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舊 2019-04-08, 03:47 PM   #1
lelo
滑雪瘋8級
 
註冊日期: 2008-10-08
文章: 4,825
預設 737 MAX 有設計上的基本缺陷 請盡量避免搭乘

文很長,博士寫的,如果看不懂的話!

簡單講就是 737 MAX 是上世紀 60 年代的設計,為了迎戰歐洲空中巴士,直接打補釘趕鴨子上架,有設計上的基本缺陷。

以川普唯利是圖的風格,一定會讓 737 MAX 盡快復航。這麼短的時間,當然不可能重新設計整架飛機,照例是打補釘上陣。

補釘機再摔一架可能是必然命運,小民能做的,就是盡量避免搭乘!

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王孟源:波音737MAX的缺陷是低級的,是內部組織文化腐敗的結果

2019-04-07 10:10:47

https://www.guancha.cn/wangmengyuan/...7_496635.shtml


【文/觀察者網專欄作者王孟源】

4月4日,埃塞航空ET302航班空難首份官方調查報告公佈,隨後,波音CEO丹尼斯·米倫伯格(Dennis Muilenburg)就兩起波音737 MAX 8型飛機墜機事故,首次向公眾承認是新的自動飛行控制系統(MCAS)導致了這兩起近350人死亡的空難。



此前觀察者網已發布多篇文章,詳細解釋了MCAS的邏輯不合理,簡單來說,在單個攻角傳感器測量有誤時,MCAS就專斷獨行,不論駕駛員如何處置,仍然堅持低頭向下紮。

這樣低級的錯誤,固然十分離譜,但它背後還是有一些複雜的歷史因素。

事件的起源在2010年12月,那時空客宣布了下一代A320Neo將採用LEAP發動機,從而大幅改善燃油效率,這立刻把波音逼入墻角。燃油是航空公司的主要花費之一,原本波音還在考慮開發一型全新的客機來取代737,但是A320Neo在2014年就要交貨,重新開發新機型顯然會讓空客獨霸單通道主線客機這個重要的利基很多年。一旦波音的傳統客戶跳槽,因為駕駛員人機界面和維修系統的慣性,就會連帶把利潤更高的雙通道主線客機生意也帶走,這將成為徹徹底底的商業災難。

於是波音不得不緊急啟動737Max的升級計劃,硬是在2017年就開始交貨,只比A320Neon晚了3年,而且還必須和空客一樣,不要求駕駛員做昂貴費時的新訓練。

為了趕工,波音安排讓FAA(Federal Aviation Administration,聯邦航空管理局)將認證的工作交由自己代為處理。這種官商水乳交融的“自我治理”(Self-governance)是1980年代Reagan政權起就特別強調的政治原理,其目的是在不公開直接解除政府監管表象的前提下,仍然在實際上給予財團遠遠更大的自由,而其主要手段則是一方面鼓勵公務員與財團高管之間的旋轉門,另一方面是削減預算,使得即使有心辦事的官員也沒有人力財力來執行任務。這個趨勢,在共和黨執政期間特別明顯,經歷裡根、小布什和特朗普三任挖牆腳的不懈努力,美國在20世紀前70年所建立的廉潔高效官僚體制早已名存實亡。

然而在技術上,737源自60年代的原始設計過於古老,其實無法與80年代設計的空客A320平等競爭,於是犧牲基本的安全性成了必然的結果。這其中最重要的技術問題有兩項:首先(第二項是飛控,見下文),737的機翼很低,但是過去50多年來,每一代新渦扇發動機都增高了涵道比( Bypass Ratio)以追求更大的推力和更高的燃油效率,所以也就越來越粗胖。從上一代的737NG開始,機翼下已經沒有足夠的空間來吊掛發動機,於是一方面要求發動機製造商強行削平下緣,另一方面將發動機艙(Engine Nacelle)向前上方挪移。737Max為了使用更大的LEAP發動機,更是必須超越原始設計的安全極限,埋下了後來事故的伏筆。

這個問題牽涉到比較精微的空氣動力學,所以我在此詳細討論一下。很多新聞報導基於波音自己發表的一篇簡介,說737Max採用MCAS是為了補償發動機前移所造成的額外上揚力矩,這也成為很多網絡評論的基礎;但是專業知識相對比較強的作者,例如服務於航空業的張仲麟和有工程背景的晨楓,都指出把發動機向前上方移動,其實應該使推力軸線更接近阻力中心,所以照理說是會減低而不是增加上揚力矩。那麼波音為什麼那麼說呢?

其實波音那個簡介的基本敘述是正確的,只不過沒有把細節說清楚罷了(可能是故意不說清楚,參見下文)。這裡的額外上揚力矩並不發生於平飛的時候,也不直接來自發動機本身的推力,而是非線性空氣動力學的後果。發動機艙為了減低阻力、增加空氣流量,外環的剖面形狀其實很像機翼,只不過必須捲成圓形。所以飛行的時候,發動機艙外環也產生“升力”,但它不是全部向上,而是與外環面垂直向內,於是在平飛狀態下,這些升力互相抵消,沒有實際影響。

但是在爬升階段,飛機處於大迎角(Angle of Attack,又譯為攻角)狀態,這時氣流主要作用於發動機艙外環的下緣,總升力就是向上了。這個升力因為有發動機抽取氣流的影響,額外強大。同樣的效應使得把發動機緊靠在機翼上緣成為增升的極端手段之一,例如強調短距起降性能的Antonov An-72。而發動機艙外環產生意外升力以至飛行器研發失敗,也早有前例,對歷史有興趣的讀者可以搜索Hiller VZ-1 Pawnee。



