Contents ...
udn网络城邦
【工业】737Max必须重新认证
2019/04/08 04:46
浏览18,654
回响10
推荐23
引用0

最近两个月,烦心的事特别多,也就无暇照顾博客。不过与政策直接有关的话题还是出现了两次,我不愿错过对人类社会有贡献的机会,仍然写了文章来评论,都直接发表在《观察者网》上。现在把更新过的版本也转录在此;这是第二篇。

==========================================

波音737Max上市发售不久,就一连出现两次坠机事件,造成300多人死亡。目前已经有足够的证据证明这两次事故的主因都是“机动特性增强系统”(Maneuvering Characteristic Augmentation System,MCAS)的逻辑不合理,在单个迎角探测器测量有误时,就专断独行,不论驾驶员如何处置,仍然坚持低头向下紮。

这样低级的错误,固然十分离谱,但是它的背后还是有一些复杂的历史因素。737Max的起源在2010年十二月,那时空客宣布了下一代A320Neo,采用LEAP发动机,从而大幅改善燃油效率,这立刻把波音逼入墙角。燃油是航空公司的主要花费之一,原本波音还在考虑开发一型全新的客机来取代737,但是A320Neo在2014年就要开始交货,重新开发新机型显然会让空客独霸单通道干线客机这个重要的利基很多年;一旦波音的传统客户跳槽,因爲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,这将成爲彻彻底底的商业灾难,于是波音不得不紧急启动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。

爲了赶工,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爲处理。这种官商水乳交融的“自我监管”(Self-regulation)是1980年代Reagan政权起就特别强调的政治原理,其目的是在不公开直接解除政府监管表象的前提下,仍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,使得即使有心办事的官员也没有人力财力来执行任务。这个趋势,在共和党执政期间特别明显,经历Reagan、小Bush和Trump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。

然而在技术上,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平等竞争,于是牺牲基本的安全性成了必然的结果。这其中最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)以追求更大的推力和更高的燃油效率,所以也就越来越粗胖。从上一代的737NG开始,机翼下已经没有足够的空间来吊挂发动机,于是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爲了使用更大的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。其实爲了保证发动机舱下缘与地面有17英寸(43公分)的距离,波音已经要求LEAP的制造商(CFM)特别以燃油效率为代价,缩小发动机直径,所以波音特供的LEAP-1B比A320和C919所用的版本都要小一圈。至于LEAP-1B的另一个特征:后缘的三角形锯齿,那是爲了打破紊流、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。很多新闻报导基于波音自己发表的一篇简介,说737Max采用MCAS是爲了补偿发动机前移所造成的额外上扬力矩,这也成爲很多网络评论的基础;但是专业知识比较强的作者,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,应该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。那么波音爲什么那么说呢?

其实波音那个简介的基本叙述是正确的,不过没有把细节说清楚(可能是故意不说清楚,参见下文)。这里的额外上扬力矩并不发生于平飞的时候,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。发动机舱爲了减低阻力、增加空气流量,外环的剖面形状其实很像机翼,只是必须卷成圆形。所以飞行的时候,发动机舱外环也产生“升力”,但是它不是全部向上,而是与外环面垂直向内,于是在平飞状态下,这些升力互相抵消,没有实际影响。

但是在爬升阶段,飞机处于大迎角(Angle of Attack,又译爲攻角)和全油门(Full Throttle)状态,这时气流主要作用于发动机舱外环的下缘,总升力就是向上了。这个升力因爲有发动机抽取气流的影响,额外强大。同样的效应使得把发动机紧靠在机翼上缘成爲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至飞行器研发失败,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。原本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。一个无法很好控制如何前进后退的飞行平台,当然是没有用处的,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。

737Max的新LEAP发动机前移之后,这个来自发动机舱外环下缘的气动升力就会产生上扬力矩。LEAP的外环粗大、进气量高,都使得力矩更强。更糟糕的是这个力矩随迎角增加而有非线性的快速增大,所以一旦它开始让飞机上扬,就会有失控性的不稳定(Runaway Instability,或者Divergence)。换句话说,737Max在俯仰轴向(Pitch)没有完全的静稳定性(Static Stability)。

