波音737-8事故簡析

■ 馮建文 孫黎 劉金龍/中國航發(fā)研究院

初步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致波音737-8飛機(jī)在相隔不到半年的時間發(fā)生兩起機(jī)毀人亡事故的原因是737-8機(jī)載飛行控制程序——機(jī)動特性增強(qiáng)系統(tǒng)（MCAS）的設(shè)計缺陷。

埃塞俄比亞航空公司的一架波音737-8客機(jī)（航班號ET302）于2019年3月10日在起飛后不久發(fā)生墜毀，機(jī)上149名乘客和8名機(jī)組人員全部罹難（見圖1）。事故一出，全球震驚。2018年10月29日，印度尼西亞獅航的一架737-8客機(jī)（航班號JT610）同樣是在起飛階段墜毀。在不到半年的時間，新交付的737-8連續(xù)發(fā)生兩起驚人相似的空難將波音推向了風(fēng)口浪尖，并引發(fā)了全球范圍內(nèi)波音737 MAX系列飛機(jī)的停飛。

ET302與JT610事故非常相似，失事時飛機(jī)均為不可控的急速俯沖墜地。初步調(diào)查將導(dǎo)致事故發(fā)生的元兇指向了波音737 MAX系列飛機(jī)中新引入的一個飛行控制程序——機(jī)動特性增強(qiáng)系統(tǒng)（MCAS）。

若要探尋737-8發(fā)生空難事故的起因，需要從波音737飛機(jī)的出身談起。

圖1 埃航737-8客機(jī)墜機(jī)現(xiàn)場和“黑匣子”

歷久彌新

737是波音公司開發(fā)的一款中短程、雙發(fā)窄體噴氣式客機(jī)，也是民航史上最暢銷的一款機(jī)型。自1967年首飛至今，波音公司制造并交付了1萬余架波音737系列飛機(jī)。

隨著航空發(fā)動機(jī)以及機(jī)載設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步，波音在繼承737機(jī)體結(jié)構(gòu)的前提下對其不斷進(jìn)行升級換代。

波音737的發(fā)展共分為四代：第一代波音737，包括737-100/200（737OG），配裝的是普惠JT8D小涵道比發(fā)動機(jī)；第二代波音737，也稱為經(jīng)典型737(737 CL)，包括737-300/400/500，配裝的是CFM國際公司的CFM56-3型大涵道比發(fā)動機(jī)，并升級了航電系統(tǒng)；第三代波音737，也稱為新一代波音737(737 NG)，包括737-600/700/800/900，增大了機(jī)翼面積及翼展，配裝的是CFM56-7發(fā)動機(jī)；第四代波音737，即737 MAX，包括737-7/8/9/10等型號，配裝的是CFM國際公司的LEAP-1B發(fā)動機(jī)，首架波音737-8于2017年5月22日交付客戶。

表1 波音737系列飛機(jī)主要取證參數(shù)

表1是波音737系列飛機(jī)的主要取證參數(shù)對比，從表中可見，第四代波音737使用的LEAP-1B發(fā)動機(jī)的推力基本達(dá)到了第一代波音737飛機(jī)使用的JT8D發(fā)動機(jī)的兩倍。

高性能的發(fā)動機(jī)使得737的最大起飛重量及航程大大增加，極大地提高了飛機(jī)的運載能力。

在發(fā)動機(jī)推力一定的情況下，通過大尺寸的風(fēng)扇將更多的空氣以較低速度

成長的煩惱

排出，要比通過核心機(jī)將較少空氣以較高速度排出的推進(jìn)效率更高。因為前者排出氣體的動能較低，發(fā)動機(jī)損失較少。基于上述原因，為了提高推進(jìn)效率，民用渦扇發(fā)動機(jī)的涵道比越來越大，JT8D、CFM56-3、CFM56-7、LEAP-1B的涵道比分別為1.0、5.0、5～5.5、9，相應(yīng)地這4種發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇直徑也越來越大，發(fā)動機(jī)外廓高度分別為1358mm、1817mm、1829mm及2256mm。

