[科普中国]-人机博弈的悲剧： 波音承认埃航事故确因飞控系统设计缺陷所致

3月10日，埃塞俄比亚航空班机ET320从亚的斯亚贝巴博莱国际机场起飞，前往肯尼亚首都内罗毕，但仅仅6分钟后失去联系并坠毁，机上157人全部遇难，包括149名乘客和8名机组人员。失事客机是一架波音737MAX-8，刚于2018年11月交付。令人不安的是，这并非孤例：2018年10月29日，印尼廉航狮航集团的一架波音737MAX8客机在印尼爪哇岛海域坠毁，机上189人全部遇难。根据黑盒子记载，坠机情况十分相似。两起空难被怀疑与波音的失速控制系统有关。4月4日，波音公司总裁兼CEO丹尼斯.米伦伯格（Dennis Muilenburg）通过视频向遇难者家属正式致歉，并首次承认“737MAX的机动特性增强系统（MCAS）导致了事故的发生”。到目前为止，关于埃航事故的具体原因还在调查中，尚未得出结论。但这场空难暴露出的737MAX在飞行控制系统上的设计缺陷，已导致该机型的飞机在全世界范围内停飞。那么，新闻中反复提到的“失速”、自动控制系统，是怎么一回事呢？飞机的“迎角”与“失速”飞机之所以能升空，升力是关键。简单而言，飞机要想产生升力，其机翼必须与空气有相对运动（空气动力），或者说，必须有具备一定速度的气流流过机翼表面。飞机的升力，即来源于气流作用在机翼上、下表面的压力差。这个压力差是怎么产生的？最直接的因素就是机翼的剖面形状，称为翼型。从剖面上看，大部分亚音速飞行的机翼的前端圆钝、后端尖锐，上表面拱起、下表面较平，呈鱼侧形。假设翼型有一个不大的迎角，当气流迎面流过机翼的前缘时，原来的一股气流被分成上下两股，分别流经机翼的上下表面，在后缘又合成一股。由于机翼上表面拱起，使上方气流的通道变窄，流速变快；而下翼面的气流流动通道扩大，流速减小。根据伯努利定理（气流速度越快，压强越小），机翼上方的压强降低，下方压强增大，于是就在上下翼面之间形成了一个压强差，从而产生一个向上的合力。这个合力的垂直于气流方向的分量即为升力。但影响飞机升力的因素不止于此，它还与迎角的大小有关。迎角也叫攻角，是指飞机机翼的翼弦（机翼前缘-后缘连线）与相对气流之间的夹角。可以想象，迎角对流过上下翼面的气流也有直接影响，从而对飞机的升力产生影响。对于同一个机翼，迎角不同，产生的升力也不同。一般而言，不对称的流线翼型（例如“上凸下平”翼型）在迎角为零时仍可产生升力，而对于对称翼型（通常见于平尾）和平板翼型，这时产生的升力为零。随着迎角的增大，无论是对称翼型，还是不对称翼型，升力都会随之增加（就像风筝，只要迎角合适，依然能够产生升力）。但是，当迎角增大到一定程度时，气流就会从机翼前缘开始分离，尾部会出现很大的涡流区，导致升力突然下降、阻力迅速增加。这种现象称为“失速”。失速刚刚出现时的迎角称作临界迎角（多数翼型失速迎角为十几度），它代表在其它条件相同的情况下，飞机得到最大升力的迎角。图注：飞机升力随迎角的变化（在小于临界迎角范围内增大迎角，升力增大，阻力也增大；超过临界迎角后再增大迎角，升力反而急剧减小，同时阻力急剧增大。）根据模拟数据，当失速发生时，绕过机翼上表面的气流由于空气自身粘性的作用，流速会减慢，甚至减慢到零，而上游还有尚未减速的气流仍然源源不断地流过来，此时减速了的气流就成为了阻碍，最后气流就不可能再沿着机翼表面流动了。这时机翼的上下表面无法再形成足够的压强差，也就不能形成足够的升力，导致飞机不能保持正常飞行。所以，失速并不是指飞机速度不足，而是指流经机翼上表面的气流速度不够，不足以平滑地流动到后缘。很多的航空事故都是由于失速引起，因此，飞机都要求在临界迎角以下一定范围内飞行，不允许靠近更不允许超过，以避免发生失速的危险。飞机的“低头”和“抬头”那么，飞机在上升和下降的过程中，是如何控制迎角的呢？这就要说到“抬头”和“低头”操作了。飞机的飞行姿态直接受操纵面（即翼面的可动部分）控制。操纵面主要包括副翼（两侧机翼后缘远离机身处）、方向舵（垂直尾翼后缘）和升降舵（水平尾翼后缘）。其中两个副翼相互配合，可以使飞机倾斜（改变机翼后缘的偏转角度从而分别改变两侧机翼的升力，比如一边升力变大，一边升力变小，使得飞机滚转）；方向舵可以左右摆动，帮助飞机转向；升降舵可以上下翻转，帮助飞机下俯或上仰（通过调整水平尾翼的后缘部分的偏转角度，改变尾翼的受力），也就是“低头”或“抬头”，从而改变机翼的迎角。飞行员利用驾驶杆和脚蹬舵，就可以控制它们，方便自如地改变飞机的飞行姿态，如上升、下降和转弯等。