737MAX飞机MCAS软件探讨

张鹏

（东航技术有限公司云南分公司，云南 昆明 650000）

2018 年10 月29 日，印尼狮航JT610 航班起飞不久后坠毁，189 人遇难。2019 年3 月10 日，埃塞俄比亚航空从亚的斯亚贝巴飞往肯尼亚内罗毕的ET302 航班失事，157人遇难。2019 年3 月11 日中国民航局发文要求停止所有737MAX 飞机的商业运行，随后全球各国相继禁飞737MAX 飞机。截至本文撰写之日该机型仍旧未恢复运行，波音还在升级调试相关技术软件，还未进入正式的复飞取证流程。半年内两起严重的空难均为同一款飞机—波音737MAX8。这是一款波音在2016 年首飞，2017 年5 月正式交付商业运行的飞机。作为一款“新”飞机，波音在事故后不可避免地要尽快给出一个令各方满意的答复，以尽快恢复市场的信心。狮航空难事件后波音发布的技术通告指出事故的关键因素是AOA数据错误，AOA（angle of attack-迎角）是飞机气动性能的关键因素，因为民航客机并没有战斗机或者火箭那样直上直下的本事，所以简单来说，迎角过大会导致飞机失速。但是同样的AOA 传感器也安装在737NG 系列飞机上，同样的事故却没有发生在这系列飞机上。所以，进一步的数据分析都指向Max 系列飞机采用的全新技术MCAS（maneuvering characteristics augmentation system-机动特性增强系统），而波音公司一开始却否认了该技术和事故发生的直接关系，直到该系列飞机全球停飞后，波音才不得不承认该技术存在缺陷，而且目前所有恢复飞机认证的措施也都是围绕该技术的软件升级展开的。那么，波音为什么在本已经很成功的机型上采用这一全新的技术，而这一技术为何又会导致事故频发，本文将探讨MCAS 的来龙去脉。

737 系列飞机作为波音公司商业上最成功的一款产品，自1967 年第一架737-100 飞机交付给汉莎航空公司以来，在飞机的构型上一共可分成四个时代：737OG/737CL/737NG/737MAX。划分这四个时代最重要的区别就是发动机的变化，从最早普惠JT8D 到CFM56-3 再到CFM56-7 直到最新的LEAP-1B。最直观的变化就是发动机尺寸越来越大，尺寸变大提升了发动机经济性的一个重要指标—涵道比。CFM56-7 的涵道比为5.1-5.5，LEAP-1B 涵道比为9，对应的LEAP-1B 的风扇直径比CFM56-7 的大了约20cm。与此同时，从737NG 到737MAX 飞机在机身尺寸上并没有大的改动，准确地说，是在机身直径上737 系列飞机都是3.76m，只是在长短上有所不同，这么做的原因也很简单，机身长短的改变只需要在机身上增加或者减少几个隔框，类似盖房子在结构允许的条件下多盖两层楼或者少盖两层技术上没有太多难度，而要改变机身直径那就是在改地基了，那基本上就是推倒重建了。波音公司在737 系列飞机带来的50 多年的成功后并没有多大的动力去干这么废力的事情，而这也为后面737MAX 飞机事故埋下了伏笔。因为737 系列飞机都是收放式起落架，而机身直径直接限制了主起落架的尺寸，显然收上后主起落架的尺寸不能大于机身直径，所以不变的机身尺寸导致737NG 系列飞机和737MAX 系列飞机的主起落架尺寸是一致的。变大的发动机和不变的起落架带来的后果就是发动机离地间隙变小了，但是，离地间隙变小又会给发动机运行带来各种风险，比如，吸入外物或者擦地，这显然是波音不愿看到的。于是，波音将发动机吊架往前延长，让发动机尽量靠前向上翘起，以提高发动机进气道的离地高度。同时将前起落架升高8 英寸，因为前起落架是沿机身纵向收放的，所以在机身直径不变的情况下，改变前起落架的尺寸是可行的。经过这两个大改动，发动机的离地间隙到达0.42～0.54m，满足了运行条件。但是，发动机前移上翘导致发动机进气道与机翼前缘的相对位置发生了改变，这势必对飞机的机翼气动布局造成影响。同时，发动机是一个很重的部件，两个发动机的前移也会对飞机的重心带来不可避免的影响。波音的工程师在设计时肯定也考虑到了这些问题，笔者在与波音工程师交流时，他们也提到737MAX 是一款设计比较仓促的飞机，为了应对空客320NEO 甚至C919 的竞争硬着头皮上马的一个项目，这也导致了波音没有足够多的测试来验证改型带来的问题，在发现问题时没有足够多的时间完善系统设计。而笔者所在公司运行的737MAX8 飞机维护手册里存在着诸多的笔误，甚至前后矛盾的情况也从侧面反映了这款飞机设计及投入运行的忙乱。回到前面空难事故，狮航最后的事故分析指出，飞机自始至终的一侧AOA 数据错误，而后MCAS 介入，飞行员在不知情的状况下反复与MCAS 抢夺飞机的操控权，最终因为在干扰下对飞机的真实态势失去判断导致飞机最终失去控制。

