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    從“解決方案陷阱”看B737飛機的儀表架構缺陷

    2022-10-16 08:15| 發布者: chunchun 1181 11

    摘要: 航空維修專業者,每天和你分享不一樣的飛機新鮮事! “解決方案陷阱”是筆者生造的詞匯,是指機組面臨混亂、矛盾的信息時,遵循錯誤信息引導選擇解決方案,導致情況進一步惡化的現象。 在閱讀法航447空難報告時,筆 ...

    航空維修專業者,每天和你分享不一樣的飛機新鮮事!

    “解決方案陷阱”是筆者生造的詞匯,是指機組面臨混亂、矛盾的信息時,遵循錯誤信息引導選擇解決方案,導致情況進一步惡化的現象。

    在閱讀法航447空難報告時,筆者注意到這樣一個現象。

    機組最早注意到的是ECAM上的超速提示。所以盡管后續處置中,很多跡象表明空速偏低,只要飛行指引桿出現,機組就死追指引;只要飛行指引桿消失,機組就按超速處置。

    這就是非常典型的機組喪失態勢感知能力,墜入“解決方案陷阱”的案例。


    從“解決方案陷阱”看B737飛機的儀表架構缺陷-9745


    過往的不安全事件表明,機組一旦落入“解決方案陷阱”,其思維勢必陷入“管道效應”無法自拔,想要重新“跳”出來,幾乎是不可能的。

    如何在特情初始,協助機組恢復態勢感知能力,是避免“解決方案陷阱”的關鍵。我們現有的處置程序、人機交互界面、機組訓練等都還有很大的改進空間。

    在遭遇失效(特殊情況)時,我們一般說機組的正確反應有:“首先控制飛機,然后快速判斷故障,之后在合適的條件下找到并執行正確的程序”。然而實際情況是,機組有可能遭遇到從未遇見甚至極端的(故障)條件,在思考時間有限的情況下,機組有可能完全喪失理解力和判斷力,我們的安全模式局限性就在于,如果機組一開始不能抓住“重點”,那么后續的控制力和判斷力也就無從談起了。這種安全模式也只能是“一般失效模式”。AF447在初期未能良好的控制好飛機最終導致事故也例證了這一點。

    ——《法航447航班事故調查報告》

    第一節 B737空速不可靠故障中的“解決方案陷阱”

    以下一條或多條可證實空速或馬赫指示不可靠:

    ● 速度/姿態信息與俯仰姿態和推力調定不一致

    ● SPD 失效警告旗

    ● SPD LIM 失效警告旗

    ● IAS DISAGREE 警報

    ● 空速顯示空白或波動

    ● 機長和副駕駛空速顯示之間有差異

    ● 雷達天線罩損壞或丟失

    ● 超速警告

    ● 同時出現超速和失速警告。

    ——《空速不可靠檢查單》

    以上是《空速不可靠檢查單》所羅列出的9種空速不可靠現象。

    通常而言,在B737飛機上越是危險或緊迫的特情,其警告方式也就越直接。

    當B737的空速數據出現錯誤時,可能觸發的諸如“airspeed low”、失速、超速、風切變等虛假警告,均具備非常強烈的視覺、音響、抖桿刺激。

    反倒是最關鍵的“IAS DISAGREE”信息,僅以琥珀色小字顯示在速度帶下方,是所有警告信息中最不醒目的一項。



    從“解決方案陷阱”看B737飛機的儀表架構缺陷-7



    更為雪上加霜的是,錯誤的空速還會誤導自動飛行系統進行“偏差修正”。機組略做遲疑,就可能進入復雜狀態。人工操縱令機組工作量呈幾何倍數增加,進一步削弱機組的態勢感知能力。

    人工操縱飛機,飛行姿態異常、飛行參數混亂,警告相互矛盾。機組應當何去何從?

    失速改出?

    超速改出?

    風切變改出?(空速異常可能誘發風切變警告。)

    地形警告改出?(低空可能導致接近危險地形。)

    安定面配平失控記憶項目?

    空速不可靠記憶項目?

    事實證明,當面臨巨大的心理時,機組更傾向于遵從最直接、最強烈的警告采取措施,其陷入“解決方案陷阱”的概率是很高的。

    在大量警告信息堆砌的背后,是B737飛機明顯的“人機功效”缺陷——警告指向性模糊,無法識別和隔離錯誤數據,必須通過機組的邏輯分析才能判定故障!

