波音空难与飞机失速

黄建国

2019年3月10日，埃塞俄比亚航空公司的一架波音737MAX8客机在起飞后不久失事，包括8名中国公民在内的157名乘客无一生还，再一次令世界震惊。

在埃塞俄比亚航空空难事件的5个多月前，印度尼西亚狮子航空公司一架同一机型的客机坠毁，189条鲜活的生命从此不复存在，令世人痛惜万分。737MAX8是航空工業巨擘波音公司极力推介的一款最新的大功率且省油的客机。它刚刚投人航线不久就接连出事，叫人难以置信！

从印度尼西亚狮子航空公司公布的黑匣子破解数据得知：飞机起飞爬升才几分钟，就出现了少见的机头下坠状况。飞行员不得不拉驾驶杆，使机头向上，但飞机随后又发生快速向下俯冲，飞行员又拉杆，机头接着又下坠....如此20多次，飞行员持续顽强地与飞机的失常搏斗，最终失败，机头高速冲向海面，飞机在高速撞击海面时解体，机上人员全部罹难。

而埃塞俄比亚航空客机在起飞4分钟后就遇到与印度尼西亚狮子航空公司客机非常相似的失控局面。这两起空难中，导致机头直坠地面的事故起因，绕不开飞行中最令人忌惮的飞机失速。

“可恶”的飞机失速

一直以来，飞机由于飞行中失速酿成事故屡见不鲜。2009年震惊世界的法航AF447客机在大西洋上空因失速引发的空难至今还令人扼腕叹息。事故的起因是飞机在高空飞行时，迎角传感器的进气口被冰块堵塞，飞行员被飞机迎角的错误提示误导，紧张得一直不断地拉驾驶杆，导致飞机失速，陡然从高空坠人茫茫大洋之中。实际上，相较客机、运输机，歼击战斗机遭遇飞行失速的频率更高。它们常常在作战或特技训练中，为快速抢占空中制高点使劲向上冲，时而滚转，时而俯冲，险象环生。飞行员驾驶稍有不慎，飞机就会伴随剧烈的抖动陷人失速及无控尾旋之中。若不能迅速将飞机调整至安全状态，即刻就会造成机毁人亡的严重后果。

飞机失速为何如此可怕？

在介绍飞机失速之前先解释一下迎角的概念。迎角是飞机飞行方向与机翼弦线（翼剖面上前后两点间的连线）之间的夹角。飞行员在飞行中缓慢拉（驾驶）杆时，飞机迎角会逐渐加大，飞行速度则开始下降。当迎角大到速度降至很低时，飞机的升力非常小，所受到的阻力急剧增大，随即导致飞机机体振动，用于控制飞行姿态的舵面效能锐减或消失，飞机横向会摇摆、不稳定。这种飞行乱象就是飞机失速。

导致飞机失速的原因，已从理论和风洞试验及”飞行试验中找到。只要飞机迎角增大到一定值时，流经机翼的气流压力会大幅增加，使得附着在机翼表面薄薄一层的“附面层”气流无法克服该压力上升而发生逆流，随即出现气流涡流式分离，导致飞机升力减小而阻力增加。又因为流经机翼的气流压力分布急变，分离的气流很不稳定或发生周期性变动，自然造成了机体、尾翼、舵面等振动。再加上那些杂乱的气流吹到舵面，比起原本有序的顺气流，必然会大大降低气动效率及稳定性。在这些因素的影响下，飞机就陷入了不可控的险境。

严防飞机失速发生

简而言之，飞机失速是在飞行迎角增大、机翼升力迅速下降、阻力急剧增加的那一时刻开始的。

飞机的升力系数C与飞机迎角a有下述曲线关系。当迎角a小于失速迎角a。时，随着a的增大，升力系数CL按近似正比例关系递增;当a增大到a。时，C.达到最大值，即CLmax;等到a大于a。时，CL突然大幅度下降，飞机进人失速区。此时，飞行员必须采用紧急防范措施才能避免事故。通常，为防止飞机进人失速区，每种飞机都设定了比a，小的实际使用失速角，大小约为a。的85%。在通常飞行中，飞行员向后拉驾驶杆抬起机头，实际使用失速角决不可超出这一上限。

一架性能良好安全的飞机必须具备大的升力系数CL。升力系数Cl大意味着飞机升力大，这样的飞机具有机翼面积小、重量轻、载客多、航程远、起飞距离短等诸多优点。又从升力系数C.与飞机迎角a的关系得知，升力系数Cl大的飞机，其失速迎角a，也必然大。若失速迎角a，大，飞行员控制飞机迎角的回旋余地增加，工作压力减轻，紧张情绪得以缓解，飞机失速的概率可大幅降低。因此，尽可能提升机翼的升力系数C，增大失速迎角ao，是防止飞机失速的关键所在。

那么如何获得更大的升力系数Ci呢？有效的措施是在机翼的后缘配置单缝襟翼、子翼/主翼双缝襟翼或主翼/后翼双缝襟翼。特将机翼后缘的襟翼分成多块子翼和主翼，用以增加“子-主”间的缝道数量和可调缝道宽度，这样的结构既可增加机翼的面积和加大机翼的弯度，显著提高升力，还能使机翼下表面高压力的气流通过缝道吹走机翼上表面尾缘处那些杂乱无章的涡流，从而令气流稳定，阻力大为减小，达到提高升力系数和失速迎角的目的。