現(xiàn)代客機(jī)的發(fā)動機(jī)一般采用翼下吊掛的安裝方式，以懸臂梁的方式由機(jī)翼翼盒向前延伸將發(fā)動機(jī)“挑”起來，發(fā)動機(jī)位于機(jī)翼的前下方，如圖2所示。

這種發(fā)動機(jī)布局的優(yōu)點包括：發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口的氣流較為干凈，沒有受到機(jī)翼干擾；機(jī)翼升力大部分由上翼面產(chǎn)生，因而翼下吊掛的發(fā)動機(jī)對上翼面流場的影響較小；發(fā)動機(jī)如果發(fā)生非包容性事故，碎片不會打傷機(jī)翼引發(fā)更大災(zāi)難；發(fā)動機(jī)推力與重力對機(jī)翼產(chǎn)生的扭矩能互相抵消一部分。

發(fā)動機(jī)翼吊布局要求機(jī)翼下方有足夠的凈空。雖然是一款成功的客機(jī)，但是波音737也存在一個較大的缺陷——起落架過短，給翼下吊掛大直徑的渦扇發(fā)動機(jī)帶來了諸多限制。波音在20世紀(jì)60年代初開始設(shè)計波音737，那時基本是渦噴發(fā)動機(jī)的天下。波音737的起落架針對渦噴發(fā)動機(jī)所設(shè)計的高度是足夠的。當(dāng)涵道比更大的渦扇發(fā)動機(jī)問世后，波音737起落架短的問題就凸顯出來了。

圖2 吊掛典型結(jié)構(gòu)形式

通過加大起落架高度以吊掛尺寸更大的發(fā)動機(jī)的想法并不可行。主起落架在飛機(jī)起飛后要向內(nèi)側(cè)收入到機(jī)體的主起落架艙內(nèi)，所以起落架的高度還受限于起落架在機(jī)翼上的安裝位置以及起落架艙空間的大小。而主起落架在翼盒上的安裝位置，以及主起落架艙所在的機(jī)體龍骨梁區(qū)域分別是機(jī)翼和機(jī)體受力最大的區(qū)域。對這兩處結(jié)構(gòu)修改帶來的工作量不亞于重新設(shè)計一款飛機(jī)。

波音737兩組主起落架間軸距為5.23m或5.72m，而設(shè)計于20世紀(jì)80年代的空客公司A320飛機(jī)的主起落架軸距則達(dá)到了7.59m。就此而言，A320對大尺寸發(fā)動機(jī)的適配性優(yōu)于波音737。

換裝CFM56

第二代波音737-300于1984年首飛，但是波音早在20世紀(jì)70年代就開始研究為737換裝大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的方案，為此進(jìn)行了大量的風(fēng)洞試驗以及由波音707搭載CFM56-2發(fā)動機(jī)進(jìn)行飛行試驗。

由于加高起落架的方案不可行，波音公司的換發(fā)方案主要包括修改吊掛位置和減小短艙高度兩項措施，如圖 3所示。

將CFM56-3發(fā)動機(jī)安裝位置向前移動約1930mm，發(fā)動機(jī)短艙最大橫截面置于機(jī)翼前方，并提高吊掛位置，使波音737-300發(fā)動機(jī)最上端幾乎與機(jī)翼上翼面平齊。波音對吊掛的氣動外形、發(fā)動機(jī)排氣與機(jī)翼及襟翼滑軌流場相互作用、發(fā)動機(jī)-吊掛-機(jī)翼的共振等進(jìn)行了研究試驗，確保了方案可行。為了抵消發(fā)動機(jī)前移給機(jī)翼帶來的下俯力矩，波音737-300中后機(jī)身額外加長了153mm，從而使機(jī)身重量對機(jī)翼產(chǎn)生附加上仰力矩。