通常飞行员在操纵飞机的过程中，没有办法用肉眼来观察自己正在驾驶的飞机的迎角，因此要引入机器来辅助测量迎角，这个机器就是迎角传感器。迎角传感器与驾驶舱中的大气数据计算机相连，将测量数据经校正后输给仪表显示和失速警告系统。当实际迎角接近临界迎角时，失速警告系统即发出各种形式的告警信号。跟汽车有自动驾驶一样，飞机也有飞行控制系统。飞行控制系统已有100多年的研制历史，早在有人驾驶飞机出现之前，自动飞行装置就已问世，用以全部或部分地代替飞行员控制和稳定飞机的运动。不过，就像无人驾驶汽车刚刚问世时大家所质疑的问题一样，机器在执行确定任务的时候，大多数情况下确实比人更精确更可靠，但机器也有设计得不合理或者会坏掉的时候，如何才能保证它们绝对可靠呢？此次埃航失事可以说就是印证了这种担忧。据悉，飞机失事前，飞行员启动了飞行控制系统中的自动预防失速系统，即致歉视频中提到的机动特性增强系统（MCAS）。该系统原本的作用是协助机长避免错误地把机头提升至过于危险的高度（即超过临界迎角）。然而飞机的迎角传感器似乎出现了一些问题，错误地给出了迎角过大的数据和警告，于是自动预防失速系统介入飞行员的操作，直接接管飞机，开始执行低头操作，使得飞机减小迎角而向下俯冲。当飞行员发现问题之后，手动操作试图抬升机头，但没一会自动预防失速系统又大幅度降低飞行角度，最终导致飞机被强制俯冲而坠毁。在这场机器系统和人的博弈中，最终机器“赢”了，而人付出了惨痛的代价。这场空难令很多人质疑波音737Max-8的飞行控制系统存在设计上的缺陷，导致该机型的飞机在全世界范围内停飞。4月4日波音总裁的致歉视频正面回应了这一质疑：“两个航班的机动特性增强系统（MCAS）为了回应错误的迎角信息而启动。”埃塞俄比亚交通部长达格维特.莫斯（Dagmawit Moges）在新闻发布会上澄清：失事飞机在坠毁前反复俯冲，飞行员在处理紧急情况时，遵循了适当的操作程序；事故确系自动控制系统出错所致，而非此前传言的飞行员误操作。或许，在对波音公司和相关监管机构问责的同时，我们也应该思考一下，在面临人类关键问题的时候，到底应该在多大程度上依赖机器智能？还有哪些原因可能导致坠机据统计，导致飞机坠毁的可能原因较多，约50%是由飞行员操作失误引起的。例如2015年2月4日，台湾复兴航空235号航班撞上了高速公路的高架桥，机上58名乘客中的43名遇难。根据调查报告，飞机刚从台北松山机场起飞后一个发动机失去了动力。然后机长不小心将正常运行的发动机关闭，导致机身大幅度倾斜并撞到高架桥，最终飞机俯冲坠落到下方的基隆河里。有约22%是机械故障产生的。2018年10月27日晚8点40分左右，英超莱斯特城俱乐部老板维猜所乘坐的直升机在王权球场外坠毁。根据调查报告，在直升机驾驶舱中，一个控制直升飞机尾桨的方向舵踏板和连接飞机尾桨的连杆出现了机械故障，这个故障导致直升机尾桨的桨距出现问题，直升机出现了不受控制的向右旋转，最终坠毁在球场之外。另有约12%是天气原因导致的。尽管有许多新的电子设备投入使用，包括陀螺仪、卫星导航系统和大气数据系统等，但飞机在风暴、大雪和雾天中依然十分脆弱。2019年2月23日下午12点40分左右，亚马逊一辆物流货机在美国“三一海湾”坠毁，可能是天气原因导致，当时有较大的西北风。还有9%是破坏行为，如恐怖袭击。2015年10月31日，俄罗斯科加雷姆航空公司一架从埃及红海旅游城市沙姆沙伊赫飞往俄罗斯圣彼得堡的航班在西奈半岛遭遇炸弹爆炸袭击坠毁，217名乘客和7名机组人员无一生还。极端组织“伊斯兰国”在西奈半岛的分支通过网络发布声明，宣称制造此次坠机事件。剩下的7%则是各种各样的人为失误。如航空管制员、调度员、装货员、燃料装填员或维修工程师等都可能犯灾难性的错误。1999年2月24日16时30分左右，中国西南航空公司的一架航班从成都——温州，在温州瑞安上空1200米高度以俯冲姿态坠毁。经过调查，最大可能是错误地安装了不符合规定的自锁螺母，而在维修中又未能予以发现，飞机飞行中螺母旋出，连接螺栓脱落，造成飞机俯仰通道的操纵失效而失事。尽管近几年接二连三的空难让飞机出行的安全性成为争议焦点，但从大数据的统计上来讲，飞机发生事故的概率（0.46%%）要远低于汽车（8.10%%），它仍然是除火车之外最安全的交通出行方式。作者 | 鞠思婷 科学出版社审稿 | 戴玉婷 北京航空航天大学飞机系副教授编辑 | 高佩雯文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国