    B737這樣一款有幾十年歷史的經典機型為什么會出現這樣的問題呢?

    這還要從B737的儀表數據架構缺陷說起。


    第二節 B737的儀表數據架構

    B737的儀表數據架構,可以大致分為四個部分:

    (一)皮托靜壓系統

    皮托靜壓系統,主要由空速管、靜壓孔和全溫探頭組成。其探測數據經過ADR處理后,可以提供空速、高度、高度變化率、全溫、靜溫等參數。

    (二)慣性導航基準組件

    慣性導航基準組件,主要由激光陀螺和加速度計組成,可以提供姿態、垂直速度、地速,以及垂直軌跡角度等數據。

    (三)迎角傳感器

    B737安裝有兩個風標式迎角傳感器,可以提供迎角數據。迎角用于指示飛機翼弦與氣流的夾角。

    (四)傳感器數據間的交叉修正

    單一探測機理獲得的數據,都會存在誤差。所以系統會利用其它探測系統的數據進行交叉修正。

    我們以垂直速度為例。

    慣導通過加速度計數據,可以積分計算獲得垂直速度。這個“慣導垂直速度”,略超前于飛機實際的位置移動,靈敏但易受顛簸等瞬時過載干擾。

    皮托靜壓系統通過靜壓的變化率,也可以計算出垂直速度。這個“靜壓垂直速度”略滯后于飛機實際位移,但數據穩定。

    如果在五邊飛CDFA,我會希望使用“慣導垂直速度”。這樣可以及時發現和修正垂直剖面的偏差。

    如果在顛簸環境巡航,那我更傾向于使用“靜壓垂直速度”,避免不必要的俯仰操縱。

    B737NG飛機采用以“慣導垂直速度”為主,輔以“靜壓垂直速度”修正后的綜合數據。IRU故障會導致VS指示消失,ADR故障則不會。而據說B777飛機則剛好相反。



    從“解決方案陷阱”看B737飛機的儀表架構缺陷-9042



    至于這個交叉修正是如何完成的,那應該算是制造商的核心機密之一了。至少從結果看,波音的交叉修正的算法是很成功的。

    好,現在問題來了。

    如果皮托靜壓數據出現錯誤,交叉修正會不會導致垂直速度不可靠呢?

    會。

    此時可否切斷傳感器數據間的修正呢?

    不可以。

    因為波音737的儀表數據是在一個非常陳舊的架構下,漸次堆砌新技術構成的。

    三套傳感器獲得的數據, 是分散在大氣數據基準組件(ADR)、慣性基準組件(IRU)、飛行管理計算機(FMC)、飛行控制計算機(FCC)、自動油門計算機、近地警告計算機(GPWC)等系統,分別按需處理的。

    說地通俗一點,ADIRUS就像個菜市場大嬸,把白菜幫子剝了,豬肉毛剃干凈,醬油裝瓶,鹽裝袋。

    DEU就像個快遞小哥,把這些半成品打包送到各家各戶。

    至于各位計算機“大大”們是好咸口還是甜口,做川菜、魯菜還是冒菜,吃了會不會拉肚子——您自己看著辦。

    有的系統有“潔癖”,譬如EEC,只要發現數據比對不一致,就拒收全部數據,自己蹲屋里泡面吃(EEC備用方式)。

    有的系統信奉“不干不凈吃了沒病”,譬如自動油門計算機和這次出事兒的MCAS,吃壞了肚子就開始抽風胡來。

    雖然每一代B737飛機都會引入當時最先進的設備,但其基礎的儀表數據架構與機械儀表時代并無二致。

    它缺少一個集中采集、處理、監控各個傳感器數據的“食堂大廚”。重集成,輕對比,無隔離,一旦某個傳感器數據出現錯誤,就會廣泛影響。

    找一輛“東方紅”拖拉機,發動機換成奔馳的,變速箱換成寶馬的,輪胎換成法拉利的,這車能不能開?