波音737換裝CFM56-3時，采用了把短艙“拍扁”的方法。所謂的“拍扁”是把原本安裝在發(fā)動機(jī)豎直中軸線的附件傳動裝置移到發(fā)動機(jī)兩側(cè)，從而減小了短艙高度。修改后的短艙橫截面上半部分為近圓形，下半部分為近橢圓形。短艙下半部分的曲率半徑較大，波音在風(fēng)洞試驗中發(fā)現(xiàn)，這樣的進(jìn)氣口構(gòu)型有助于提高進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)。

第一代與第二代、第三代波音737的吊掛及短艙相比，在視覺上有明顯差異，如圖4所示。同時，波音737還更換了直徑更大的前輪，使得前起落架抬高了137mm，為短艙提供了額外的離地凈空。為了通過飛機(jī)濺水試驗，避免前起落架拍打的跑道積水涌入直徑較大的CFM56發(fā)動機(jī)中，波音737的前起落架安裝位置也做了調(diào)整，使其濺起的水花貼著發(fā)動機(jī)內(nèi)側(cè)飛過而不致于讓發(fā)動機(jī)吞水。為了配合發(fā)動機(jī)的更換，波音737機(jī)翼的縫翼、襟翼以及舵面都做了修改。

換裝LEAP

為了應(yīng)對白熱化的市場競爭，空客與波音分別于2010年和2011年推出了A320neo系列和737 MAX系列飛機(jī)。二者都是在成熟機(jī)型基礎(chǔ)上換裝新型發(fā)動機(jī)。CFM國際公司的LEAP發(fā)動機(jī)是737 MAX的唯一動力和A320neo的可選動力。LEAP發(fā)動機(jī)針對A320neo和737 MAX的子型號分別是LEAP-1A和LEAP-1B。

LEAP-1A和LEAP-1B的核心機(jī)基本一致，但低壓系統(tǒng)的設(shè)計則有所不同，其對比如表2所示。A320的空間足夠，因此LEAP-1A風(fēng)扇直徑較大（198cm），涵道比達(dá)到了11。受限于737的安裝空間，LEAP-1B的風(fēng)扇直徑稍小（176cm），涵道比只有9，驅(qū)動風(fēng)扇的低壓渦輪的級數(shù)也從7級降為5級。作為補(bǔ)償，LEAP-1B轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，特別是低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速明顯高于LEAP-1A，從而實現(xiàn)了和LEAP-1A相當(dāng)?shù)耐屏λ健?/p>

圖4 波音737吊掛-短艙

LEAP-1B的一些關(guān)鍵參數(shù)是在波音參與的情況下確定的。不難推測，LEAP-1B的尺寸、轉(zhuǎn)速的選擇背后是波音公司大量的分析權(quán)衡。LEAP-1B在尺寸受限的情況下仍能獲得優(yōu)秀的性能，充分體現(xiàn)了波音公司強(qiáng)大的系統(tǒng)集成能力。

然而，發(fā)動機(jī)安裝的問題還是沒有完全解決，LEAP-1B的高度依然比上一代的CFM56-7高出42.7cm。波音把LEAP-1B的吊掛點向前、向上移動，最終保證了短艙與地面凈空達(dá)到43cm，避免了吸入跑道異物的風(fēng)險，同時保證了前起落架垮塌時發(fā)動機(jī)不會觸碰到地面，如圖5所示。

表2 LEAP-1A與LEAP-1B對比

圖5 737 MAX短艙安裝調(diào)整示意

圖6 737 MAX 與737 NG 對比（正視圖）

從737 MAX和737 NG正視圖的對比可以看到LEAP-1B發(fā)動機(jī)的吊掛點有明顯的提升，如圖6所示。

對于機(jī)身更長的737-10，為了避免起飛時機(jī)尾擦地，波音公司采用了可伸縮式起落架，起落架在起飛過程中根據(jù)抬輪角度可最多升高241mm，如圖7所示。

