波音滑铁卢:波音737 MAX的机动特性增强系统之殇

波音滑铁卢:波音737 MAX的机动特性增强系统之殇

乔善勋/文

狮航610号航班是从印度尼西亚雅加达苏加诺-哈达国际机场飞往邦加槟港德帕蒂·阿米尔机场的定期航班。2018年10月29日的航班中,610号航班起飞12分钟后便坠毁在爪哇海中,事故共导致189人遇难,机上无人生还。

执飞610航班的客机为波音737 MAX 8,注册号为PK-LQP,该客机共飞行895小时21分钟和443个起降周期。波音737 MAX 8是波音737家族的第四代产品,主要特征外观特征是使用了双羽状“先进技术”翼梢小翼,737 MAX8还换装了更大、更加有燃油效率的CMF国际LEAP-1B型发动机。

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图2、737 MAX 的双羽状“先进技术”翼梢小翼

波音737 MAX 8更换发动机主要为了应对空客A320neo的市场竞争,波音工程师面临最大的挑战便是将LEAP-1B发动机集成到737 MAX 8的机身中,他们将起落架加高了0.2米,还将发动机相对机翼前缘的位置做了改动。工程师在研发737 MAX客机时发现,增大的发动机短舱会在大空速、大迎角时产生升力,这也带来更多不稳定性因素。

因此波音决定通过机动特性增强系统(MCAS)提升客机稳定和操控性,还能尽量减少737 MAX和737NG之间的操纵差异。MCAS可以在客机姿态接近迎角阈值时自动启动,使水平安定面以每秒0.27°偏转并持续9.3秒,最终偏转至2.5°位置。当机载计算机读取迎角数低于临界值时,MCAS自动复位,客机配平会返回MCAS激活前位置。不准确的迎角数每5秒激活一次MCAS,直至数据纠正或系统被禁用。然而正是这一系统成为610号航班空难的“阿喀琉斯之踵”。

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图3、737 MAX的小翼和LEAP-1B发动机

610号航班的机长为巴夫耶·苏尼加,31岁,他是一名印度人,累计6028飞行小时,其中波音737型5176小时。副驾驶是哈维诺,41岁,他累计5174飞行小时,其中波音737型5174小时。

印尼狮航是印度尼西亚一家民营低成本航空公司,也是东南亚第二大低成本航空公司。狮航总部位于雅加达,成立于1999年9月,最早通过湿租雅克-42型客机开始运营,后来机队规模得以快速扩张。目前狮航机队规模达117架,还握有247架订单。印尼狮航增速惊人,其还一度打破最大飞机订单记录,包括签署224亿美元购买234架空客A320型客机。狮航还是波音第二大客户,签下224亿美元大单,用以购买230架波音客机。

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图4、狮航610号航班航迹示意图

2018年10月29日,狮航610号航班共搭载了181名乘客和8名机组成员。副驾驶哈维诺进入驾驶舱后告诉苏尼加机长,他是替别的飞行员来执飞航班,凌晨4点钟才接到通知。苏尼加机长则告诉哈维诺自己感冒了,驾驶舱录音显示,苏尼加在起飞前一个小时咳嗽了15次。

6点20分,狮航610号航班从雅加达机场起飞。客机在抬轮2秒后便触发了抖杆器,这表示客机有失速的危险并可能坠毁。随后哈维诺报告苏尼加指示空速不一致和正上升率后,后者下达收轮指令。

610号航班在爬升时,飞行员无法找到正确的高度和空速值,他们只能寻求管制员的帮助。当时机长和副驾驶前的显示器呈现着不同的数值。

哈维诺说:“这架飞机发生了什么”,并询问苏尼加是否返航,他并未得到苏尼加回应。随后哈维诺向苏尼加报告高度不一致,他得到后者确认。哈维诺联系管制员后,得到爬升至2.7万英尺高度指令。

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图5、波音737的迎角传感器和安装位置

哈维诺从管制员获取了客机在雷达上的高度值为900英尺,而机长屏幕上的高度值为790英尺,他自己的显示为1040英尺。苏尼加要求哈维诺执行空速不可靠检查单。

6点22分,哈维诺开始收起客机襟翼。此时苏尼加的空速显示为238节,而哈维诺的空速显示则是251节。哈维诺向管制员申请爬升至5000英尺,得到后者许可,并向左转向050°。客机在转向时坡度瞬时超过35°,触发了近地警报系统。

