B-2 关岛坠毁技术原因分析

亮剑1949 收藏 0 526
导读: 这段时间美国空军可谓流年不利,不管老的还是新的飞机都接二连三往下掉。F-15停飞酿成的轩然大波还没平息,08年2月23日就发生了B-2坠机事件。 对于一种号称当今世界最先进也最昂贵的战略轰炸机,其第一次坠毁无疑是极具震撼性的。当朋友告知笔者这一消息时,笔者第一个反应是:不会吧?20多亿美元就这么人间蒸发了!第二个反应是:君子报仇,十年不晚——虽然掉下来的不是当年那一架。第三个反应:怎么回事呢?对于这个全世界都想知道的答案,美国空军成立以弗洛伊德·卡彭特少将为首的调查组进行事故调查。经过7周调查和2


这段时间美国空军可谓流年不利,不管老的还是新的飞机都接二连三往下掉。F-15停飞酿成的轩然大波还没平息,08年2月23日就发生了B-2坠机事件。

对于一种号称当今世界最先进也最昂贵的战略轰炸机,其第一次坠毁无疑是极具震撼性的。当朋友告知笔者这一消息时,笔者第一个反应是:不会吧?20多亿美元就这么人间蒸发了!第二个反应是:君子报仇,十年不晚——虽然掉下来的不是当年那一架。第三个反应:怎么回事呢?对于这个全世界都想知道的答案,美国空军成立以弗洛伊德·卡彭特少将为首的调查组进行事故调查。经过7周调查和26次询问,调查组于6月6日公布初步调查结果。

根据初步调查报告,媒体公布的B-2失事原因是机务维护问题,由于在潮湿环境中维护不当引起飞控系统故障。这似乎给人一种错觉,B-2这种高科技轰炸机太娇贵,不能适应潮湿环境的部署。然而笔者认为,B-2坠机背后的事实恐怕并不象媒体报道的那么简单。

接下来,笔者将结合和朋友一起搜集信息、讨论推测的经历,谈谈我们眼中的B-2坠机事件。


信息一:

当地时间2月23日上午10时30分左右,2架B-2起飞执行训练任务。第二架离地后不久就失控坠毁,两名飞行员弹射逃生。据报道,一名飞行员曾报告有火警信号。

推测:

由于从离地到坠毁的时间很短,因此很可能是机上某个重要的子系统发生严重故障,以至于根本无法维持继续飞行的能力。在没有进一步信息的情况下,飞机上最重要的两个子系统——飞控系统和推进系统是重点怀疑对象。而对报道中提到的火警信号,笔者认为需要进一步的信息确认。原因是,火警信号虽然可能是发动机故障的佐证,但也很有可能只是火警探测器的误报——火警探测器这东西的虚警率比较高,往往被飞行员忽略(除非还有其它信息辅助确认),这在笔者行业中屡见不鲜。在得到更多信息证实之前,火情只能列入可能性较小的范畴。


信息二:

新的报道提及,飞机离地后很快急剧上仰,然后飞机失控向左滚转,左翼首先触地,紧接着全机撞毁。

推测:

如果仅仅从文字描述来看,失事飞机当时的姿态变化非常象是失速:急剧拉起导致飞机超过失速迎角——机翼失速——不对称的气流分离导致飞机失控左滚,并丧失高度直至撞地。依据这个信息,笔者和朋友比较一致的看法是:导致B-2坠毁的直接原因就是失速,而不是发动机故障。

接下来是引起飞机急剧上仰以至失速的原因。由于信息太少,笔者和朋友们充分发挥了天马行空的想象力,五花八门的原因和案例都被拿出来讨论。例如有朋友提出燃油泵故障引起燃油质量不平衡,导致飞机重心移动超出飞控系统的配平能力的可能性。但这种情况下飞机姿态一般是渐变而不会发生急剧变化,因此被笔者否决了。笔者当时的推测是飞控系统自身故障,至于故障原因则可能是维护过程中接头(例如飞控计算机航向/俯仰输入/输出接头)接错。推测的出发点是B-2这飞机起降时航向稳定性不足,一旦接头接错,在需要较大航向修正时就会导致飞机俯仰姿态的急剧变化。但这个可能性也被朋友毙了,理由是机务犯下如此低级错误的可能性不大,而且B-2的年代也有防差错设计了。

