波音737 Max 空難事件

2022年3月21日,中國東方航空一架MU5735航班,從昆明飛廣州不幸墜機,機上132名乘客全部罹難。這班737-800飛機的黑盒子已經尋獲,相信事故判讀很快就會出爐。我們在這一篇為讀者介紹波音銷售超過一萬架的737系列,以及這個系列的最新機種737 Max 所發生過的空難事件始末。

 

波音737系列

波音737的開發構想始於1964年,首架波音737-100於1967年首飛;這是一款低操作成本(Operating Cost)、中短程/雙引擎的窄體噴射客機,原本是波音707和波音727的衍生機型,至今發展出14個型號。

在1980年代,波音公司著手研發737「經典型」(-300、-400和-500);這款737「經典型」不但增加了載客人數,還採用當時較先進的CFM56渦輪扇發動機等設備。到了1990年代,波音開始研發737「新世代」,改良措施包括重新設計機翼,先進的駕駛設備,及全新的客艙。波音737新世代一共有七種型號:-600、-700、-700C、-700ER、-800、-900和-900ER,並設有商務機型BBJ。

波音737系列是民用航空史上最暢銷的客機,自1967年首飛至今,已生產超過一萬架;歐洲空中巴士公司當初進入民用飛機市場,就是選定波音737系列作為競爭機型,推出A320。波音與空中巴士在中短程/雙引擎的窄體噴射客機的市場競爭一直持續到21世紀。

波音737型客機的生產量超過一萬架,是當今全球生產數量第一個超過一萬架的商用噴射機型,打破金氏世界紀錄。 波音公司(Boeing)在2018年3月13日發布的新聞稿指出:第1萬架的波音737型客機(N8717M),是撥交給美國西南航空公司(Southwest Airlines)的波音737 MAX 8。

來源:波音公司公布「737 Max」機型

 

737 Max 空難事件

2018 年10月29日,印尼的獅航Lion Air 610 班機從雅加達起飛13分鐘後就墜毀於爪哇海,189名乘客和機組人員無一幸免。事隔不到五個月,2019年3月10日衣索匹亞航空從其首都飛往肯亞的302班機,起飛不到6分鐘就在機場附近墜毀,157名乘客和機組人員全部罹難。兩件空難都是波音737Max 客機。

上述空難事故發生後,美國聯邦航空管理局(FAA)花了18個月,完成事故調查、並發表了一份245頁的報告。看完調查報告後,讀者可能也會十分扼腕,兩個可以完全避免的災難就因為多重人為疏失,喪失了346條人命。

如同調查報告所述:從來沒有人會將波音 737 Max與災難連結在一起,因為737系列應該屬於是一個美國具獨創性與高科技的成功故事 -- 在印尼獅航 610班機首次墜毁之前,這架先進、更省油的飛機是波音史上最暢銷的的噴射客機;Max代表著波音737系列的第四代客機。

首先,我們回顧一下事故發生的過程:事故的前一天,獅航的一架兩個月前才交機的全新波音737Max(043),正駕駛在航班起飛時,發現「震捍器」(Stick Shaker)開始震動 -- 震捍器是一種因應飛機即將「失速」(Stall),為駕駛提出警告的裝置。

飛機失速的原因是:「攻角」(Angle of Attack, AoA)過大,造成「邊界層分離」(Flow Separation),從而引發機翼失去「升力」(Lift),「阻力」(Drag)也隨之大幅增加。一般而言,「攻角」(AoA)越大,升力就越大,但是升力的增大是有極限的;超過這極限,升力就會因為「邊界層分離」而急速下降,阻力則快速上升,從而引發「飛機失速」(Stall)。所謂「攻角」指的是:飛機飛行方向和機身軸線之間的角度,可以簡單的想成氣流「打」(攻)到機身的角度(參見下圖)。

 

「飛機失速」(Stall)是很嚴重的問題,尤其在低空那幾乎是致命的,所以飛機機身左右兩側都裝有「攻角傳感器」(AoA Sensors)可以將信號傳入飛機上的電腦,經過計算判定:是否即將失速而發出警告。