客机在收起襟翼时,安定面自动低头配平被自动激活。客机下降率一度高达3570英尺/分钟,这一下就掉去约600英尺高度。联合飞行员协会飞行员兼发言人丹尼斯·塔杰尔事后称,飞机刚起飞就出现这种现象极不正常,也是不可接受的。

不久后近地警报系统提示客机“空速低”。管制员称客机在雷达上速度为322节,而机长侧显示为306节,副驾驶侧显示为318节。6点23分,机长侧抖杆器被激活,并且一直持续到客机坠毁才终止。

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图6、客机水平安定面示意图

苏尼加惊呼空速不可靠,哈维诺同样表示空速不可靠,后来更是称没有空速。不久后高度警报器被激活,哈维诺连呼“高度”。飞行员开始执行“空速不可靠”检查单,他们不知道是自己一直在和客机MACS做对抗。

6点30分,副驾驶联系上管制员,后者指挥他们转向,并准备在25L跑道降落。客机在飞行员和MACS对抗中发出了超速警报声,他们之间的拉锯战进行了20余次。驾驶舱中留下哈维诺最后一段话是“飞起来”,客机的下降率一度高达10000英尺/分钟……

6点31分55秒,610号航班的驾驶舱语音记录仪停止记录。客机和地面空中交通管制(ATC)失去联系,管制员立刻将失联消息上报给印尼当局。

印尼国家搜救局随即向事发地派出一架直升机和三艘船。7点30分,印尼当局收到狮航610号航班确认坠毁的消息,失事客机坠毁地点位于机场东北方向约65公里处,事发地附近石油平台的工人曾目击了客机以陡峭的姿态坠入海中。

印尼狮航有着糟糕的航空安全记录,印尼狮航航空公司曾在2007年被列入欧盟禁飞黑名单,禁止进入欧盟市场,直至2016年狮航才得以重返欧洲。此外,整个印尼民航业的安全记录也很差,相关统计显示,过去20年印尼就曾有600人在空难中丧命。狮航610号航班故事又给印尼航空业带来沉重阴影。

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图7、机动特性增强系统(MCAS)示意图

第一艘救援船只抵达事故现场发现,客机坠毁的地方水深约30~35米。搜救队将遥控水下航行器部署到现场,用来寻找幸存者和“黑匣子”。印度尼西亚国家运输安全委员会(KNKT)接手了后续的调查工作。

调查员翻阅飞行维修记录后,发现从2018年10月26日至事发前,涉事客机四个航段都有故障记录。其中仅机长侧主飞行显示器的空速和高度指示故障灯就亮起三次。

调查员发现涉事客机(PK-LQP)的迎角传感器曾发生故障,并进行了更换和测试。10月28日,机务工程师在登巴萨将客机的迎角传感器(序列号21401)拆下,并更换上序列号14488的迎角传感器。12月10日,多方代表在柯林斯工厂对序列号21401的迎角传感器机进行检测,他们发现里面的解角器发生故障,而且当温度高于60摄氏度时正常,低于这个温度则会发生异常。

事发前一天,涉事客机在执飞狮航043号航班(登巴萨—雅加达)航线时还出现故障迹象。当班机长发现客机离地爬升时,先是抖杆,然后亮起多个警示灯。他决定维持现有推力保持15°仰角爬升,将控制权交给副驾驶后,通过仪表交叉检查发现自己仪表发生故障。

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图8、调查员和610号航班客机残骸

043号航班在加速和收襟翼途中出现三次异常爬升。副驾驶在停止配平操纵后,客机会自动下俯配平,而且当时拉杆时很费力,几乎要失控了。机长决定关掉安定面配平,并以人工配平方式继续飞向目的地。

043号航班在保持可控飞行后,机长向管制员通报了客机的异常问题。机长在执行非正常检查单时,又重新启动安定面配平系统,这导致客机再度低头,于是机长再度关闭该系统,并全程手动操纵客机。

最后在飞行员的努力下,客机安全降落在雅加达机场。机长落地后向机务人员通报了客机故障信息,并记录下空速、高度指示不一致和感觉压差的内容。

调查员发现610号航班遭遇了和043号航班类似的情形,当飞行员确认空速不可靠后,苏尼加机长指示哈维诺执行空速不可靠记忆项目,但后者并没有执行,这些项目需要在阅读检查单之前就要做完。