縱觀四代波音737，發(fā)動機(jī)直徑增大得較多，而短艙離地凈空僅僅從51cm降到43cm，波音主要是通過降低吊掛高度和壓縮短艙高度實現(xiàn)的。

MCAS及故障

雖然通過種種“修形”手段成功安裝了LEAP-1B發(fā)動機(jī)，但737 MAX的短艙在大迎角飛行時會形成脫體渦流產(chǎn)生升力，由于LEAP-1B吊掛太過靠前，脫體渦流升力對機(jī)翼產(chǎn)生了較大的上仰力矩并有可能導(dǎo)致迎角進(jìn)一步增大，不利于飛行俯仰穩(wěn)定性。

圖7 波音737-10伸縮式起落架

圖8 迎角傳感器

為了增加飛行穩(wěn)定性，波音開發(fā)了MCAS對飛行俯仰進(jìn)行自動配平。MCAS在手動大迎角飛行、襟翼收起情況下自動啟動。

MCAS利用機(jī)頭的迎角傳感器（見圖8）讀取飛機(jī)迎角。波音737機(jī)頭兩側(cè)各有一組迎角傳感器，但是MCAS只使用其中一組傳感器的數(shù)據(jù)而沒有將兩組傳感器數(shù)據(jù)對比檢查，這為日后的空難埋下了禍根。

MCAS根據(jù)空速以及高度判斷迎角超過限度后即自動啟動。MCAS控制安定面以0.27（°）/s的速度向上偏轉(zhuǎn)以壓低機(jī)頭，如圖9所示，一次最多持續(xù)9.26s，使得安定面的偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到2.5°。執(zhí)行一次安定面調(diào)節(jié)后MCAS會暫停5s，之后會根據(jù)迎角傳感器數(shù)據(jù)判斷是否進(jìn)行下一次安定面調(diào)節(jié)。

前程未卜

印尼獅航JT610空難發(fā)生后，初步調(diào)查即懷疑事故原因為MCAS傳感器故障所致。美國聯(lián)邦航空局（FAA）發(fā)布了AD 2018-23-51適航指令，要求波音公司修改737 MAX飛行手冊并告知飛行員如何解決由傳感器錯誤導(dǎo)致錯誤的自動配平問題。FAA還指出，此適航指令只是過渡性措施，并非最終解決方案。波音在2018年11月6日以服務(wù)通告的形式公布了飛機(jī)在傳感器讀數(shù)錯誤引起不受控自動配平情況下手動切斷平尾自動配平裝置電路的方式。然而在2019年3月10日，又發(fā)生了埃塞俄比亞航空的ET302航班空難。

ET302航班空難發(fā)生后立即引發(fā)了全球范圍內(nèi)關(guān)于波音737 MAX的停飛潮。3月11日，中國民航局（CAAC）以民航明傳電報的形式發(fā)布了《關(guān)于暫停波音737-8飛機(jī)商業(yè)運行的通知》，要求國內(nèi)運輸航空公司于2019年3月11日18時前暫停波音737-8飛機(jī)的商業(yè)運行。緊接著，印尼、新加坡、澳大利亞、馬來西亞、阿曼、英國、歐盟等國家和地區(qū)先后發(fā)布了波音737 MAX的禁飛令。3月13日，美國政府及FAA對737 MAX也下達(dá)了停飛令。3月19日，美國交通部以及國會展開了關(guān)于FAA對737 MAX系列飛機(jī)適航審定過程的調(diào)查。3月27日，波音在西雅圖公布了MCAS的改進(jìn)計劃，主要包括軟件改進(jìn)、駕駛艙顯示以及飛行員培訓(xùn)等三方面內(nèi)容。