當獅航043班機駕駛注意到:失速警告信號時,飛行卻一切都正常,所以就不在意。經過了大約半分鐘後,銀幕出現"IAS DISAGREE指示空速不一致",換言之就是其中有一個傳感器故障。因為飛機有兩套獨立主電腦加上一部備用電腦,駕駛員很快的判定左邊傳感器故障;於是將系統切換到只用右邊傳感器信號,系統一切似乎回歸正常。此時飛行高度到達1500呎,基本上已經完成起飛。

接下來的飛行操作就是初始爬升階段,副駕駛調整了油門並設定最佳爬升坡度、並收起「襟翼」(Flap)。可是飛機不但沒有爬升,反而機頭朝下俯衝,副駕駛本能反應就是把機頭拉高,機頭拉起飛機繼續爬升,但是5秒鐘後機頭又朝下。當副駕駛忙著試圖控制飛機時,機長急忙翻閲「快速參考手冊」(Quick Reference Handbook),試圖找出因應手段,但是手冊中沒有一項符合當時情況。這中間經過了六分鐘,飛機就這樣起起落落,有一次甚至掉了900呎高度。

就在正副駕駛都束手無策,飛機即將失控的時候,坐在駕駛艙Jumper Seat的一位不當班、搭便機的飛行員在目擊一切過程後,說了一句話:”試試「失控水平尾翼清單」(What about the runaway stabilizer checklist)。其實正駕駛也不淸楚是不是水平尾翼造成的問題,但是因為沒有其它選擇,只有姑且一試,拿出清單按照步驟:最後將尾翼自動配平取消,說也奇妙,隨後飛機就恢復控制,安全飛抵雅加達。飛機著陸後,機長在飛行日誌上註記了飛行經過,但是沒有說明是如何解決的,也沒有意識到問題的嚴重性。

翌日早上6:20,此架飛機以獅航610班機,起飛前往邦加檳城。很不幸的是這次的機組人員沒有第三名不當班的飛行員提醒,飛機的自動仰角配平系統在八分鐘內將機頭不斷的往下壓多達28次,飛機最後以600英哩時速衝進海裏。

事隔不到五個月,2019年3月10號衣索匹亞航空302班機在起飛後6分鐘墜毀,其飛行情況與獅航610極其相似。由於排山倒海的輿論壓力當時的川普總統才於3月13日宣布全面停飛波音737 Max客機,靜候調查。

 

 

空難事故近因

空難事故發生都有遠因與近因,讓我們從結果談起。

造成飛機機頭往下壓的元凶是:所謂的「機動特性增強系統」(Maneuvering Characteristics Augmentation System, MCAS)。當初波音在改進737原有機型成為Max機型時,採用了推力更大、更省油的引擎,但是如果安裝在原機型的引擎位置就會離地面太近,可能會吸入地面的碎石雜物,造成引擎的「渦輪葉片」(Turbine)受損。於是,工程師將引擎安裝位置往前移,並將前起落架加長8英吋。這個改變造成空氣動力特性改變,並影響到某些飛行狀況下的飛機操控。

因為引擎往前移造成力臂增大,再加上較大推進力所產生的力距,自然會造成飛機的仰角增大 -- 如果速度沒有相應增加,那麼「攻角」(AoA)就會變大。各位都知道,噴射戰鬥機起飛仰角可以很大因為它的速度快,相應的攻角不會過大而造成失速。但是,客機起飛仰角不能過大,因為容易失速;就算不失速,乘客所承受的「G重」太大也會不舒服。

來源:西雅圖時報(The Seattle Times)報導

 

