在中国之后,新加坡、澳大利亚、巴西、印度相继下令波音737-MAX8停飞、禁入空域,连英国和欧盟也下令了。在主要国家中,只有美国和加拿大还在硬挺。加拿大方面,运输部大概还在看美国颜色,但加航已经被迫取消多个飞往欧洲的波音737-MAX8航班,因为对方禁飞了。加航乘务员工会也在要求加航同意乘务员有权拒绝飞波音737-MAX8。美国朝野也在发出不同声音,国会在质疑为什么FAA还不停飞。FAA还能挺多久,人们拭目以待。

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