静不稳定性是自F16之后,现代高性能战机的特性之一。它使得飞机极爲灵活,但是因爲飞机在极短时间内就可能失控,驾驶员无论如何不可能用手控来维持安全飞行,所以静不稳定性设计的前提是电传飞控,也就是计算机全自动控制,在不稳定性随机发生的几毫秒内就自行主动更正。然而737不像空客A320,并没有电传飞控,仍然用的是机械液压;这也就是前面提到的,737的原始设计过于古老,两个最重要技术问题中的第二项。

但是波音公司的商业前途,在此一举,工程师面临再怎样的困难,也只能蛮干硬上,靠打补丁来弥补,MCAS就是强加在机械液压飞控之上的一个电传补丁。它并不是爲了预防像法航447号空难那样在巡航过程中因爲副驾驶脑子抽风、拼命拉杆、人爲导致失速,而是弥补飞行包线边缘的一个静不稳定区间的必要程序,所以它被设计成在起飞阶段特别敏感(我的猜测),而且优先级别高过驾驶员。如果我们理解它其实被波音工程师视爲简易版的电传飞控而不仅仅是一个安全警告装置,就能明白爲什么驾驶员不能否决它的决定,这是因爲所有电传飞控系统原本就都有最终决定权。

那么波音工程师实际上所犯的错误,就只有一点,亦即允许迎角探测器成为单点故障来源(Single Point of Failure)。但是静不稳定性是一个很基本、很巨大的危险,如果一两个迎角探测器有了误读,也不能简单把MCAS关闭。真正的最佳解决方案,是重新设计机翼,但是波音没有这个时间。次佳的解决办法,是改用完整的电传飞控,这还是需要太久。最起码应该用到三个以上的迎角探测器,如此一来可以容许其中一个出毛病。但是波音似乎是到设计过程的末端才注意到静不稳定性的问题,MCAS是紧急搞出来的Band-Aid(创可贴),而737原本只有两个迎角探测器,要临时再加一个已经来不及。两个读数如果不一致,MCAS也不可能确定哪里一个才是正确的,那么反而不如始终只取其中一个读数,出错的机率只有一半,这也就是既有的MCAS只采用两个迎角探测器中的一个读数来做决定的原因。

但是迎角探测器最终会在使用过程中出错是必然的。实际做设计工作的波音工程师也必然了解这一点,而公司最高层却似乎不明白这个设计决定冒了多大的险。这一般是组织的内部文化腐败到某种程度之后,中高层管理人员欺上瞒下成了惯例,才会出这么大的纰漏。波音在过去十几年里,为美国空军设计新一代加油机KC-46的过程中,磕磕绊绊,一再犯下许多低级错误,完全没有上个世纪的精干形象,看来不是偶然的。

中国民航局这次率先停飞737Max,固然是有胆识的正确决定,也暴露了FAA袒护本国商家的内幕,但是737Max对波音的生意太过重要,即使真相逐步揭露,波音仍然必须尽快止损,恢复交机。而重新设计新机型、新机翼、或者新飞控依旧会拖延太久,只有修改MCAS的逻辑程序,顶多加上第三个迎角探测器,是可以在几个月或一年多内搞定的。所以波音现在的策略必然是谦卑地承认MCAS的缺陷,然后启动所有的公关资源,把公众的注意力集中到MCAS的改进上。但是真正的问题重点,也就是737Max在空气动力学上的静不稳定性,在过去FAA认证的过程中,被波音瞒天过海了。对现在的波音来说,赔偿、指责、调查、声誉损失都是小事,它最怕的是欧洲或中国的民航管理机构重新进行独立、完整的认证过程,那么一旦静不稳定性被发现,新机翼和新飞控就无法推辞,这一拖延下来,少则七年、多则十几年,波音在单通道干线客机市场基本无法提供有竞争力的产品。