除了对引起飞机急剧上仰的原因推测混乱以外,笔者和朋友对造成这一原因的因素也存在分歧。朋友倾向于纯机械故障——毕竟B-2也是十多年的“老”飞机了,保不定哪个地方出点问题。笔者则倾向于机务维护问题——这还真要感谢笔者的教员,《人为因素》课给笔者的印象太深了——失事的B-2是经过远程转场飞抵关岛,然后再起飞训练,其间必然要经过维护,机务出错的可能性是存在的。

当然,在有进一步的信息之前,一切都还是猜测。


信息三:

失事B-2的起飞录像:以主轮离地为0秒。约2秒后,飞机仰角(不是迎角)就迅速拉到了30°左右,飞机开始带较小左坡度。4秒,基本改平。5秒,飞机仰角稍小。7秒,飞机高度开始降低,出现右坡度,7秒末左内侧升降副翼急剧上偏。11秒,飞机带左坡度,明显低头,右内侧升降副翼急剧上偏。13秒,右内侧升降副翼回中,左内侧升降副翼仍大幅下偏。14秒,飞机仍带左坡度,高度继续下降,已接近地面,右内侧升降副翼再次急剧上偏。14秒末,机头抬起,但飞机左坡度加大,似有偏航,高度开始增加。17秒,飞机保持左坡度小仰角姿态,左翼尖擦地,飞行员弹射。

推测:从录像上看,文字报道省略了一些细节,但导致飞机坠毁的原因还是失速。离地2秒内那个急剧拉起动作已经决定了结局。此后一直到14秒前的升降副翼频繁偏转,应该是飞控系统对大迎角状态下机翼气流不对称分离造成状态偏离的自动补偿。14秒末右内侧升降副翼的动作可以看作是挽救飞机的最后一次努力,目前不清楚是来自飞控系统还是飞行员的介入,但其实际结果是进一步恶化了飞机的状态——此前左内侧升降副翼就已经大角度下偏,但飞机姿态一直无改变,说明左翼后缘气流已经完全分离;而飞机抬头对右内侧升降副翼作出响应,显示右翼后缘气流仍未完全分离,因此还有舵效;但结果就是飞机迎角加大,左翼气流进一步分离,不但没有纠正左倾,反而加剧左倾——即所谓机翼自转——导致飞机最终坠毁。

据此推测,B-2失事的原因最有可能来自飞控系统,而非推进系统。而整个录像中也未观察到B-2外部有火情——看起来火警探测器似乎完成了其职业生涯中的最后一次虚警。

接下来的问题是,什么原因导致飞控系统误操作?然而这个问题的答案只能寄希望于官方报告。


信息四:

6月6日初步调查报告:2月23日,机务人员在没有环境控制措施的情况下对B-2作大气数据传感器校准,其中3个传感器(总共24个)由于受潮导致基准偏移。由于这3个传感器提供了错误的参数,导致向计算机提供的飞机速度数据严重错误。在实际空速130节时大气数据计算机(ADC)输出空速为140节,导致飞机提前离地,滑跑距离比平常缩短了1450英尺。而ADC还输出了错误的起飞迎角数据,导致飞控计算机(FCC)控制飞机急剧上仰30度。只有1.6g的较低加速度加上不当的迎角,最终导致飞机进入失速、偏航状态,直到左侧机翼撞上地面。

在此前的B-2部署当中,维护人员发现湿气可致飞机的传感器出现问题,除非对其采取特别手段,其中就包括在飞机发动机启动之前对空速管进行加热以便清除湿气。但美国空军事故调查人员发现,这项特别措施并没有在维护人员之间得到广泛的沟通和交流。失事B-2的机务人员正是在这种情况下对B-2作了传感器校准。

推测:

根据目前掌握的信息,B-2的大气数据系统包括6套套传感设备:2套阵风载荷抑制传感器,2套侧滑角传感器,以及2套迎角/静压传感器。虽然是3种不同功能的传感器,但实质都是利用静压探头阵列来测量静压并进行补偿计算,获得相关数据。对比报告中提到的24个传感器,笔者认为其实际上就是阵列中的静压孔。结合B-2的实际问题,校准出错的3个静压孔应该就是在迎角/静压传感器静压孔阵列中。因为空速的计算原理很简单,只要获得总压和(最难精确测量的)静压,其差值就是动压,进而求出即时速度。如果静压基准偏移,输出值偏小,其结果就是求得的速压偏大(速度偏大),也就是失事B-2所表现出来的问题。而这些静压孔还负责提供计算迎角的静压数据,静压数据错误必然导致迎角数据错误。

