王孟源波音737MAX的缺点是低级的是内

2019-04-25 18:48:17 来源: 怒江信息港

4月4日,埃塞航空ET302航班空难首份官方调查报告公布,随后,波音CEO丹尼斯·米伦伯格(Dennis Muilenburg)就两起波音737 MAX 8型飞机坠机事故,首次向公众承认是新的自动飞行控制系统(MCAS)致使了这两起近350人死亡的空难。 此前观察者已发布多篇文章,详细解释了MCAS的逻辑不合理,简单来说,在单个攻角传感器丈量有误时,MCAS就一意孤行,不论驾驶员如何处置,依然坚持低头向下扎。 这样低级的毛病,固然十分离谱,但它背后还是有一些复杂的历史因素。 事件的起源在2010年12月,那时空客宣布了下一代A320Neo将采取LEAP发动机,从而大幅改良燃油效率,这立刻把波音逼入墻角。燃油是航空公司的主要花费之一,本来波音还在斟酌开发一型全新的客机来取代737,但是A320Neo在2014年就要交货,重新开发新机型显然会让空客独霸单通道主线客机这个重要的利基很多年。一旦波音的传统客户跳槽,由于驾驶员人机界面和维修系统的惯性,就会连带把利润更高的双通道主线客机生意也带走,这将成为彻彻底底的商业灾害。 因而波音不能不紧急启动737Max的升级计划,硬是在2017年就开始交货,只比A320Neon晚了3年,而且还必须和空客一样,不要求驾驶员做昂贵费时的新训练。 为了赶工,波音安排让FAA(Federal Aviation Administration,联邦航空管理局)将认证的工作交由自己代为处理。这类官商水乳交融的“自我治理”(Self-governance)是1980年代Reagan政权起就特别强调的政治原理,其目的是在不公然直接消除政府监管表象的条件下,依然在实际上给予财团远远更大的自由,而其主要手段则是一方面鼓励公务员与财团高管之间的旋转门,另一方面是削减预算,使得即便有心办事的官员也没有人力财力来履行任务。这个趋势,在共和党执政期间特别明显,经历里根、小布什和特朗普三任挖墙脚的不懈努力,美国在20世纪前70年所建立的廉洁高效官僚体制早已名存实亡。 但是在技术上,737源自60年代的原始设计过于古老,其实无法与80年代设计的空客A320同等竞争,因而牺牲基本的安全性成了必定的结果。这其中重要的技术问题有两项:首先(第二项是飞控,见下文),737的机翼很低,但是过去50多年来,每一代新涡扇发动机都增高了涵道比(Bypass Ratio)以寻求更大的推力和更高的燃油效力,所以也就愈来愈粗胖。从上一代的737NG开始,机翼下已经没有足够的空间来悬挂发动机,因而一方面要求发动机制造商强行削平下缘,另一方面将发动机舱(Engine Nacelle)向前上方挪移。737Max为了使用更大的LEAP发动机,更是必须超越原始设计的安全极限,埋下了后来事故的伏笔。 上图是737Max的LEAP发动机和上一代737NG的CFM-56安装位置的对比,可以明显看出LEAP不但更靠前上方,而且发动机舱也更大。其实为了保证发动机舱下缘与地面有17英寸(43公分)的距离,波音已要求LEAP的制造商(CFM)特别以燃油效率为代价,缩小发动机直径,所以波音的LEAP-1B比A320和C919所用的版本都要小一圈。至于LEAP-1B的另一个特点:后缘的三角形锯齿,那是为了打破紊流、减低噪音的设计,是波音的专利。 这个问题牵涉到比较精微的空气动力学,所以我在此详细讨论一下。很多报导基于波音自己发表的一篇简介,说737Max采取MCAS是为了补偿发动机前移所造成的额外上扬力矩,这也成为很多络评论的基础;但是专业知识相对比较强的作者,例如服务于航空业的张仲麟和有工程背景的晨枫,都指出把发动机向前上方移动,其实应当使推力轴线更接近阻力中心,所以照理说是会减低而不是增加上扬力矩。那么波音为何那么说呢? 其实波音那个简介的基本叙述是正确的,只不过没有把细节说清楚罢了(可能是故意不说清楚,参见下文)。这里的额外上扬力矩其实不产生于平飞的时候,也不直接来自发动机本身的推力,而是非线性空气动力学的后果。发动机舱为了减低阻力、增加空气流量,外环的剖面形状其实很像机翼,只不过必须卷成圆形。所以飞行的时候,发动机舱外环也产生“升力”,但它不是全部向上,而是与外环面垂直向内,因此在平飞状态下,这些升力相互抵消,没有实际影响。 但是在爬升阶段,飞机处于大迎角(Angle of Attack,又译为攻角)状态,这时候气流主要作用于发动机舱外环的下缘,总升力就是向上了。这个升力由于有发动机抽取气流的影响,额外强大。一样的效应使得把发动机紧靠在机翼上缘成为增升的极端手段之一,例如强调短距起降性能的Antonov An-72。而发动机舱外环产生意外升力以致飞行器研发失败,也早有前例,对历史有兴趣的读者可以搜索Hiller VZ-1 Pawnee。 VZ-1 Pawnee是Hiller Aircraft为美国陆军设计研究的单兵飞行平台,1955年首飞。本来设计师希望由乘员倾斜身体来改变飞行方向,结果实验发现发动机舱外环的升力效应比预期的要强,倾斜之后,那个方向的升力就大幅增加,把平台又推回平稳悬停状态。一个没法很好控制如何前进后退的飞行平台,固然是没有用处的,所以这个计划就被放弃了。换句话说,由于发动机舱外环升力与重心的相对位置,VZ-1 Pawnee获得过强的静稳定性;这一点与737Max相反。

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