中国民航局似乎并没有看透波音的底牌,对自身是否能够或应该独立启动对737Max的重新认证还有疑虑。FAA爲了保护波音,甚至已经邀请中方参与合作,共同检查新版的MCAS(参见https://www.guancha.cn/politics/2019_04_06_496576.shtml),这是魔术师声东击西的伎俩,目的在于遮掩真正的问题所在。我希望藉著这篇文章,提醒民航局,爲了全球乘客的安全,并且提供C919一个公平的竞争环境,对737Max进行独立认证才是正确的选择。

【后注一】今天(2019年六月1日)《纽约时报》刊登了一篇有关MCAS在737Max设计过程中如何演化的历史(参见https://www.nytimes.com/2019/06/01/business/boeing-737-max-crash.html),主要依靠采访当时Boeing的首席试飞员来提供内幕。整篇文章包含许多细节,最重要的有三点:1)MCAS原本触发的门槛非常高,后来逐步改变到只由单个攻角传感器决定;2)Boeing和FAA从来没有考虑或测试过False Positive(伪阳性)的可能;3)MCAS适用性变广,主要发生在737Max研发的最后一年。因爲赶时间,所以Boeing特意对FAA和试飞员都隐瞒了详情。

很可惜这篇文章仍然没有触及整个737Max问题的核心,也就是爲什么Boeing要冒著极大的技术风险,并且瞒著所有的外围人员,也硬要增广MCAS的适用范围。当然我在正文中已经解释了真正的问题所在,也就是Boeing在737Max研发周期的最后,才发现飞行包线的边缘有一个静不稳定的区间,所以不得不拉著MCAS硬上,并且尽所有力量也要隐瞒这个事实,一直到今天依旧如此。

【后注二】我在正文解释过,因爲新引擎的位置、大小和进气量的变化,而导致737 Max在爬升状态有了静不稳定性,这才是Boeing最怕大家发现的事实,所以一切公关都拼命想把公众的注意力集中到软件上。很不幸的,连EASA拒绝快速批准737重飞的公告,都似乎中了Boeing的计,只讨论MCAS的适飞性。

今天(2019年六月5日)终于看到美国知名的消费者权利运动家(Consumer Rights Advocate)Ralph Nader公开质疑737 Max的气动设计。他因爲不是物理系出身,并没有像我在正文里那样详细解释了气动力学的作用机制,但是如果读者去看他的评论(参见https://www.bloomberg.com/news/articles/2019-06-04/nader-says-boeing-737-max-is-flawed-and-should-never-fly-again )应该可以看出他说的是同一件事。

我猜测是有Boeing的工程师,因爲良心驱使,偷偷地和Nader联系,并且解释了细节。

有谁推荐more
你可能会有兴趣的文章:

限会员,要发表回响,请先登入
回响(10) :
10楼. 大一统理论
2019/05/08 13:02
请问王博是有什么看法?为什么郭台铭想要参选总统,他希望达成什么目标

这个问题不适合在这里讨论,应该发在有关台湾政局的文章下。

我觉得他和Trump见面多了,受到启发,觉得可以同样名、利、权、气一概兼收。

王孟源2019/05/09 03:45回覆
9楼. 狐禅
2019/04/23 14:33
中国的技术官员都被描述成「宵旰懮勤」之辈,而少「洞烛机先」者(至少上枱面的不多)。这是制定政策(战略)时的缺。
你说到中共官僚选拔体系的问题核心了,也就是太过专注于是否勤政,而忽视了智能和忠诚。习近平有心改,但是很难。 王孟源2019/04/24 14:34回覆
8楼. 无知者,无畏
2019/04/16 18:09
其实波音的这种决定是整个西方的商业文化

其实从王兄的文中可以看出,波音这次737Max空难的主因是他们试图用旧皮囊装新酒。

我曾在美国软件公司工作多年,他们有一个貌似先进的理念,什么东西都试图做出一个平台,然后其它东西都往这个平台上放。用我原老板的话来说,就是要做成公用平台来满足绝大多数客人的需求。

