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波音737 MAX连续两起空难，全球停飞，原因究竟何在？

波音737 MAX连续两起空难，全球停飞，原因究竟何在？
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当地时间9月16日 ， 美国国会众议院16日公布有关波音737MAX系列空难的调查报告 。 此前 ， 2018年10月和2019年3月 ， 隶属新加坡狮航和埃塞俄比亚航空公司两架波音737MAX飞机先后失事 ， 共造成346人遇难 ， 接连两起严重空难引发了人们对波音737MAX飞机安全的担忧 ， 各国纷纷停飞并展开调查 。
根据16日发布的调查报告 ， 波音737MAX系列空难原因复杂 ， 是由“波音公司的工程师错误的技术假设、波音公司管理缺乏透明度以及美国联邦航空局监管严重不足共同引起的” 。
其实 ， 上述的透明度和监管问题一般不会对航班安全带来致命风险 ， 真正造成这两起空难的其实是设计缺陷和软件问题 。
波音737MAX：被寄予厚望 ， 却折戟成沙
事故的主角波音波音737MAX ， 从名字就可以看出 ， 它是波音737衍生机型 ， 后者首飞于1967年 ， 产量至今超过1万架 ， 是民航界史上最畅销的客机 。
需要说明的是 ， 波音737MAX并不是指某一特定机型 ， 它包含一系列型号：包括波音737MAX7、波音737MAX8、波音737MAX9和波音737MAX10 。 上述提到的两起事故飞机都是波音737MAX8 。
这几种型号的具体差别不大 ， 主要是在载客量、机身规格、航程等方面存在些许差异 。 这些型号的命名源自其目的：波音MAX7、8、9分别用来取代上一代波音737-700、-800及-900系列 。 而MAX10则用来狙击对手空客的A320neo 。
波音737MAX系列首架飞机于2015年12月8日下线亮相 ， 2016年1月29日完成首飞 ， 2017年获得相关部门批准 ， 不到一年 ， 就发生了严重的事故 。 由此可见 ， 飞机本身存在的问题确实很大 。
波音凭借畅销的737系列客机赚的盆满钵满 ， 颇有“吃老本”的意味 。 2010年 ， 波音的对手欧洲空中客车公司推出了A320neo新机型 ， 并计划在2016年投入使用 。 相比于旧款A320 。 A320neo装配了新发动机 ， 有效提高了燃油效率和运营效率 。 这一改进获得了多间航空公司的积极回应 ， 纷纷抛来订单 。
波音公司因此感到了压力 ， 随后做出了升级737的决定 ， 采用简单粗暴的方法 ， 增大发动机尺寸 。 殊不知 ， 这一决定带来严重安全隐患 。
设计缺陷 ， 小机翼装不下大引擎
为了迎合航空公司的口味 ， 提高燃油利用率 ， 波音决定在现有737系列的基础上改进了机翼设计 ， 采用了“先进技术小翼” ， 并且安装了更大尺寸的发动机LEAP-1B ， 这也是这一些列的第四次升级 。 然而这次升级却带来了安全隐患 。
飞机小翼又称“端翼”或润扩散器 ， 是一种装在机翼翼梢处、近似垂直于机翼的小翼面 。 如下图：
要使飞机这样重达数十吨的庞然大物飞上天 ， 就必须产生足够的升力 。 机翼主要就是用来产生升力的 。 空气流经机翼上、下表面时就会形成压力差 。 这个压差即产生升力 ， 也在翼尖造成了横向的自下而上、自外而内的涡流 。 翼尖涡带动空气 ， 含有很大的能量 ， 拖带在翼尖之后 ， 形成可观的阻力 。 这种阻力就是我们所说的诱导阻力 。
波音737 MAX连续两起空难，全球停飞，原因究竟何在？
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为了应对这种情况 ， 翼尖小翼应运而生 。 机翼下表面的气流依然向上表面流动 ， 但由于翼尖小翼的阻挡 ， 空气无法再环绕形成空气漩涡 ， 因此减小了飞机的诱导阻力 。