这里先介绍一下MCAS（maneuvering characteristics augmentation system-机动特性增强系统），波音手册里对于该系统是这样描述的：

MCAS 是速度配平系统的一种功能，另一种是速度配平（speed trim），MCAS 优先级高于速度配平；MCAS 是为了提高飞机在高马赫和大迎角条件下的速度稳定性。

MCAS 以高速模式控制安定面，增强飞机俯仰可操控性。

MCAS 无须人工启动，当空速及迎角超过特定的门限值时自动介入。

首先，速度配平系统是在737NG 系列飞机就已经有了的功能，而根据手册描述速度配平功能737NG 与737MAX 是一样的，并没有区别。而MCAS 是737MAX 新增加的一项功能，为何在成熟的737NG 系列基础上还要加装这么一个功能，而且其优先级还要高于原先的速度配平系统？我们分析波音给出的描述，该功能是提高飞机在高马赫和大迎角情况下的速度稳定性，速度配平系统的功能是提高飞机低空速大推力的情况下的速度稳定性，根据空速的变化提供一个反向的抬头或则低头力矩。飞机在飞行过程中典型的低速大推力情况就是起飞和降落时，也是最容易发生空难的时候，事实上两次737MAX 的空难也都发生在起飞爬升阶段。那么，起飞阶段也是大迎角的情况，按照以前的737NG 系列飞机，这个阶段飞机由速度配平功能保障飞机的速度稳定性能，而737MAX飞机却增加了这么一个看似重复的功能，或许只有一个可能，就是MAX 飞机在发动机和起落架改动过后，飞机对于大迎角情况下失速的情况更加敏感了，原来的速度配平功能已经不够可靠了，这一情况在波音的飞机验证过程中肯定被波音工程师发现了，所以做出了相应的改动。那么，为什么不可以针对这一气动特性重新编写速度配平功能，而是要重新设计一套软件来完成这个功能呢，我们再研究波音对于改系统的描述，针对高马赫和大迎角的速度稳定性提升。这里有一个关键词——高马赫，飞机在高马赫数情况下会由于空气激波导致升力中心后移，从而使飞机产生下俯的低头力矩，737MAX 是在超过了0.615 马赫的情况下会产生这种低头效应。737NG 和737MAX 其实也都有针对这一情况的马赫配平功能，那么我们可以推测，由于发动机位置的改动，737MAX 在高马赫的情况下对于速度的敏感性也更加极端了，超过了原来的马赫配平所能调节的情况，我们进一步推测波音干脆就对这两种情况下的飞机控制专门设计一款软件，以应对这一以前没有遇到的情况。这样一来，既不对以前成熟的技术做改动，又给新带来的极端情况打了补丁，以最小的成本对飞机进行了完善，看似完美的解决方案。但是，对于AOA 数据采样的选择，对于操控的优先级，对于介入的时机，一系列的错误最终导致了空难的发生，也说明了这一补丁的失败。

残酷事实摆在眼前，其实波音自己对于这一改进也不是很有信心，因为在发生空难前，全世界大多数航空公司并没有被波音告知这一改动，甚至在波音的机组操作手册和维护手册里也没有提及这一改动。对于为何会这样，或许只有波音自己内部知道。737 作为一款行销世界50 多年的取得巨大成功的机型，波音一直在反复挖掘它的潜能，但是其结构上的局限导致了对于它的挖掘也是有极限的，但是巨大的市场让波音不敢也不能轻易做出重大调整。目前，波音对于此次事故的处理方式也重点放在了对于MCAS 系统的改进上，将数据采样进行对比，不再强制操作飞机，只要飞行员介入就将指挥权交回给飞机员，其实，这一做法也值得商榷，如果是真的发生了极端的失速情况，波音就将责任全部丢给了飞行员。而对于导致这些情况的根本原因，飞机本身构型的变化波音并没有太多办法，有太多的利益相关限制，目前的消息是737MAX10 可能会采用可伸缩的主起落架，这样或许会将发动机改回以前的位置，但是气动布局会带来什么样的新变化，现在还未可知。从长远角度看，经济利益和航空安全之间是互相促进的关系，希望航空业界能在这二者之间找到令所有人都满意的平衡。