737MAX问题的背后

Original 方方 方方的航空小筑 4/4 6park.com
        737MAX空难事件已经过去很久了。去年11月18日，FAA宣布解除737MAX停飞令。然而737MAX的问题真的解决了吗？这两年很多专业人士都写过分析文章，就不班门弄斧了。这里只是顺着故障线索，加入时间线再重新捋一下。
        首先，两起空难的直接原因肯定是机动性增强系统（MACS）无疑，这也是官方确认了的。
        由于采用了错误的迎角数据，导致MACS错误地发出低头指令。而因为MACS在操作权限分配上的缺陷，导致飞行员即使人工介入操纵也无法挽救飞机。
        如下图。MACS通过偏转水平安定面来控制飞机低头以避免失速，而当飞行员人工拉操纵杆时，实际控制的是水平安定面后面的升降舵。两者的操纵效率完全不是一个量级的。就相当于用整条胳膊往下压，然后用小指头想把东西挑起来，根本就是不可能的。




        事实上波音的改进措施主要也是针对MACS的。主要是四方面：重新设计MACS；更新显示系统，提供迎角不一致指示；修改安定面配平线路布线；修订飞行手册。基本上就是照着上面的事故原因进行修改的。不能说完全没用，但能不能避免此前的悲剧，不知道。因为这些措施回避了一个问题——为什么737MAX需要MACS？因为737NG上并没有这东西，作为其竞争对手的A320NEO也没有这东西。


          第二，MACS的起源
        MACS本质上是一个自动防失速系统，当飞机迎角意外增大超过阈值时自动推杆，避免飞机失速。对于静稳定飞机来说，这东西是没用的。即是说，MACS针对的就是（在某些情况下）处于静稳定度为负值或者小于稳定飞行阈值的飞机。
        对于采用翼吊发动机布局的民航机来说，由于发动机推力轴线不通过重心，或多或少都有大油门抬头的问题。然而由于飞机本身是静稳定的，加上自动配平系统，因此并没有不可抑制的上仰趋势。
        而737MAX恰恰在这点上与其它飞机不同。它的LEAP-1B发动机相对于737NG来说位置前移以及上移，并且整体向上倾斜了一个小角度，使得发动机推力造成的上仰力矩的力臂比其它飞机更长。如下图

        由此造成的后果就是，最大推力状态下飞机有可能自动上仰直至失速。这就是为什么MAX飞机必须加装MACS系统的原因。


        由此推出问题3：为什么MAX飞机的发动机短舱要如此设计？
        根源就在于737的初始起落架构型。737早期型采用低矮起落架设计，减轻了结构重量，也方便发动机维护，因此一直延续下来。而为了配合这一设计，发动机短舱不得不紧贴机翼下表面。随着发动机涵道比越来越大，737各型发动机短舱不得不采用古怪的“压扁”外形，以确保安全的距地面高度。
        737-200


        737-300

        737-700（NG）



        但是到了737MAX，LEAP发动机采用大涵道比设计，以737低矮起落架的设计，完全不能保证发动机的安全离地高度——事实上LEAP-1B还是专门针对737MAX设计的，压气机最大直径只有69英寸，而A320NEO的LEAP-1A的压气机最大直径是78英寸。
        在不改动起落架初始布局的前提下，设计人员只能将发动机短舱前移——这是为了上移短舱留出发动机吊架的高度间隙，然后再上移，从而确保发动机安全离地高度。所以737MAX的发动机吊架是斜向前上方伸出的，其发动机进气口上缘甚至高过机翼上表面。


        当然，要说波音的设计人员墨守成规确实冤枉他们了。为了放下LEAP-1B发动机，他们延长了前起落架支柱，甚至在保证原始构型不变的限制下引入了可伸缩的主起落架。这样，主起落架在收起过程中可以压缩支柱长度，以便放入原来的主轮舱中。

        但是，即便如此，起落架系统增加的高度仍不能满足LEAP-1B发动机的需求，所以不得不采用前移+上移发动机短舱的设计。当然也正是这个设计导致了MACS的引入。


        那么问题4来了：为什么不能变动起落架初始构型？
        前面说过，A320NEO采用LEAP-1A发动机，压气机最大直径比-1B还大8英寸，但是采用常规起落架构型的A320NEO没有任何问题。为什么到了737MAX这里就不行呢？
        如下图，这是737MAX的原始设计。



        如果要采用更高的常规起落架支柱，那么主起落架支柱的铰接点必须向外移动，以保证主轮能够收入机身主轮舱。




        但是这种变动带来的结果就是，机翼中央翼盒（甚至局部机身）必须重新设计。本来飞机涉及到结构的变动都是非常繁琐和痛苦的，这动的还是主承力结构，工作量可想而知。而工作量的增加就意味着时间和金钱的额外损耗——而这恰恰是MAX损失不起的。


        所以问题5：为什么MAX选择采用MACS而不是修改起落架构型？
        当然，MACS基本上是在软件层面去修改，跟在硬件层面修改承力结构完全不是一回事。如果没有后面的事故，用脚指头想都知道波音怎么选。但是，除此之外，是不是还有别的原因呢？
        来看看这个时间轴。


        从这个时间轴可以看出几点：
        1）MAX上马仓促
        A320NEO进行初始研究是在2006年，正式启动在2010年12月。而MAX项目在波音管理层中一直摇摆不定，最后根本就是被NEO逼得没办法，在11年8月仓促上马。
        2）MAX进度慢，时间紧
        本来启动就晚了NEO9个月，首飞晚了1年4个月，交付晚了1年3个月。对于商用飞机公司来说，时间就意味着市场。别说交付时间晚1年多，就算一个月，对于航空公司来说都是不可接受的。这意味着波音根本没有时间来进行上面说的承力结构的重新设计。
        3）费用超支
        表中一共出现了3份费用预估，波音CFO的说法最夸张，已经上百亿了。注意其中机身开发费用的比例和金额。如果套用到后面伯恩斯坦的预估里面，无论是费用占比还是实际金额，意味着没有更多的钱来进行机身开发。这还是在应用MACS的情况下。要改承力结构？那就想都不要想了。


        那么换个角度想，全力优化MACS行不行？毕竟MACS本质上就是个失速抑制系统，而自1970年代F16首开放宽静稳定度先河之后，这东西早就不是什么黑科技了。
        从技术上说，没有问题。但从上面的时间轴来看，优化MACS面临钱和时间的限制。即使到了今天，还是面临同样的问题。