减少了阻力就降低了油耗 ， 也就增加了航程 。 为了赶超对手 ， 波音还专门为737MAX系列带来了新的翼尖设计——双叉弯刀式小翼 。
根据官方的说法 ， 双叉弯刀式小翼采用了最先进的技术 。 除了上部翼片会产生向内和少量向前的升力外 ， 新的下部翼片会产生向外和少量向前的升力 。 所有这些因素结合起来 ， 可以让小翼的作用更加平衡 ， 进一步改善机翼的整体效率 。
除了以上优点外 ， 波音737MAX的小翼表面材料上应用了波音先进的自然层流技术 。 通过用细节设计、表面材料和涂层来创造层流 ， 小翼具有了“自然层流”特性 ， 使得气流更加平顺 。 从而可以进一步降低阻力并提高燃油效率 。
由于波音737MAX提升了载客量 ， 增加了起飞重量 ， 波音因此需要采用更强的发动机 ， 于是 ， 波音瞄准了LEAP-1B发动机 。
LEAP-1B属LEAP系列发动机 ， 该系列还包括LEAP-1A和LEAP-1C 。 这是由美国通用电气与法国SNECMA(赛峰集团)合资建立的CFM国际公司研制的大型客机发动机 ， 用于替换单通道大型客机发动机 。
当然 ， 这两起事故不是发动机的锅 ， 这一系列发动机的质量和口碑还是很有保证的 ， 其中LEAP-1C型号还是中国国产客机C919的动力装置 。 如果非得说发动机有什么错 ， 那就是它太大了 。 与改进前的机型波音737-800相比 ， 波音737MAX8的直径达到了约1.75米 ， 而前者约1.5米 。
不要小看相差的25厘米 。 要知道 ， 波音737-800发动机离地高度都才48厘米 。 大直径发动机无疑会进一步缩短离地距离 ， 增加发动机触地风险 。
然而 ， 即便是这么大改进 ， 波音除了改动翼尖外 ， 并没有对机翼主体重新设计 。 这可能是波音在空客A320neo紧逼下的无奈之举 ， 毕竟重新设计机翼要考虑的因素太多 ， 要进行的测试验证也太多 ， 而市场没有给波音这么多时间 。
怎么办呢?波音最后采用了“辗转腾挪”的策略 。 LEAP-1B发动机前段大 ， 后端纤细 ， 呈流线型 。 为了避免发动机前段触地 ， 波音将其整体提前 ， 使得发动机突出机翼的部分更长了 。
波音的这一设计其实是存在一些问题的 ， 发动机突出部分的重量使得飞机前部整体重量增加 ， 飞行过程中可能会导致失衡 。 因此 ， 由于其配备的发动机功率更强 ， 波音737MAX在大攻角飞行的状态下更容易自动向上抬头 ， 导致飞机进入失速状态 。 关于为什么容易抬头 ， 目前还没有官方的说法 。
攻角又称迎角 ， 是指飞机机翼的前进方向(相当于气流的方向)和翼弦(与机身轴线不同)之间的夹角 。 如下图所示：
波音737 MAX连续两起空难，全球停飞，原因究竟何在？
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攻角大小与飞机的空气动力密切相关 。 当攻角大小超过临界值时(多数飞机为18度) ， 机翼所产生的升力突然减小 ， 阻力急剧增大 ， 从而导致飞机的飞行高度快速降低 ， 出现失速 。
对于大部分飞机 ， 如果发生失速 ， 飞机就会立即开始下坠 ， 狮航和埃航空难就属于这种情况 。 少数飞机会发生更危险的情况 。 由于两侧机翼出现不协调的失速 ， 飞机围绕失速严重的一侧机翼方向发生快速旋转 ， 这就是尾旋 。 尾旋不仅会使乘客眩晕 ， 碰撞造成伤亡 ， 更严重的还可能会撕裂飞机 ， 造成解体 。
因此 ， 控制失速是飞行员训练的重要内容 ， 也是飞行资格认证的硬性要求 。
需要说明的是 ， 在失速状态下 ， 飞机发动机并没有停止工作 ， 也没有失去前进的速度 。 此时飞机处于一种“有力无处使”的状态 。 通俗来说 ， 就像拔河中弱势的一方 ， 明明在用力 ， 但就是拉不动对手 。
【波音737 MAX连续两起空难，全球停飞，原因究竟何在？】波音当然很清楚这点 ， 那波音是怎么做的呢?
