■ 馮建文 孫黎 劉金龍/中國(guó)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(shí)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(dòng)特性增強(qiáng)系統(tǒng)（MCAS）的設(shè)計(jì)缺陷。

埃塞俄比亞航空公司的一架波音737-8客機(jī)（航班號(hào)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(hào)JT610）同樣是在起飛階段墜毀。在不到半年的時(shí)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(shí)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(gè)飛行控制程序——機(jī)動(dòng)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(chǎng)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(dòng)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(duì)其不斷進(jìn)行升級(jí)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(dòng)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(guó)際公司的CFM56-3型大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)，并升級(jí)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(dòng)機(jī)；第四代波音737，即737 MAX，包括737-7/8/9/10等型號(hào)，配裝的是CFM國(guó)際公司的LEAP-1B發(fā)動(dòng)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(duì)比，從表中可見，第四代波音737使用的LEAP-1B發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的兩倍。

高性能的發(fā)動(dòng)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(yùn)載能力。

在發(fā)動(dòng)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(zhǎng)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?yàn)榍罢吲懦鰵怏w的動(dòng)能較低，發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的風(fēng)扇直徑也越來越大，發(fā)動(dòng)機(jī)外廓高度分別為1358mm、1817mm、1829mm及2256mm。

現(xiàn)代客機(jī)的發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)“挑”起來，發(fā)動(dòng)機(jī)位于機(jī)翼的前下方，如圖2所示。

這種發(fā)動(dòng)機(jī)布局的優(yōu)點(diǎn)包括：發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)對(duì)上翼面流場(chǎng)的影響較?。话l(fā)動(dòng)機(jī)如果發(fā)生非包容性事故，碎片不會(huì)打傷機(jī)翼引發(fā)更大災(zāi)難；發(fā)動(dòng)機(jī)推力與重力對(duì)機(jī)翼產(chǎn)生的扭矩能互相抵消一部分。

發(fā)動(dòng)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(gè)較大的缺陷——起落架過短，給翼下吊掛大直徑的渦扇發(fā)動(dòng)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(jì)波音737，那時(shí)基本是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的天下。波音737的起落架針對(duì)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)所設(shè)計(jì)的高度是足夠的。當(dāng)涵道比更大的渦扇發(fā)動(dòng)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(dòng)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(duì)這兩處結(jié)構(gòu)修改帶來的工作量不亞于重新設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)大尺寸發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的方案，為此進(jìn)行了大量的風(fēng)洞試驗(yàn)以及由波音707搭載CFM56-2發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行飛行試驗(yàn)。

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(xiàng)措施，如圖 3所示。

將CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置向前移動(dòng)約1930mm，發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)最上端幾乎與機(jī)翼上翼面平齊。波音對(duì)吊掛的氣動(dòng)外形、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣與機(jī)翼及襟翼滑軌流場(chǎng)相互作用、發(fā)動(dòng)機(jī)-吊掛-機(jī)翼的共振等進(jìn)行了研究試驗(yàn)，確保了方案可行。為了抵消發(fā)動(dòng)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(zhǎng)了153mm，從而使機(jī)身重量對(duì)機(jī)翼產(chǎn)生附加上仰力矩。

波音737換裝CFM56-3時(shí)，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(dòng)機(jī)豎直中軸線的附件傳動(dòng)裝置移到發(fā)動(dòng)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(yàn)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(shí)，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(yàn)，避免前起落架拍打的跑道積水涌入直徑較大的CFM56發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)內(nèi)側(cè)飛過而不致于讓發(fā)動(dòng)機(jī)吞水。為了配合發(fā)動(dòng)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(duì)白熱化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，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(dòng)機(jī)。CFM國(guó)際公司的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)是737 MAX的唯一動(dòng)力和A320neo的可選動(dòng)力。LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)針對(duì)A320neo和737 MAX的子型號(hào)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(jì)則有所不同，其對(duì)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?。?76cm），涵道比只有9，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的低壓渦輪的級(jí)數(shù)也從7級(jí)降為5級(jí)。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(shí)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(cè)，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(dòng)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(diǎn)向前、向上移動(dòng)，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(xiǎn)，同時(shí)保證了前起落架垮塌時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)觸碰到地面，如圖5所示。

表2 LEAP-1A與LEAP-1B對(duì)比

圖5 737 MAX短艙安裝調(diào)整示意

圖6 737 MAX 與737 NG 對(duì)比（正視圖）

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

對(duì)于機(jī)身更長(zhǎng)的737-10，為了避免起飛時(shí)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(dòng)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(shí)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(dòng)機(jī)，但737 MAX的短艙在大迎角飛行時(shí)會(huì)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(duì)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(duì)飛行俯仰進(jìn)行自動(dòng)配平。MCAS在手動(dòng)大迎角飛行、襟翼收起情況下自動(dòng)啟動(dòng)。

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(duì)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(dòng)啟動(dòng)。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(huì)暫停5s，之后會(huì)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?yàn)镸CAS傳感器故障所致。美國(guó)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(cè)并告知飛行員如何解決由傳感器錯(cuò)誤導(dǎo)致錯(cuò)誤的自動(dòng)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(cuò)誤引起不受控自動(dòng)配平情況下手動(dòng)切斷平尾自動(dòng)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(guó)民航局（CAAC）以民航明傳電報(bào)的形式發(fā)布了《關(guān)于暫停波音737-8飛機(jī)商業(yè)運(yùn)行的通知》，要求國(guó)內(nèi)運(yùn)輸航空公司于2019年3月11日18時(shí)前暫停波音737-8飛機(jī)的商業(yè)運(yùn)行。緊接著，印尼、新加坡、澳大利亞、馬來西亞、阿曼、英國(guó)、歐盟等國(guó)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(guó)政府及FAA對(duì)737 MAX也下達(dá)了停飛令。3月19日，美國(guó)交通部以及國(guó)會(huì)展開了關(guān)于FAA對(duì)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(jì)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(jí)后的MCAS將提供多重容錯(cuò)保護(hù)，飛控系統(tǒng)將對(duì)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(shí)，MCAS將不啟動(dòng)并在顯示器上提醒飛行員。MCAS在每個(gè)大迎角事件下激活時(shí)只提供一次輸入而不會(huì)反復(fù)介入。飛行員通過駕駛桿操作飛機(jī)時(shí)，飛行員的指令能夠覆蓋MCAS的命令。

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

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(bào)告。對(duì)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(dòng)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(dòng)配平裝置電路，并使用手動(dòng)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(cuò)誤的迎角輸入而啟動(dòng)。

結(jié)束語(yǔ)

截至4月上旬，ET302與JT610的官方調(diào)查最終報(bào)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(gè)人觀點(diǎn)。

飛行安全涉及飛行器的設(shè)計(jì)、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(cè)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(shí)很容易被漏掉。

飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)都屬于復(fù)雜的巨系統(tǒng)，對(duì)某一個(gè)部件的修改往往會(huì)牽一發(fā)而動(dòng)全身。對(duì)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上百萬個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的每一個(gè)參數(shù)都是精心雕琢出來的，每一個(gè)零件背后都有一部進(jìn)化史。型號(hào)設(shè)計(jì)水平依靠的是長(zhǎng)期實(shí)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(gè)航空界長(zhǎng)期爭(zhēng)論的話題。波音升級(jí)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(jì)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(shí)候拯救飛機(jī)的例子也屢見不鮮。這個(gè)爭(zhēng)論恐怕還要繼續(xù)下去。但是，有了先進(jìn)的自動(dòng)駕駛設(shè)備絕不代表可以降低對(duì)飛行員素質(zhì)的要求。

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

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