因此,工程師利用軟體程式MCAS 系統進行補償 -- 它利用「攻角」(AoA)傳感器來檢測飛機何時進入陡峭爬升,進而啓動飛機的俯仰配平系统,該系统通常用于幫助穩定飛機並使其更易于控制,尤其是在爬升和下降期間。MCAS會以適度的增量每次調整最多九秒鐘,直到它檢測到飛機回歸到正常的攻角、並結束陡峭爬升。問題是:MCAS系統會在手動飛行,駕駛員沒有輸入指令下被觸發。更糟糕的是波音沒要求飛行員接受此系統操作訓練,所以737Max的飛行員可能不瞭解MCAS系統的作用會導致上述情況發生;飛機駕駛一旦遇到上述狀況,在短短的十數秒鐘時間裡,可能會束手無策。

 

 

空難事故遠因

事故的遠因歸咎於:十多年來美國波音與歐洲空中巴士在客機市場的激烈競爭。

波音737 和空中巴士A320同屬於窄體客機。在這其間,波音將737升級了三次:在1997年開始生產「第三代」737NG機型 -- NG是Next Generation 的縮寫,而空中巴士還在生產1988年的機型。

2010年底,空中巴士突然宣布其秘密發展的高效率機型A320 neo -- neo 是new engine option的縮寫。它比波音737NG節省6%燃油。這是什麼慨念?就以美國西南航空為例,它的機隊有751架波音737, 在2018年總耗油量是21億加崙,每加崙以$2.20美元計價總共花了46億美元,所以省油6%就是省下2.76億美元。

在A320 neo機型推出翌年的巴黎空展,空中巴士在幾天的時間內就賣出了667架A320neo,超過波音737全年銷售額。 這下波音緊張了,必須要以最快速度再次將737升級成「第四代」Max機型。因為只有在原機型上修改。才有可能在最短的時間內趕上空中巴士。然而波音737是在1960年代開發出來的,設計過於老舊,法規規定不能改太多,否則需要經過FAA重新認證,耗時太多。

上述種種的壓力造成波音開發737 Max便宜行事,省略了許多步驟,比方說這出事的MCAS系統,照理講應該是新系統而且要通過FAA認證的,然後波音利用各種說詞淡化了系統的關鍵性。FAA也許受到上層的壓力也就睜一隻眼閉一隻眼讓波音蒙混過關。飛行員只要在家裏接受二個半小時的電腦模擬訓練,所謂電腦就是iPad,不需要上模擬機訓練。根據調查報告波音早就知道MCAS可能會出問題,因為在測試期間他們的試飛員需要10秒鐘才能反應過來遠遠超過3秒鐘的規定,這一點也沒讓FAA知道。

波音因為貪圖方便沒有嚴格把關讓737 Max造成兩次事故,估計罰款200億美元,加上600億美元訂單取消真是得不償失。其實這些都還是事小, 那346條人命及其親人所受的創傷才是不可原諒的。

後記:最新的MCAS 系統需要兩組相符的攻角傳感器信號才會啓動,而且只啓動一次,並且不會取代飛行員的手動操作。

 

附註一、

Final Committee Report, The design, development & Certification of the Boeing 737 Max, by majority stuff of the committee on Transportation and Infrastructure, September 2020.

 

附註二、

Redline, The many human errors that brought down the Boeing 737 Max by Darryl Campbell, May 2, 2019


作者:

黃國華博士退休前在美國Huntsville的Troy7, Inc. 擔任總工程師(Chief Engineer),這家公司提供美國國防部飛彈防禦署(Missile Defense Agency, MDA)及NASA技術支援。黃博士有多年導航與控制(Guidance and Control)及彈道軌跡設計經驗,他全職支援MDA,並在靶彈部門的導彈軌跡組擔任組長。

王志强博士曾任美國麥道太空系統公司 (MDSSC) 的空氣動力學專家 (Senior Technical Specialist),1992年返台加入台翔航太(TAC)協助發展民航機產業;他的斜槓人生還擔任過:安達信 (Andersen Consulting) 企業戰略經理,中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達光電(AUO)營銷高階主管、美國林肯電氣 (Lincoln Electric)在台合資公司廣泰執行副總、美世顧問 (Mercer) 台灣區總經理、以及上海佳格 (Shanghai Standard Foods) 營運長。

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