波音737 Max自动化故障：设计缺陷导致致命事故

工程6（2020）2新闻亮点波音737 Max传奇：自动化故障克里斯·帕尔默高级技术作家当波音公司在2011年宣布737 Max时，这架飞机被誉为制造商可靠的下一代主力客机。Max于2017年首次投入使用，配备了新的，更省油的发动机和更新的航空电子设备，具有更长的航程和更低的运营成本[1]。重要的是，波音公司设计的Max与以前的型号有足够的共同点，一个飞行员池可以在最少的额外培训下驾驶两架飞机，而不是在新机型上进行全面的重新认证。此外，Max使用了现有的、已经认证的机械结构--只是使用了新的发动机和航空电子设备--这意味着波音公司可以避免重新设计飞机所需的耗时的认证过程。亚利桑那州立大学物质、运输和能源工程学院的航空航天工程实践教授蒂莫西·高桥说：“打开认证的蠕虫罐很容易使飞机的交付日期延长几年。”‘‘Also, for Boeing’s customers再培训飞行员的费用不小。然而，Max的发动机更大，位置更靠前，比其直接前身737 NG的发动机更高。这些差异导致飞机的飞行方式不同。例如，新的发动机位置可能会导致飞机的机头在某些情况下向上倾斜，如在低速飞行或大迎角手动飞行时--可能导致飞机失速[1]。为了让Max的操控更像以前的737机型，波音设计了一种名为机动特性增强系统（MCAS）的自动化软件工具。 在某些情况下，该系统通过将飞机机头向下推，自动将平尾配平调整到稳定的俯仰（图1）。然而，MCAS被设计成在只有一个传感器显示大迎角时激活.这意味着如果飞机的两个迎角传感器之一而且，由于波音公司打算在后台谨慎地使用该软件不用说，飞机是一个极其复杂的工程系统.包括来自10个国家的民航当局的技术代表在内的调查人员现在得出结论，保持连续性的业务决策，为了更快地交付飞机并降低总成本，导致该系统失败，最终导致Max发生两起致命事故[4]。两起事故发生后，调查人员迅速将注意力集中在Fig. 1.在某些情况下，波音737 Max 8的MCAS被设计为自动移动水平稳定器，就像巴西航空工业公司ERJ-170上的这一个，以推动飞机的机头向下以防止失速。Credit：YSSYguy，English Wikipedia（CC BY-SA 3.0）.飞机的电子控制软件是问题的直接来源。后来，监管监督和飞行员培训也发挥了作用。2018年10月29日上午6时20分当地时间，狮航610航班在飞机上一次飞行中，MCAS是由错误的速度和高度读数触发的。一名下班的 飞 行 员 在 早 些 时 候 的 飞 行 中 正 确 地 诊 断 出 了 问 题 并 禁 用 了MCAS[5]。但610航班起飞后不久，驾驶舱内的警告信号提醒飞行员飞机可能正在失速。飞行员无法确定飞机飞机起飞12分钟后坠毁，机上189人全部遇难在事故发生时，230架737 Max 8已交付给包括中国和美国在内的15个国家的航空公司。几天之内，调查人员就开始关注MCAS和飞行员在一周内，波音公司发布了关于如果迎角传感器故障错误地触发了MCAS，飞行员应该做什么的这是大多数飞行员和航空公司第一次听说自动化软件[1]。在调查期间，世界各地的航空公司都保留了Maxhttps://doi.org/10.1016/j.eng.2019.11.0022095-8099/©2020 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engC.帕尔默/工程6（2020）2-33波音公司继续建造并每月交付约50架飞机。然后，五个月后，2019年3月10日上午8点38分，埃塞俄比亚航空公司302航班从埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴起飞。飞行两分钟后，MCAS启动，机头向下倾斜。飞行员很快重新控制了飞机，但MCAS第二次启动。飞机起飞6分钟后坠毁，机上157人全部遇难。在埃塞俄比亚航空公司坠机事件发生后，MCAS再次被认为是一个原因，再加上飞行员无法手动调整水平配平，部分原因是发动机在起飞时仍处于全推力状态。有一个电子系统来帮助转动平衡轮（类似于汽车中的动力转向），但该系统以及其他几个电子系统都被禁用MCAS的相同开关禁用[1]。‘‘On ‘‘But a single angle-of-attack sensor giving a bad 这种设计有问题纽约特洛伊伦斯勒理工学院计算机科学副教授卡洛斯·瓦雷拉对此表示赞同。他还建议，航空电子系统最好不要依赖于同质的传感器集合。“你真的需要不同类型的传感器，每种传感器都有独立的故障特征，”他说事实上，Max的原始设计要求将多种传感器类型输入MCAS[3]。后来，在该公司决定缩减到单个传感器后，波音工程师考虑在Max上安装一个合成空速系统，该系统将利用多个数据源来测量飞机的移动速度当迎角传感器发生故障时，该系统可能会作为备份，但波音公司高管在三个不同的场合决定不开发备份系统，理由是开发它的成本和飞行员必须接受的培训增加。关于两起坠机事件中的飞行员，波音公司高管表示，飞行员按照标准应急程序行事，事故可能已经避免。但美国国家运输安全委员会官员驳斥了这一说法，称在MCAS激活后，普通飞行员很难轻松恢复飞机。瓦雷拉说：“自动化程度越高，飞行员手动飞行的次数就越少，这使得他们处理紧急情况的能力越差。”瓦雷拉也是一名仪表等级的私人飞行员，拥有900多小时的飞行经验。随着航空旅行变得越来越普遍，对飞行员的需求也越来越大，几乎可以肯定的是，飞行员的平均技能不会提高。为了解决这个问题，自动化的提高速度必须快于飞行员平均素质的下降速度。能够解释他们的决定的系统可以提供帮助。