一分快乐10

2019-08-02 14:30 来源:澎湃腾讯时时彩·澎湃号·湃客

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本报记者
金逸伦 信息科学技术学院2015级本科生
滕 达 化学与分子工程学院2015级本科生
2018年10月29日,印尼狮航JT610号班机起飞仅仅13分钟就坠入大海;半年不到,2019年3月10日,埃塞俄比亚航空ET302号班机也在起飞8分钟后坠地。这两架失事的飞机都是波音737客机刚刚推出的新型号737 MAX 8,且都是交付给航空公司使用不到半年的新飞机。这两件蹊跷的事故让波音737这款耳熟能详的客机重新走入人们的视线。
波音737系列可以说是民航界的“常青树”,自首飞以来,已经在短途客机市场活跃了50多年,至今已向航空公司交付超过10000架。半世纪中,民用航空的需求不断变化,波音737也经历了一次次“魔改”,在其他机型不断退役,甚至其他的飞机制造商不断退场的激烈竞争中存活下来。五十年来,波音的一个个决定或拯救了737,或埋下了重大的隐患,而这次的危机里,这些过往的决定都将被重新审视、检验。
设计与初代B737
△波音727,两个发动机在尾翼侧面下方,另一个装在尾翼上
1960年代,设计师们最初设计波音737的时候,本来打算使用和她的前辈波音727一样的发动机布局,将发动机吊装在尾翼的两侧。但波音工程师乔·萨特最终决定将引擎安装在机翼下方。这一大胆设计,让波音737成为了世界上第一款把引擎装在机翼下方的双引擎客机。
事实证明,萨特作出了一个极具远见卓识的决定——随着引擎越做越大,越做越重,只有把引擎吊在飞机的中部才能保持平衡。此后,这一设计成为了波音737长盛不衰的重要原因。
波音737的机体设计借鉴了波音727,引擎也选择了波音727的同款——普惠JT8D涡扇发动机。搭载这一代引擎的737后来被统称为波音737OG(Older generation)。这款引擎形状细长,就像一根雪茄,因此对机翼下方的空间要求不高。机翼离地的高度,是由起落架的长短决定的,737的起落架设计得非常短,起飞后起落架收入机舱,也就更加节约空间。
△美联航波音737-200,搭载雪茄形JT8D涡扇发动机
初次换代:波音737CL
在1980年代第二次石油危机时,波音737OG的缺陷逐渐暴露出来。由于石油价格暴涨,航空公司为了燃油经济性考虑,逐渐开始退役更耗油的波音727,而彼时的波音737OG受引擎限制,航程不够,无法填补波音727空出的市场。于是,波音公司着手改进波音737,让她能飞得更远、更省油。这一代改进型波音737,在后来被称为737CL(Classic)。
为了让引擎更节油,波音采用了全新的发动机:通用电气CFM56-3B-1。然而新的引擎更大、更粗,无法适配波音737的“小短腿”,而如果重新设计起落架,机腹起落架舱、电路、液压管线都要重新设计,工程量将会极大增加。于是,波音采取了权宜之计,把新引擎底部削平,把本来安放在底部的引擎部件移动到侧面,使得引擎不至于过低以至擦地。
△波音737-300(CL)正面图,可以看到被削平了的引擎底部
△相同视角下的空中客车A320(左)与波音737(右),波音737的离地间隙更小
由于重新设计构型的难度不亚于设计一款新飞机,此后每一代波音737都继承了相同的短起落架,“小短腿”这个外号也就一直伴随着波音737。但如果不更改起落架布局,就要在引擎选择、设计和安装上取舍,这样的修修补补总伴随着大量的妥协。
如今,波音737 MAX的空难再次把人们的视线引向这款经久不衰的飞机,而回过头看,前两代波音737的小修小补背后,也是许多次或传奇或悲剧的空难。甚至可以说,如果没有这些事故,很多改进就无从着手。它们暴露了波音737机型本身的严重设计缺陷,随后的修补也极大改善了航空安全。
“敞篷飞机”——阿罗哈航空243号班机事故
相信大家都见过敞篷车,那么,敞篷飞机呢?这不是玩笑,1988年4月28日,在夏威夷群岛上空就发生了一起“敞篷飞机”的高空惊魂。当天,阿罗哈航空243号班机从夏威夷主岛起飞飞往檀香山。执行任务的波音737-200当时机龄19年,已经飞行了35496小时。