苏尼加和哈维诺之间简短的语言交流表示610号航班飞行员的工作压力很高,其典型特征就是语言减少、工作表现变差、执行项目错误、忘记和遗漏。

苏尼加发现客机控制困难后,他并未宣布客机进入紧急状态,这导致管制员没有给610号航班优先权,并且下达多项反复机动指令,不必要的沟通都会额外增加飞行员的工作负荷,让整个局势更加雪上加霜。

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图9、波音737 MAX驾驶舱一览图

调查员还发现610号航班和043号航班最大的不同在于航前准备工作,043号航班飞行员在飞行前和工程师讨论过客机故障问题,这也减少了飞行员面临问题时的反应时间。而610号航班飞行员并没有了解此前的情况,当抖杆和MCAS同时出现时,直至客机坠毁,610号航班飞行员都未完成非正常检查单内容,他们至死都不知道客机上发生的确切问题。找不到问题所在,解决问题就更无从谈起。

狮航610号航班空难五个月后,执飞埃塞俄比亚航空302号航班的波音737 MAX 8在起飞不久后坠毁,机上149名乘客和8名机组成员悉数罹难。两架新交付的同类型客机,以极为类似的姿态坠毁,使得737 MAX系列客机的安全性备受质疑。

2019年3月11日,中国民用航空局率先发出《关于暂停波音737-8飞机商业运行的通知》。随后埃塞俄比亚航空公司也停飞了该国境内所有波音737 MAX型客机。截止2019年5月1日,全球有58个国家和地区对737 MAX机型下达了“禁飞令”,世界上所有352架737 MAX 8和28架737 MAX 9已经全部处于停飞状态。

737 MAX 8的系列空难也给该型客机的销售蒙上阴影,2019年3月22日,印尼鹰航便宣布取消价值49亿美元的737 MAX客机订单。9月份,波音公司和狮航610号航班部分遇难者家属达成赔偿协议,每人最少赔偿120万美元,约合844万人民币。这也是空难发生以来,波音和遇难者家属达成首个赔偿协议。

2019年10月25日,印度尼西亚国家运输安全委员会(KNKT)发布了狮航610号航班最终的事故报告,事故报告厚达322页,报告指出610号航班涉及九项失误,其中任何一环都可以避免空难发生。而737 MAX 8的设计缺陷是导致610号航班坠毁的关键因素。

事故报告指出涉事的波音737 MAX防止客机失速的MCAS在设计和认证时并未充分考虑客机失控的可能性。波音在设计MCAS时,允许客机对水平尾翼调整的角度从0.6度提升至2.5度。但是波音并没有将这一改变在提交给美国联邦航空管理局(FAA)的文件中予以体现,因此FAA也没有评估该系统的安全性。

波音公司也没有向飞行员提供MCAS的相关信息,导致机组成员在关键时刻无法了解所面临的现实情况。飞行手册和飞行员培训中同样没有MCAS信息,因此机组成员即使发现问题,也很难采取正确的纠正措施去解决问题。

事故报告建议波音公司应重新设计MCAS系统,并引入防错式设计。波音工程师在设计时便要考虑到驾驶舱所有的警报和指示对机组成员的识别和反应影响。他们需要考虑不同飞行员的能力,满足所有飞行员进行安全操作。同时建议波音将MCAS信息列入飞行员手册和培训计划。

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图10、印度尼西亚国家运输安全委员会发布最终狮航610号航班事故报告封面

事故报告指出狮航的运行手册没有及时更新,而且手册内容存在不一致现象,报告建议狮航需要确保手册及时、完善的更新。狮航的安全管理系统(SMS)培训大纲中对危险源识别投入不足,这会降低员工对定义和报告危险的能力。狮航的安全报告多是事故报告,这仅占危险报告的5%。报告建议狮航重新审查培训材料和培训时间。

610号航班的飞行员应变能力也出现问题,尤其是副驾驶并不熟悉操纵程序。机长在客机发生故障后,在成功对抗客机俯冲二十余次后,将客机操纵权交予副驾驶。而副驾驶并没有正确应对故障,最终导致客机坠入海中。

失事客机(PK-LQP)曾有多次故障记录,飞机维修记录甚至还有多达31页的内容缺失。根据相关文件要求,该客机如果进行及时停飞,并进行系统性修复,就可能避免610号航班空难发生。

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