圖9 737 MAX 的MCAS

升級后的MCAS將提供多重容錯保護(hù)，飛控系統(tǒng)將對比兩套迎角傳感器的數(shù)值，如果兩側(cè)傳感器數(shù)值差達(dá)到5.5° 及以上時，MCAS將不啟動并在顯示器上提醒飛行員。MCAS在每個大迎角事件下激活時只提供一次輸入而不會反復(fù)介入。飛行員通過駕駛桿操作飛機(jī)時，飛行員的指令能夠覆蓋MCAS的命令。

波音表示將加強(qiáng)對飛行員關(guān)于MCAS的培訓(xùn)，包括模擬器培訓(xùn)以及手冊培訓(xùn)，升級配平非正常檢查單以及快速參考手冊。

4月4日，埃塞俄比亞交通部發(fā)布了ET302事故初步調(diào)查報告。對飛行數(shù)據(jù)記錄儀數(shù)據(jù)解讀發(fā)現(xiàn)，ET302起飛后不久兩側(cè)迎角傳感器讀數(shù)即產(chǎn)生了較大偏差，其中左側(cè)迎角傳感器讀數(shù)達(dá)到了74.5°而右側(cè)迎角傳感器讀數(shù)為15.3°。飛行數(shù)據(jù)記錄儀記錄到非飛行員輸入的4次自動的飛機(jī)機(jī)頭向下配平指令及相應(yīng)的3次水平安定面調(diào)整。飛行員按照波音所提供的方法切斷了平尾自動配平裝置電路，并使用手動配平，但沒能將飛機(jī)從俯沖狀態(tài)改出。同一天，波音發(fā)表聲明，承認(rèn)MCAS在兩次空難事故中均由于錯誤的迎角輸入而啟動。

結(jié)束語

截至4月上旬，ET302與JT610的官方調(diào)查最終報告還未發(fā)布，波音737 MAX尚未復(fù)飛。但是，這兩件空難事故給人留下了很多思考。以下僅代表筆者個人觀點。

飛行安全涉及飛行器的設(shè)計、制造、維護(hù)及人員培訓(xùn)等方方面面，任何一方面都不允許有疏漏。波音737 MAX飛行手冊中MCAS的描述篇幅過短，MCAS系統(tǒng)失效情況下的應(yīng)急預(yù)案在飛行員培訓(xùn)時很容易被漏掉。

飛機(jī)、發(fā)動機(jī)都屬于復(fù)雜的巨系統(tǒng)，對某一個部件的修改往往會牽一發(fā)而動全身。對導(dǎo)致波音737-8失事的MCAS的分析還得追溯到737原始的總體結(jié)構(gòu)布局以及波音為了換發(fā)所做的種種努力。一架飛機(jī)、一臺發(fā)動機(jī)上百萬個設(shè)計參數(shù)的每一個參數(shù)都是精心雕琢出來的，每一個零件背后都有一部進(jìn)化史。型號設(shè)計水平依靠的是長期實踐，沒有彎道超車的捷徑。

飛行中到底是電腦更可靠還是人更可靠，這是一個航空界長期爭論的話題。波音升級版的MCAS將最終的決定權(quán)交給飛行員，重新回到波音倡導(dǎo)的“飛行員高于一切”的設(shè)計理念。但另一方面，依靠先進(jìn)的機(jī)載電腦設(shè)備避免飛行員誤操作，在危急時候拯救飛機(jī)的例子也屢見不鮮。這個爭論恐怕還要繼續(xù)下去。但是，有了先進(jìn)的自動駕駛設(shè)備絕不代表可以降低對飛行員素質(zhì)的要求。

737-8事故對波音這個百年老字號的打擊如此之大，也為國內(nèi)的航空制造業(yè)敲了一記警鐘。未來國產(chǎn)大飛機(jī)、發(fā)動機(jī)投入市場后任何嚴(yán)重的質(zhì)量問題、故障都有可能迫使型號停止發(fā)展。這是擺在航空制造業(yè)每一個位從業(yè)人員面前的一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

（馮建文，中國航發(fā)研究院，高級工程師，主要從事結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析工作）