    當然可以,但這樣并不能將子系統的優勢完全發揮出來。

    第三節 “少數服從多數”原則的缺陷

    我們仍然回到B737NG的空速不可靠故障。受探測系統間交叉修正的影響,空速、高度、垂直速度、FPV、靜溫等均被視作不可靠數據。

    QRH承認的四項數據可靠:姿態、N1、地速和無線電高度。單純依靠這四項數據,無法實現跨探測系統的交叉檢查。

    所以縱觀整個“空速不可靠”處置流程,對比三塊速度表間的讀值差異是主要手段,輔以姿態和推力的檢查。



    從“解決方案陷阱”看B737飛機的儀表架構缺陷-4559



    從“解決方案陷阱”看B737飛機的儀表架構缺陷-5679



    筆者本人就曾經在航班上遇到過三塊速度表依次相差20節的情況。按照B737的QRH又如何解決呢?

    類似的問題在空客320飛機上也存在。在XL888T空難中,結冰導致1號和2號迎角傳感器卡阻。原本正常的3號迎角傳感器數據,因為與其他二者差異過大,也被系統拒絕。(When the real angle of attack increased, the blockage of AOA sensors 1 and 2 at similar values caused the rejection of the ADR 3 anemometric values, even though these were valid.——《XL888T空難調查報告》 )

    對比同一探測機理的三個傳感器數據,然后以“少數服從多數”的方式確定錯誤數據,從概率上講可以接受,但從邏輯上講太過草率。

    第四節 “跨系統交叉檢查”的儀表架構設想

    下面我們將機載傳感器分割為三個部分:皮托靜壓、慣導和迎角,嘗試利用跨系統的交叉檢查,識別和屏蔽錯誤數據。

    這個方法可以用于改良儀表數據架構,也可以用于改良人機交互界面,但最終的目的還是幫助機組恢復態勢感知能力。

    筆者選取了三個典型案例,基于以下四點假設前提分析:

    (1)使用B737NG標配的機載設備。

    (2)在起始階段,機組不清楚哪個系統故障,但不盲從于任一系統的指示。

    (3)當數據發生異常時,探測器間的集成修正會被切斷。

    (4)駕駛艙儀表具備FPV和AOA顯示,且每一個AOA數據均具備獨立指針。

    案例一 法航447空難

    A330飛機在巡航高度37000英尺進入對流云團。三根空速管同時結冰,導致所有空速指示異常。機組脫開自動駕駛,并收油門帶桿,俯仰姿態增加至10°以上,垂直速度7000英尺/分鐘。飛機經過短暫的爬升后進入失速,最終墜毀。

    帶桿,還是推桿?

    收油門,還是加油門?

    這都基于飛行員對當前狀態的認知——飛機到底是臨近超速,還是臨近失速?所以恢復機組的態勢感知能力是當務之急。

    (1) 如果法航447安裝有迎角指示器,機組會發現其讀值遠高于正常水平。也就是說飛機在快速接近失速。(事故調查報告中也指出未安裝迎角指示器是重要缺陷。)

    那我們又如何確定迎角數據的可靠性呢?

    (2)俯仰姿態、和FPV均源自慣導系統,其二者的差值近似等于迎角。(為便于描述,我們后文簡稱其為“慣導迎角”。)我們可以利用“慣導迎角”來檢查迎角傳感器的可靠性。



    從“解決方案陷阱”看B737飛機的儀表架構缺陷-816



    上述過程,意在恢復機組的態勢感知能力。機組只需要清醒意識到空速不可靠,執行“475/1080”記憶項目,整個特情處置就成功一半兒了。

    “475/1080”記憶項目會以高度作為“能量海綿”,保持飛機既不失速,也不超速;既不超過升限,也不低于10000英尺。(詳見《475/1080》一文)。

    案例二 XL888T空難

    A320飛機在4000英尺高度進行“失速迎角保護”演示飛行。1號和2號迎角傳感器因結冰卡阻,3號迎角傳感器工作正常。但由于三組迎角數據差異過大,所以全部被系統拒絕,進而導致自動配平失效。

    機組加油門改出失速,由于升降舵氣動效能低于水平安定面,且機組未使用人工配平,故而俯仰姿態始終無法減小。最終飛機失速墜毀。

    乍看起來,XL888T空難與前一段時間發生的獅航610空難非常相似。但其實二者有著很大的差異。

    波音737只有兩個迎角傳感器,不能識別錯誤數據,也不能隔離錯誤數據。所以在獅航610空難中,一個迎角傳感器故障,系統即放任錯誤數據誘導MCAS向前驅動配平。

    空客320有三個迎角傳感器,能夠識別迎角數據錯誤,也能夠隔離不可靠數據,但不能確定哪個傳感器故障。所以在XL888T空難中,兩個迎角指示器故障,導致全部三個迎角數據被系統拒絕。自動配平失效在當前位置,并且向機組提供了“USE MAN PITCH TRIM”警告信息。