另外，在机翼的前缘配置缝翼，也可以大幅提升飞机的升力系数C及失速迎角ao，这是防失速的另一种有效手段。早期的空客客机、麦道系列飞机上就专门配备了自动缝翼。如今，在波音、空客的大中型客机及我国C919、ARJ21飞机的机翼后缘，上都安装有4块面积硕大的襟翼，整个机翼前缘表面则覆盖着一块块狭长的缝翼。一旦飞机处于即将失速危险之际，缝翼在接收到迎角传感器发出的信息后，会立即在

套独立的、无需飞行员操作的控制系统控制下自动向前下方伸出。缝翼与机翼前缘之间会有一条缝道，如此结构也会使得机翼上表面的涡流被吹走，飞机的升力系数及失速迎角得到大幅提升，延缓或避免失速事件的发生。

多重防止失速措施

除采用襟翼、缝翼降低飞机失速危险之外，现代客机还专门为飞行员增设了一套失速警告系统。它的职责是一旦飞机接近失速时，即刻向飞行员发出警告，提醒飞行员紧急采取诸如前推驾驶杆以减小飞机迎角等措施。失速警告系统由位于机身两侧的两个迎角传感器、一个相当于大脑的失速警告控制器、装在驾驶杆上的振杆器、飞行员座位前的可视可听的警告指示灯与警告喇叭组成。迎角传感器实时将测到的飞机迎角信息传给失速警告控制器，控制器随即对两个迎角信息进行校准，并在确认飞机迎角大于预定的失速角后，立即对飞行员发出多重警告。在实际飞行中，失速迎角会随着飞行马赫数和襟翼/缝翼位置不同而变化，因而，真实的失速迎角值在经过失速警告控制器和，上述两个迎角传感器修正后才更为精准可靠。

当今主流的大型客机如波音737MAX8、波音787.空客A350和我国C919等都采用了先进的由多种传感器、三台以上的电子计算机等组成的电传飞行控制系统（fly by wire flight control system）。飞行控制律是电传飞行控制系统的核心关键，是飞机的灵魂。优秀的飞行控制律可以防范飞机失速，具有失速保护功能。根据飞行控制律编制的软件被存储在飞行控制计算机中。飞机不论常规起降、飞行还是在巡航状态下的自动飞行，都听从计算机快速解算飞行控制律后作出的精确无误的指令。这不仅大大减轻了飞行员工作量和精神负担，而且确保飞行高效精准。当然，飞行员也可以通过一个特定的“直接开关”，将计算机运行中的正常模式转为直接模式。此时，飞行员直接手动前推驾驶杆，减小飞机迎角，避免失速的发生。

波音空难分析

应该说，比起传统的飞行控制系统，采用现代先进电传飞行控制系统的飞机无论是在操纵性能，还是在飞行安全方面均胜一筹。

那为何波音737MAX8会接连发生空难，让人谈机色变呢？从目前公开的资料及黑匣子破译的信息来看，波音公司对这两次空难负有不可推卸的责任。波音737MAX8安装了高函道比、大尺寸的发动机。原本在使用这款发动机的同时，应该对机翼、机身结构进行更改及加长起落架支柱，但波音公司认为这样会导致高成本和长周期，因此将该发动机尽量上挪和前移，使得发动机上部与机翼上表面齐平且大大超出机翼前缘，从而导致发动机喷出的气流不得不环绕在机翼的表面，破坏了原本的顺气流流动，造成机翼气动性能不稳定，机头容易向上，加大了飞机失速的发生率。

波音公司明知加装大发动机会增加飞机失速的风险，其采用的对策是增加一套称为机动特性增强系统（maneuvering characteristic augmentation system，MCAS）的防失速装置。它的防失速决策与具体措施以软件方式存储在计算机中，为计算机专用，飞行员无法干预。可能受到法航AF447空难事故原因的影响，波音公司坚信MCAS的可靠性大大胜过飞行员的手动操作。其实，人的灵敏性与判断力往往比计算机更佳，以住无数次的飞机失速危机均靠飞行员的临危不惧、准确判断和正确操作化险为夷。

一般飞机起飞时，有经验的飞行员不会将爬升角拉得很大，正常起飞时出现飞机失速实属罕见。而埃塞俄比亚航空公司和印度尼西亚狮子航空公司的两架波音737MAX8客机都是在起飞后不就失事的。引发这两次空难的原因也与之前法航空难相似：飞机机身两侧的迎角传感器中至少有一个出现了故障。法航空客A330客机与波音737MAX8客机上的迎角传感器都出现了误报，只是后者的MCAS“挺身而出”，强制飞机低头，进而造成飞机下冲速度增大。遗憾的是，MCAS并沒有处理好迎角传感器误报这样的低级错误。按理，波音737MAX8上的两个迎角传感器的读数应该进行实时比较以判别其真实性，可是据称该型号飞机的MCAS软件在编写时却将二者完全独立，互不关联。这就使得故障传感器发出的数据被当作飞机处在失速状态的数据，造成了MCAS的“一错再错”。

两次时间间隔极近的空难，让全球绝大多数拥有波音737MAX8的航空公司决定停飞该机。波音公司迫于压力，无法推卸责任，终于公开承诺要重新修改MCAS软件。除软件问题外，波音737MAX8发动机的位置、两个迎角传感器的配置等硬件上的缺陷也亟待正视和改进。空客飞机上加装了三个迎角传感器，一旦一个出现故障，则可通过“表决法”将故障传感器读数排斥在外，这种更安全的设计值得波音公司借鉴。此外建议，当迎角传感器发出警告时，飞机控制系统似可赋予飞行员优先于计算机进行紧急处置的权限。

飞机是当今最快速的交通工具，在追求速度之前，首先应以乘客的生命为重。只有对飞机作更合理的设计和更谨慎的评估验证，才能让乘客重拾飞行安全的信心，避免空难再次发生。

关键词：空难 飞机失速 防失速措施