在产品和硬件(基础设施等)方面也不例外,一旦投资下去,就要榨取到最后一个铜板的收益机会,而不管它的风险有多大,他们的电网,水管,气管,通讯网络等等,都是这个理念。

产品方面,波音这次只是一个例子,不得不用一个几十年前的旧皮囊来装leap动力这款新酒,公司预算,市场需求,外部竞争固然是一个动因,基本原因还是他们的这种“凡事用到尽”的商业文化。我早就在预料,以后更加严重的,会是F35,网友戏称“肥电”,这个东西搞了几十年,不同的需求越来越多,海军,空军,陆军,海军陆战队等,都使用它,整个飞机,一改再改,最终变成一只蛤蟆。不信?等著瞧!

这是自由市场下资本家追求最大利润的最优解,其代价当然是社会成本。

不过在绝对自由市场的许多缺陷之中,还有很多更大的毛病。

王孟源2019/04/17 05:44回覆
7楼. 小子心 —— 四平圆无限,方寸环空间
2019/04/16 10:53

https://www.youtube.com/watch?v=H2tuKiiznsY

(如果有兴趣,更可以看链接的其它相关YouTube影片)

看了这部影片大致可以了解波音爲何如此急切地推出737 MAX系列俾与空客的A320 Neo抢夺市场的优势!

在影片中清楚地看出其

1)爲了改用较有效率的发动机而兀自抬升原挂载角度与高度;

2)爲了屈就因此造成的起飞爬升角度顾虑,却又在MCAS软件上令计算机辅驾凌越机长的人爲操控;

3)而对于这些改变,波音居然只是对原737机长仅施予iPad的操作训练!(难道因爲反正都是看画面瞧键盘而已?!)

这些改动使得原以爲该拉大仰角爬升的机长却被计算机辅驾摁下头,于是机长手控重新调高;而因爲计算机设计优先的设计,结果机头又被压下。如此在最紧要的爬升时刻却一再反复——以致原非常熟悉737机长无从以固有操作方式应付这种完全反常状况,乃至于造成最近连续的空难。

如今波音只强调修正计算机辅助的程序,完全避开未来仍可能发生仰角问题的症结。这种『锯箭式』厚黑招数,小子只希望未来不须“被逼”得搭乘737 MAX机群!

我也看到了。他们除了不懂空气动力学的细节之外,其它重要的相关事实都讨论了。 王孟源2019/04/16 11:17回覆
6楼. 阿拉私家零治灵
2019/04/11 10:29
从麦道DC-10,MD-11的LSAS到波音的737max MCAS,这负稳定民航机里面的水很深却引人入胜,王博士不仿再写篇MD LSAS与Boeing MCAS 一脉相承的文章,毕竟波音收购了麦道及其设计团队。

MD-11的气动问题不一样,还不到静不稳定的地步,叫做Relaxed Stability(宽松稳定?),也就是会在一定范围内有震荡波动,但是不会Runaway。

类似之处在于也是用软件来弥补气动缺失,结果自然是发现软件总会有Bug。

王孟源2019/04/12 13:56回覆
5楼. tobin
2019/04/10 03:22
不太理解您文中提到的:次佳的解决方案是电传控制。如果迎角感应器出了问题,单纯只是电传控制如何能解决?

波音737传统上只有两个迎角传感器,就是因爲没有电传,读数纯属人眼的参考,错了也没有关系。

完整的电传,自然包括可靠的传感读数,系统的冗余性要求高一大截。

王孟源2019/04/10 03:52回覆
4楼. 南山卧虫
2019/04/09 18:55

看了最新的消息:

https://www.guancha.cn/industry-science/2019_04_09_496972.shtml

中国民航局:将参与波音737MAX安全评估

https://www.guancha.cn/politics/2019_04_09_496958.shtml

中飞租赁否认暂停100架波音737MAX订单:没更改计划

首先,同意王兄所述,中国发起停飞,是比过去不出头的政策主动了很多多多了,效果亦极佳。

其次,中国似乎并不想在此问题上,一下子就弄死美国--不然,有一百种方法把事情闹得不可收拾。

现在,中国多了这个"意外"而得的筹码,看来贸易战和工业2025,应可稳操胜券了--起码可以拖得起,能拖,中国就是赢了。

我的猜测是,中级官员没有把事情想通,自行做了决定。

中方的政治思维文化不包括讹诈,所以没有拿这件事来和贸易战混为一谈。否则以Trump的目光短浅,如果不先杀个下马威,他根本不懂这事有什么后果。

肉食者鄙,未能远谋,我的建议没有来得及阻止他们上当,自然有些可惜,不过不在其位,不谋其政,我已经尽力了,无愧于心。
王孟源2019/04/10 04:16回覆
3楼. 南山卧虫
2019/04/08 20:22

有些文字方面的小建议,王兄请酌。

静稳定性(Static Stability)--如果不是正式公认的中文译名,建议改为"静态稳性"(只有静字,容易误解成声音方面的用词。改后亦似乎较符合中文语感)。

静不稳定性--同上,建议改为"静态失稳"(尤其"失"字很有用,因为暗示原来应该是稳定的,但会在难以预料的情况下,突然失去稳定)。

我写的这些词汇的确是常见的中文翻译。因爲静不稳定性对现代战机很重要,军迷应该都知道。 王孟源2019/04/09 01:29回覆
2楼. !@#$%^&*()_+
2019/04/08 15:13

我是MBA。我说737是公司的超级印钞机。售价不变的情况下,减少一片翅膀可以增加1000万美元利润。我就叫工程师给我设计一个没有翅膀的737。

工程师会听话吗?他们会把我剥皮然后丢到西雅图动物园餵猴子。

有些不会死人但是很王八蛋的决定是文科白痴做的。

低到这个程度的错误绝对是工程师从上到下全部都该枪毙的问题。

大家都知道,美国从二、三十年前就是靠亚洲人撑理工。以前是日本、中国、印度。后来日本人越来越少。中国人也是学成就当海龟。最不可能离开的就是印度人。会不会他们把大部分有权接触机密的老工程师送去武器部门,留下那些拿绿卡、刚得到护照的人在民航部门?

如果单位里很多人是印度人,老资格的白人工程师也会想换单位。可是印度人往往没有整体观。搞成这么低级,绝不可能是MBA的错。唯一的可能就是整个决策-执行链都被印度人吃下去了。

所以737后期型号的问题很可能不只这个。很可能是很多地方大错特错到底。但并不是每个错误都会死人。所以被忽略了。


要是工程师敢把白痴经理丢到动物园喂猴子,公司就还不算腐败。

我认爲波音工程师绝对是提出了抗议,但是经理向项目总管反应之后,总管爲了如期完工、向最高层交差,硬是把问题压下去,要求只做简单的补丁。不过这只是逻辑猜测,没有证据,不能写入正文。

至于印度人的事,更加没有事实证据的支持,连留言讨论都不合适,因爲它徒然引发/增强偏见。
王孟源2019/04/09 02:59回覆
1楼. 笋子
2019/04/08 09:10
写得非常精彩,稍微补充个人看法。通常组织文化中,大公司遇到竞争激烈而导致无法生存时,它的GEO及高层就会有由营业或营销出身的人挂帅,这时,技术就站到一旁。波音一直用的老机型,在不用开发新机型下,有利可图,且旧机型在营运业者可省去大量的新机飞航训练成本,如模拟机(Simulator)教材都可以一本用几十年,甚至转至其它机种也花很少时训练。当然,美国雷根时代有名的开放天空政策(Open Sky Policy)也造成极大的影响。总之,它不是单一的偶然,是一个包括国会、华尔街金融及军工业长期合作的必然,是大国制造业即将全面衰退的开始。中国应党利用此一机遇,稳步向前,但飞安必须特别注意。前期的ceo不可用营销或业务出身的,以避免在机械、电子等工程方面,为了省钱而打折扣。
当然会有特例,但是的确MBA出身的经理容易落入追寻快钱的陷阱。 王孟源2019/04/09 01:39回覆