△阿罗哈航空243号班机事故,机型为波音737-200
起飞后30分钟,飞机爬升到正常飞行高度24000英尺。此时,飞机左侧的蒙皮因为长期积累的裂缝、内外压强差而裂开,随之把飞机前部的蒙皮完全撕开。多亏机组人员技术过硬、处变不惊,这架“敞篷飞机”才得以成功降落,仅一人殉难。
事故调查报告显示,虽然这架飞机的飞行时间不到设计寿命的一半,但起落次数却达到了90000次,超出设计值两倍之多。每次起落,随着机舱压力的变化,飞机的蒙皮材料都会承受巨大的压力,而高密度的短途飞行中频繁的加压、降压,加速了机体的疲劳。久而久之,蒙皮产生越来越长的裂缝,最终全部裂开。
事故过后,波音在客机机身连接处进行了额外的加固。而航空公司对老旧飞机的定期检查也更加频繁和仔细,对机身细微裂缝更会进行定期X光检查。此后,波音在设计787客机的时候就考虑了高密度短途航班的需求,应用了大量的复合材料,优化了机身的起降寿命。多亏了阿罗哈航空243号班机事故敲响的警钟,如今,大量机龄25年以上的老旧飞机才得以继续安全服役。
方向舵谜案——波音737方向舵问题
近期连续的两起波音737 MAX 8事故,难免让人怀疑737 MAX系列是否存在设计缺陷。其实,早在1990年代,波音737就曾经遭遇连续的神秘失控。
1991年3月3日,美国联合航空585号班机在接近科罗拉多泉机场时,飞机突然大幅向右偏转,最终彻底失控,25名机上人员全部身亡。1994年9月8日,全美航空427号班机在接近匹兹堡国际机场时,飞机突然向左偏转失控,132名机上人员全部身亡。由于两架飞机都摔成了碎片,找不到任何完好的飞机部件,事故原因也就成了一桩延续数年的悬案。调查员只能从黑匣子知道,飞机失控时,方向舵都发生了大幅偏转并卡死,但原因却无从知晓。
波音737尾翼,方向舵位于尾翼的后部,即图中深色区域
1996年6月9日,在全美航空427号班机事故的2年后,正当调查员一筹莫展之时,东风航空517号班机也在空中遇到了类似的方向舵卡死问题。幸运的是,方向舵迅速恢复了可控状态,飞机得以安全落地。
调查员拆下了这架飞机的动力控制单元(PCU)进行测试,这个单元属于飞机方向舵的液压部件。经过3年的详尽测试,调查员们才复现出方向舵卡死的场景——他们向干冰冷却的PCU中注入热液压油,发现在PCU经历过极端温差后,可能会向驾驶员操作的相反方向卡死。
1999年3月24日,在美联航585号班机事故整整8年后,美国联邦航空局局发布最终调查报告,要求波音更换所有现役波音737的PCU。自此以后,波音737的方向舵问题才得以最终解决。
电子化更新——波音737NG
九十年代,空中客车推出高度电脑化的A320窄体客机,与波音737正面竞争。彼时正值海湾战争,石油价格进一步暴涨,这也使得设计年代更早的波音737CL系列处境窘迫。1993年,波音启动了新一代737的设计,这一代737被称为737NG(Next Generation),也就是我们现在最为常见的波音737。全新的波音737NG换装了通用电气最新一代的CFM56-7B发动机,燃油经济性进一步提升。
除了引擎,波音737NG与波音737CL的最大区别在于驾驶舱。为了追赶高度电脑化、自动化的空中客车A320,波音737NG首次引入了全液晶仪表和飞控电脑,使得驾驶员的操作更简便,操作精确度更高。
△波音737-800(NG)驾驶舱(左)和波音737-300(CL)驾驶舱(右)
不过,步子迈太大并不好,波音737NG的自动化也引入了设计缺陷。2009年2月25日,土耳其航空1951号班机在接近阿姆斯特丹史基普机场时坠毁。经过调查,事故的原因是机长一侧的无线电高度计故障,飞机的自动驾驶系统误以为飞机已经在地面上,随后控制油门减速,导致飞机过慢,失速坠毁(飞行过慢或仰角过大时,飞机因为升力不够而下坠)。
调查报告认为,事故原因在于波音的自动驾驶系统未能有效处理单侧仪表失效,也未能有效警示飞行员采取行动。虽然波音737有两台独立的无线电高度计,分别位于机长和副机长的面前,但自动驾驶系统只会从机长面前的高度计读取数据,而不会检查读数的一致性。波音随后修改了自动驾驶系统的设定,使它在单侧仪表故障时自动断开,并发出警告,要求飞行员接手飞行。