这里需要明确一个前提:是两路空速测量的静压输出都错误还是只有一路错误。笔者和朋友讨论后,认为最大的可能是两路都错。假如只有一路输出错误,那么ADC的运算逻辑应该可以根据其它辅助信息进行决策,选择正确参数并输出给FCC。否则一路参数错误就导致ADC输出错误,这个运算逻辑也太脆弱了,问题也不可能隐藏这么久才爆发出来。

在“两路空速测量的静压输出都错误”这样一个前提下,ADC的运算逻辑出现了问题:它没有作出空速测量错误的警告,而是采信了其中一路静压输出,并经过计算输出了实际错误的空速。正是这样一个信任基础导致了后来的错误:假如飞机空速正常,但垂直加速度却小于预期值,那就意味着飞机升力不足。而如果同时其它参数一切正常,只有迎角参数与计算值不一致,那就有可能是迎角传感器出现了问题。在这种逻辑下,ADC拒绝了来自迎角传感器的数据,输出一个根据计算得到的偏小的迎角数据。正是在这个数据的指引下,FCC发出调整俯仰角以增大迎角的指令。然而在这个阶段,拉机头以求增大迎角的动作并不会导致升力的明显变化,反而会导致飞机进一步减速。其结果就是速度进一步减小,计算得出的迎角也进一步减小,然后FCC继续输出拉机头的指令,直至失速。

结合报告和录像来看,这个逻辑关系非常明显:ADC输出错误空速,导致FCC提前发出抬头指令,飞机在130节(实际要求140节)离地。系统立刻监测到升力不足,然后在错误的空速基础上输出错误的迎角,造成FCC发出错误的抬头指令,结果B-2离地2秒内仰角急剧增大,决定最终结局。

笔者认为,这次事故的关键在于B-2的ADC在两路静压输入均错误的情况下,进行了错误的数据处理,并引发后续一系列FCC的错误指令。也就是说,ADC的处理软件存在一个隐藏的逻辑错误,刚好在这种条件下被触发。

对于以上推论,还有两个细节可以作为旁证。

一,同类事件。

在坠机前几周,另一架B-2在安德森基地起飞时发现飞行参数指示错误,飞行员在速度70节时中断起飞。这就意味着,当时飞行员已明确获知指示异常。对比此次坠机事故,飞行员根本是在对错误一无所知的情况下升空,当时的报道和现在的调查报告都未提及飞行员发现飞参异常的情况。

21架B-2中,坠毁的“堪萨斯幽灵”号不是第一架在潮湿环境中部署的,也不是第一架不加温就校准传感器的,但却是第一架因此而坠毁的,这一表现和软件系统逻辑错误的表现非常相似。

二,对传感器加热问题的处置。

从报道来看,2年前就发现潮湿会影响传感器,但2年来加热等处理措施却“并没有在维护人员之间得到广泛的沟通和交流”。

这是一个很让人惊讶的结果。如果在民航系统,对于防止空速管这类重要探测设备错误的保护性措施,很可能会上升到适航指令的高度,系统内的相关人员在对相关机型/部件进行操作时都需要首先检查该指令是否执行,而不会出现2年内没有得到“广泛的沟通和交流”的情况。

现在美国空军的这种情况,有两种可能:1,适航监察人员严重失职;2,适航部门评估后认为这种错误不会导致严重后果——例如测试结果可能显示ADC可以自动纠错,屏蔽错误输入。不排除第一种可能,但假如第二种可能也发生了,等于加重了“逻辑错误”推论的砝码。如前所述,某些逻辑错误只有在特定条件下触发,常规测试很难发现。

所以,笔者推论:这次事故的根本原因是ADC软件设计中的逻辑错误,由逻辑错误引发FCC错误指令输出是导致事故的直接原因,而机务人员在当地潮湿环境下对传感器的错误校准只是一个诱因——而不是象《Aviation week》那样将整个事件轻描淡写地归纳为一个“Forgotten Lesson”。

若推论成立,在没有重要战备任务的情况下,B-2可能会停飞较长时间——解决已经发现的逻辑错误并不困难,困难的是如何保证没有更多隐藏的逻辑错误。B-2未来会走向何方?我们很快就会知道了。

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