MCAS系统：用风险解决风险
攻角超过临界值就会导致失速 ， 飞行员一般可以通过操作杆手动压低头部高度 ， 从而避免风险 ， 这一操作被称之为配平 。 当然 ， 配平也可通过调节方向舵、尾翼的水平翼面等实现 。
波音了解自家737MAX的设计缺陷 ， 因此它设计了一种自动压低头部的软件——MCAS系统 ， 全称为“机动特性增强系统” 。
该系统拥有两个攻角传感器 ， 在机身两侧各有一个 。 每个传感器都包含一个外部叶片 ， 叶片随着气流旋转 ， 并且连接到内部旋转器 ， 独立检测角度 。
MCAS系统的操作逻辑很简单：通过在飞机头部安装的传感器 ， 监测迎角大小 ， 如果检测到迎角接近失速状态 ， 该系统就会通过调节飞机尾翼的水平翼面 ， 使飞机“低头” ， 避免进入失速状态 。 根据波音的介绍 ， 水平翼面会以0.27度/秒的速率向上倾斜 ， 在10秒内倾斜2度 。
从上面可以看出 ， MCAS是通过调节水平翼面实现配平 。 并且在波音给出的信息中 ， 该系统只会调节水平翼面 。
但事实果真如此吗?
国内有飞行员在两台D级模拟机(经过民航局认证可以用来代替真飞机对波音737MAX飞行员训练的模拟机)上模拟了波音737MAX飞行 ， 最终发现在波音737MAX接近失速时 ， 推杆器可能会自行工作 。
这一发现明显和MCAS的设计初衷矛盾 。 按道理说 ， MCAS是不应该操作操纵杆的 。
查询波音在中国申请的专利 ， 我们发现一项名为CN106477055A号的专利设计与MCAS系统类似 。 该专利于2016年申请 ， 同年 ， 波音完成了波音737MAX的首飞 。
根据设计 ， 在飞机失速时 ， 该专利可以通过调节升降舵、尾翼水平翼面、扰流板等多个部件来控制飞机的飞行姿态和速度 。 可以看出 ， MCAS系统应该是属于该专利的一个子程序 。 而根据飞行员的测试可以看出 ， MCAS系统应该还可以控制操纵杆、扰流板等多个部位 。
也就是说 ， 波音并没有说实话 。
更为致命的是 ， 该系统并不智能 。 从其实现手段来看 ， 只要检测到角度过大(也就是飞机头部过高) ， 系统就会强制压低机头 。 这种操作逻辑会产生误判 。 当飞机在起飞阶段爬升时 ， 头部的高度一般都会比较高 ， 强制压低飞机可能造成下坠风险 。
此外 ， 波音曾强调“MCAS系统下的配平系统不会仅仅因为手动操作了控制杆而停止工作” 。 也就是说 ， 飞行员在操作操纵杆爬升时 ， MCAS会阻止该操作 ， 与飞行员反复角力 ， 这无意大大增加了风险 。
这种情况确实发生过 。 印尼狮航空难发生的前一天 ， 在巴厘岛飞往雅加达的航班上(机型正是波音737MAX8) ， 飞行员发现爬升到一定高度后 ， 飞机突然下坠 。 在切换手动模式并拉升操纵杆后 ， MCAS系统启动 ， 机头被强制下压 ， 下坠更为严重 。 最后 ， 在手动关闭了该系统后 ， 危机才得以解除 。
然而 ， 第二天 ， 这架飞机再次起飞时发生了同样的情况 ， 这一次 ， 飞机在起飞6分钟后坠落失事 ， 酿成惨剧 。


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