    同樣是迎角傳感器故障。

    同樣遭遇水平安定面氣動效能超過升降舵的問題。

    同樣以失控墜海收場。

    但必須要說,A320與B737機型在儀表數據架構上的水平,還是高下立判的。

    如果XL888T不是刻意進入高迎角狀態,演示飛行高度再高一些,機組能夠注意到“USE MAN PITCH TRIM”警告,原本是很有希望改出的。

    好了,我們回到本節的“跨系統交叉檢查”的思路上來。

    (1)如果XL888T駕駛艙配備迎角指示器,那么機組會發現,在失速進入階段“慣導迎角”在持續增大,而迎角指示器讀值則維持不變。二者間顯著的差異,會讓機組意識到系統存在異常,并中止演示飛行。

    (2)“慣導迎角”持續增大,迎角讀值保持不變,而空速在持續減小。很顯然“慣導迎角”與空速間表現出更合理匹配的關系。我們可以藉此確認,錯誤出現在迎角傳感器系統。從理論上講,我們甚至可確認是哪個迎角傳感器故障,繼而“釋放”3號迎角傳感器的數據。

    (3)如果“慣導迎角”的可靠性被確認,機組人工介入的時機會更早,而不是意識到“迎角保護功能”失效后才倉促采取措施。空速越低,升降舵與水平安定面的效能差距就越大。

    (4)在姿態最高的階段,機組采取向右壓坡度的方式,減小升力豎直方向的分力,以獲得低頭力矩。這是一個“教科書式的”失控改出技巧。

    但很不幸,所有失控改出技巧均基于這樣一個默認的前提——飛機未進入失速。而在失速狀態下主動進入橫滾,則可能進入更復雜的狀態。這何嘗不是一個“解決方案陷阱”呢?

    相較之下,B737飛機的“模擬桿力”會促使機組本能地向操縱同向使用人工配平。這是

    筆者非常贊賞的一個“落后設計”。瑕不掩瑜,我們“空中健身房”也不全是一無是處。



    從“解決方案陷阱”看B737飛機的儀表架構缺陷-9577



    案例三 獅航610空難

    B737MAX飛機左側迎角傳感器故障,左側迎角讀值較右側高15度左右。空速指示未見異常。左側迎角傳感器錯誤導致多次失速警告,并誤導MCAS向前配平。機組多次使用主電配平糾正MCAS的錯誤。最終MCAS將配平驅動至前止位,超過了升降舵權限。飛機高速俯沖墜毀。

    我們首先以“跨系統交叉檢查”的思路審視這個案例:

    (1)如果駕駛艙內配備迎角指示器,機組會發現左右側迎角指示差異巨大。

    (2)與“慣導迎角”進行對,機組會發現右迎角數據更加可信。

    (3)5000英尺(大氣數據)保持平飛(VS/FPV慣導數據),空速250節(大氣數據),俯仰姿態(慣導數據)應當在2°左右,證明慣導與大氣數據合理匹配。此時的迎角怎么可能是15°呢?

    (4)確認飛機真實迎角,會堅定機組保持當前狀態的決心,更頻繁的使用主電配平對抗MCAS,甚至于考慮將配平馬達斷電(波音技術通告中建議切斷主電和自動駕駛配平切斷電門)。

    在獅航610空難后,波音公司發布了針對B737MAX機型MCAS系統缺陷的技術通告,在業內引發了廣泛的討論。

    在一些已經公開的事故數據中,我們可以看到機組曾經使用主電配平短時恢復了對狀態的控制。

    這說明只要機組有拉起機頭的主觀意愿,失控就是有希望改出的。但反復出現的失速警告和MCAS配平,很可能動搖了機組帶桿增加姿態的判斷。以至于MCAS的錯誤配平最終占據上風,將水平安定面驅動至前止位,導致飛機俯仰失控。