自2019年3月第二次坠机事件以来，当时服役的300多架Max飞机的机队已在全球范围内停飞，波音公司没有交付额外的飞机[1]（图2）;迄今为止，订购的5043架飞机中只交付了387架。除了一些分析师称将花费10亿美元的坠机事件中遇难乘客家属的未决诉讼外，波音还在2019年7月拨出56亿美元用于以折扣和附加服务包的形式向延迟交付的客户提供回扣[8]。如果Max未被批准在2020年第一季度恢复服务，这一延迟可能最终会让公司付出更多代价。截至2019年10月，拥有最多Max喷气式飞机的西南航空公司和其他美国航空公司已将该飞机从其航班表中删除，直到2020年2月。但这一切都发生在2019年10月之前，当时美国联邦航空图二.在2019年3月波音737 Max发生第二次致命坠机事件后，当时在全球服役的387架Max飞机停飞。与此同时，波音公司继续每月制造数十架飞机，它们停在西雅图的停车场，等待交付。图片来源：SounderBruce，Wikimedia Commons（CC BY-SA 4.0）.管理部门发现波音飞行员之间的短信，表明他们在坠机前几年就知道MCAS软件的缺陷[9]。与此同时，波音公司正在努力重新设计MCAS，方法是缩小其推动机头向下的能力，并将其连接到每架飞机上的两个传感器，而不是像最初设计那样只依赖一个传感器。该公司还计划安装软件的备份副本，以防主系统出现故障[10]。引用[1] 斯洛特尼克湾737 Max的完整历史，波音公司有前途但有问题的主力喷气式飞机。Business Insider; 2019 年 9 月 25 日 [ 引 用 于 2019 年 10 月 17 日 ] 。 可 从 ：https://www.businessinsider.com/boeing-737-max-timeline-history-full-details-2019-9获取。[2] 华莱士G，格里芬D，艾耶尔A。波音公司宣传737 Max几乎不需要额外的飞行员培训。亚特兰大：CNN; 2019年3月22日[引用2019年10月17日]。可查阅：https://www.cnn.com/2019/03/22/politics/boeing-737-manual/index.html。[3] Nicas J，Kitroeff N，Gelles D，Glanz J.波音在737 Max中建立了致命的假设，对后期的设计变更视而不见。纽约：纽约时报; 2019年6月1日[引用2019年10月17日]。可查阅https://www.nytimes.com/2019/06/01/business/boeing-737-max-crash.html。[4] 波音737 MAX飞行控制系统联合当局技术审查：观察，调查结果和建议。 华盛顿特区 ： FAA; 2019 年 10 月 11 日 [ 引 用 于 2019 年 10 月 20 日 ] 。 可 查 阅 ：https://www.faa.gov/news/media/attachments/Final_JATR_Submittal_to_FAA_Oct_2019.pdf。[5] Lee Y.据报道，在去年致命坠机事件的前一天Englewood Cliffs：CNBC; 2019年3 月 19 日 [ 引 用 于 2019 年 10 月 17 日 ] 。 可 从 以 下 网 站 获 得 ：https://www.cnbc.com/2019/03/20/lion-air-boeing-737-saved-by-off-duty-pilot-a-day-before-crash-report。 HTML.[6] Kitroeff N，Gelles D，Nicas J.波音737 Max安全系统被否决，工程师说。纽约 ： 纽 约 时 报 ; 2019 年 10 月 2 日 [ 引 用 2019 年 10 月 17 日 ] 。 可 查 阅 ：https://www.nytimes.com/2019/10/02/business/boeing-737-max-crashes.html。[7] 基特洛夫波音低估了737 Max的驾驶舱混乱，NTSB说。纽约：纽约时报; 2019年9月26日[引用2019年10月17日]。可查阅：https://www.nytimes.com/2019/09/26/business/boeing-737-max-ntsb-mcas.html。[8] 格雷格·A波音公司报告其有史以来最严重的季度财务损失，因为737 Max危机仍在继续。华盛顿特区：华盛顿邮报; 2019年7月24日[引用2019年10月20日]。可查阅： https://www.washingtonpost.com/business/2019/07/24/boeing-reports-its-worst-ever-quarter-losses-max-crisis-continues/。[9] 华莱士G，马奇R。波音飞行员在内部消息中讨论了737 MAX的“基本”问题。亚特兰 大 ： CNN; 2019 年 10 月 18 日 [ 引 用 2019 年 10 月 20 日 ] 。 可 查 阅 ：https://www.cnn.com/2019/10/18/politics/boeing-737-max-faa-documents/index.html。[10] 波 音旧 金山 ：市 场 观察 ; 2019 年 8月2日 [引 用2019 年 10 月 20 日]。 可从 ：https://www.marketwatch.com/story/boeings-latest-737-max-fix-would-employ-second-flight-computer-2019-08-02获取。