VZ-1 Pawnee是Hiller Aircraft為美國陸軍設計研究的單兵飛行平台,1955年首飛。原本設計師希望由乘員傾斜身體來改變飛行方向,結果實驗發現發動機艙外環的升力效應太強,稍有傾斜,那個方向的升力就大幅增加,把平台又推回平穩懸停狀態。一個無法控制如何前進後退的飛行平台,當然是沒有用處的,所以這個計劃就被放棄了。

737Max的新LEAP發動機前移之後,這個來自發動機艙外環下緣的氣動升力就會產生上揚力矩。LEAP的外環粗大、進氣量高,都使得力矩更強。更糟糕的是這個力矩隨迎角增加而有非線性的快速增大,所以一旦它開始讓飛機上揚,就會有失控性的不穩定(Runaway Instability)。換句話說,737Max在俯仰軸向(Pitch)沒有完全的靜穩定性(Static Stability)。

靜不穩定性是自F16之後,現代高性能戰機的特性之一。它使得飛機極為靈活,但是因為飛機在極短時間就可能失控,駕駛員無論如何不可能用手控來維持安全飛行,所以靜不穩定性設計的前提是電傳飛控,也就是計算機全自動控制,在不穩定性隨機發生的幾毫秒內就自行主動更正。然而737不像空客A320,並沒有電傳飛控,仍然用的是機械液壓;這也就是前面提到的,737的原始設計過於古老,最重要技術問題中的第二項。

但是波音公司的商業前途,在此一舉,工程師再怎麼不舒服,也只能蠻乾硬上,靠打補丁來彌補,MCAS就是強加在機械液壓飛控之上的一個電傳補丁。它並不是為了預防像法航447號空難那樣在巡航過程中因為副駕駛腦子抽風、拼命拉桿、人為導致失速,而是彌補飛行包線邊緣的一個靜不穩定區間的必要程序,所以它被設計成在起飛階段特別敏感(我的猜測),而且優先級別高過駕駛員。如果我們理解它其實被波音工程師視為簡易版的電傳飛控而不僅僅是一個安全警告裝置,就能明白為什麼駕駛員不能否決它的決定,這是因為所有電傳飛控系統原本就都有最終決定權。



那麼波音工程師實際上所犯的錯誤,就只有一點,亦即允許迎角探測器成為單點故障來源(Single Point of Failure)。但是靜不穩定性是一個很基本、很巨大的危險,如果一兩個迎角探測器有了誤讀,也不能簡單把MCAS關閉。真正的最佳解決方案,是重新設計機翼,但是波音沒有這個時間。次佳的解決辦法,是改用完整的電傳飛控,這還是需要太久。最起碼應該用到三個以上的迎角探測器,如此一來可以容許其中一個出毛病。但是波音似乎是到設計過程的末端才注意到靜不穩定性的問題,MCAS是緊急搞出來的解答,737原本只有兩個迎角探測器,要臨時再加一個已經來不及。兩個讀數如果不一致,MCAS也不可能確定哪一個才是正確的,那麼反而不如直接只取其中一個讀數,出錯的機率只有一半,這也就是既有的MCAS只採用兩個迎角探測器中的一個讀數來做決定的原因。

但是迎角探測器會出錯是必然的。實際做設計工作的波音工程師也必然了解這一點,而公司最高層卻似乎不明白這個設計決定在冒什麼險。這一般是組織的內部文化腐敗到某種程度之後,中高層管理人員欺上瞞下成了慣例,才會出這麽大的紕漏。波音在過去十幾年裡,為美國空軍設計新一代加油機的過程中,磕磕絆絆,一再犯下許多低級錯誤,完全沒有上個世紀的精幹形象,看來不是偶然的。

中國民航局這次率先停飛737Max,是有膽識的正確決定,也暴露了FAA袒護自家商人的內幕,但是737Max對波音的生意太過重要,即使真相逐步揭露,波音仍然必須盡快止損,恢復交機。而重新設計新機型、新機翼、或者新飛控依舊會拖延太久,只有修改MCAS的邏輯程序,頂多加上第三個迎角探測器,是可以在幾個月或一年內搞定的。所以波音現在的策略必然是謙卑地承認MCAS的缺陷,然後啟動所有的公關資源,把公眾的注意力集中到MCAS的改進上。

但是真正的問題重點,也就是737Max在空氣動力學上的靜不穩定性,在過去FAA認證的過程中,被波音瞞天過海了。對現在的波音來說,賠償、指責、調查都是小事,它最怕的是歐洲或中國的民航管理機構重新進行獨立、完整的認證過程,那麼一旦靜不穩定性被發現,新機翼和新飛控就無法推辭,這一拖延下來,少則七年、多則十年,波音在單通道幹線市場基本無法和A320競爭。

中國民航局似乎並沒有看透波音的底牌,對自身是否能夠或應該啟動對737Max的重新認證還有疑慮。我希望藉著這篇文章,提醒他們,為了全球乘客的安全,並且提供C919一個公平的競爭環境,對737Max重新認證是絕對正確的選擇。


王孟源
哈佛大學物理學博士

此篇文章於 2019-04-10 11:50 PM 被 lelo 編輯。
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