    說到底,機組態勢感知能力的喪失,對飛機狀態的認知錯誤,才是導致獅航610空難的根本原因。

    如果由筆者負責波音的危機公關,我會非常樂見業界對MCAS系統的爭議和指責。

    因為改進MCAS是成本最低的解決方案。而想要把B737的儀表數據架構推到重來,則無異于設計一款全新的飛機。繼續裝聾作傻,頭痛醫頭,腳痛醫腳,是波音唯一的選擇。

    反觀空客系列飛機,已經初步具備了錯誤數據的識別和隔離理念,進一步改良架構不存在技術上的障礙。但有波音這樣的“豬對手”擋在前面,恐怕空客也未必多有動力投入資源。

    反倒是C919和A220這樣的后發機型,如果能夠在設計之初謹慎規劃儀表數據架構,則會給未來的技術升級打下良好的基礎。

    番外篇 “半部現代航空儀表史”

    筆者經常與人戲言:波音737飛機的失速警告信息,就是“半部現代航空儀表史”。

    (一)抖桿器

    B737飛機的駕駛桿安裝有抖桿器。抖桿器是由一個電動馬達和一個“偏心鐵環”構成的。

    失速警告被觸發時,馬達驅動“偏心鐵環”抖動,同時發出巨大的噪音。在“機械儀表 無線電羅盤領航”時代,這無疑是一個很巧妙的設計。



    從“解決方案陷阱”看B737飛機的儀表架構缺陷-5177



    (二)俯仰極限指示

    俯仰極限指示器,俗稱“小胡子”或“小耙子”,既可以為失速改出提供直觀的指示,也可以提供粗略的抖桿余度提示。

    筆者專門咨詢了很多飛過B737CL全機械儀表型號的前輩。據他們回憶,在機械式ADI上就已經有俯仰極限指示桿了。B737機型幾經變化,但俯仰極限指示的形式并未改變。

    (三)MCP板低速極限符號

    飛機無法達到指令的空速時,在MCP面板的速度窗中會出現速度限制符號。

    低速限制符號為閃爍的“A”。超速限制符號為閃爍的“8”

    為什么是“A”和“8”?

    回家找個老式計算器看看就明白了。



    從“解決方案陷阱”看B737飛機的儀表架構缺陷-2884



    (四)BUFFET ALERT信息

    隨著B737飛機配備FMC,在飛機觸發抖桿前CDU草稿欄里會默默地出現一條“BUFFET ALERT”信息。這一提示功能也保留至今。



    從“解決方案陷阱”看B737飛機的儀表架構缺陷-7461



    (五)速度帶

    B737CL機型早期的電子飛行儀表系統(EFIS)中是沒有速度帶的,只有快慢指針。在較晚批次的CL機型上開始配備速度帶顯示,但仍保留機械式空速表。

    與俯仰極限指示相比,速度帶(下琥珀色區、下紅區)可以更為量化的顯示抖桿余度。這一顯示方式也被后續的B737機型所繼承。



    從“解決方案陷阱”看B737飛機的儀表架構缺陷-8387



    (五)“air speed low ”語音

    在B737NG后期版本選型中,開始出現“air speed low ”語音警報。其觸發時機早于抖桿,大致在速度帶下琥珀色區中段后。

    低速/失速警告是B737儀表數據架構的一個縮影。整個B737的儀表數據是基于一個非常陳舊的架構,不斷的利用新技術補強而來的。

    來自:藝不壓身

    路過

    雷人

    握手

    鮮花

    雞蛋
    還是NG飛機好,
    2022-10-16 10:06
    總結一下,通過各數據系統之間的關聯邏輯性,判斷隔離錯誤信號,正確理解當下飛機實際狀態,進而實施修正控制。
    2022-10-16 09:56
    一個飛耐時手表是不是可以救全機人
    2022-10-16 09:46
    厲害
    2022-10-16 09:40
    做個飛行員是太不容易了……
    2022-10-16 09:27
    空速不可靠就應該參考地速,尤其是在低空的時候。應該寫進手冊里,算是飛行員人肉補丁吧[笑哭]
    2022-10-16 09:18
    轉發了
    2022-10-16 09:04
    737沒飛過,不好評論。320系列飛機從起飛離地階段就有不可靠空速記憶項目,達到MSA高度可以迅速參考Qrh,(還可以參考ND上風速和地速)設置平飛姿態和推力。按著QRH程序,模擬機上練習幾次,安全落地完全沒問題的。就怕模擬機上從來沒飛過,沒經驗就抓瞎了。
    2022-10-16 08:55
    原來737-800的也存在迎角傳感器不靠譜的問題
    2022-10-16 08:46
    雖然看不太懂,但隱約覺得說明了什么。
    2022-10-16 08:38
    看的津津有味
    2022-10-16 08:23

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