如今,商业飞行越发高度依赖电脑,然而电脑虽然精度高、响应快,却无法灵活处置实际飞行中复杂的异常情况。所以,遭遇异常情况时,电脑应该何时让飞行员接手处理,如何有效提醒飞行员处理,在人机配合中就显得格外重要。土耳其航空1951号班机事故的教训,使得人们能够在设计层面优化人和电脑的协作,也让飞行在电脑的辅助下更加安全。
△土耳其航空1951号班机事故现场
争议更新——波音737 MAX家族
2010年,空中客车公司开始了A320neo计划,为1992年定型的老A320更换最新的引擎。不甘人后的波音原本打算设计几乎全新的飞机,奈何竞争对手宣称他们可以在五年内就交付新型号,为了争取订单,波音最终仍然决定沿用老的波音737结构,以期加快工程进度。这就是现在舆论风口浪尖上的波音737 MAX。
波音737 MAX换装了通用电气最新的CFM-Leap1系列发动机,能带来11%的燃油经济性提升。然而,波音737结构上的老问题又来了——新的发动机直径更大,更加难以适配它的短起落架。
波音不得不在引擎上做出进一步妥协。首先,波音放弃了推力更大,直径也大的A320同款引擎CFM Leap-1A,而改用风扇直径更小的Leap-1B型。然而就算是Leap-1B,直径也比过去的引擎大了20厘米,无法装入波音737的翼下。波音不得不升高并前移了引擎的安装点,还加长了机鼻起落架,使得引擎开口略微上翘,不至于过低。此外,由于Leap-1B型引擎更加沉重,波音额外加固了机身结构,最终导致波音737 MAX 8的空载重量提高了2.9吨。
△737-200(OG), 737-800(NG)和737 MAX 8的比较,引擎从初代的雪茄形开始,逐步变粗,安装点也逐步提前
△波音737 MAX 前起落架加长示意图
尽管波音737 MAX系列在燃油效率上进步明显,但代价是结构上的不稳定:飞机前部重心被抬高,后部则相应降低,这意味着737 MAX系列更容易抬头。针对这一问题,波音设计了一套称为MCAS的系统,在检测到飞机抬头的仰角过大时发出指令,下压机头来防止飞机失速。
然而事与愿违,印尼狮航JT610和埃塞俄比亚航空ET302的坠毁,都有证据指向这套系统。印尼狮航事故的初步报告显示,机长侧的仰角传感器发生故障,输出异常大的仰角值,触发MCAS不断下压机头,最终坠毁。就在昨天,埃塞俄比亚航空事故的调查团队已经读取黑匣子数据。据埃塞俄比亚交通部长透露,黑匣子数据直接将事故原因指向了MCAS系统。
实际上,波音为了吸引航空公司购买737 MAX,在宣传中强调了上一代737的飞行员不需要过多额外培训就可以上手737 MAX,也并没有告知航空公司和飞行员MCAS系统会在何时介入、如何解除等细节。因而,上一代波音737的飞行员们,没有经过足够的适应性训练,就获得了波音737 MAX的驾驶许可。
结语
可以说,如果不是波音737在设计时,卓有远见地将发动机吊装在了机翼上,她也不会在天空中遨游五十年之久;但对这一成功设计的过度依赖也成了掣肘,让波音在引擎安装问题上一再妥协,并不得不采用了MCAS这样“头痛医头,脚痛医脚”的高风险电子系统。目前,波音737 MAX系列已经被全球停飞,等待调查。如果被证实是设计失误,波音必将面临高额赔偿。
纵观波音737五十年的发展历程,战争带来的油价上涨和空难居然是飞行技术进步的两个最大推手,不免有些讽刺。诚然,空难的代价是巨大的,但从每次空难中,我们都能学到教训,让民航更加安全。今天,在我们等待调查结果的同时,也不用感到恐慌。超过二十余年的商业飞行证明,目前还在正常运营的波音737-800(简称为738),是安全可靠的,而被调查的737 MAX 8往往被称为737-8或7M8,现在已经暂停了商业飞行。
同历史上每一次事故一样,相信全世界各方的调查员能够给旅客和波音737 MAX系列一个公正的答案。而到那一天,我们所乘坐的每一架民航客机,都将变得更加安全。
图九引自G. J. Boe and J. R. Heilig, http://www.b737.org.uk
关键词 >> 波音737
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