拿什么来加持你，MCAS?

holycow

* \$ {0 ^3 V! `7 x9 ]' c, L
这两天MCAS和MAX一起刷屏了，乃至于神牛在牙医诊所等着洗牙的时候都能听到诊所里的前台老太太们在讨论那个“会把飞机飞到地里，而且还关不掉的AI”。想想与其给老太太科普，不如码成字放到坛里来赚爱元？
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. o4 J/ V" U  h4 b5 M1. 波音为什么要搞MCAS?

1.1 波音为什么要搞MAX？因为：
" ^6 i7 ?. }5 G) E* W& z; Ta) 空客搞了neo, 必须要搞一个对应的产品
9 K- c6 d' {% x; g8 Z6 tb) 全新设计太费钱，当时还没有从787那个大坑里爬出来，没钱
" `7 Z% c! N2 V3 G+ ~/ i5 n( L) w8 fc) 如果在737NG基础上改进，估计能套牢一大批737现有用户；如果全新设计，搞不好现有用户都叛逃到空客
9 |1 h8 Z* _8 S* cd) 西南航要新机，越快越好

1.2 737的前世今生

! f# P  k* |' e1 S# _1.2.1 起落架短，发动机离地近，汉莎赐名"大功率跑道吸尘器"

2 z7 W( S  z. f% Y. g
2 I. E# z7 G5 b. O1.2.2 发动机变成CFM56系列后，发动机直径变大，只能发动机向前吊挂，同时切整流罩下颚，保持离地高度

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  N  U) ~. H1 f$ J) f  t, J1.2.3 MAX要改成LEAP，发动机更大了，切整流罩已经没有用，只能把发动机的位置继续挪前，而且挂架更向上，已经从翼下到达了机翼前缘的位置
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# L. W& [; E/ R8 j$ x' T于是，这个发动机的位置从飞机的重心下方附近挪到了重心之前，发动机短舱产生的升力成为作用在飞机上的抬头力矩, 并且在接近失速的大攻角情况下，发动机短舱产生的升力急剧增加，飞机有强烈抬头倾向

1.3 燃鹅，根据适航条例
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1.3.1 当攻角增加时，使飞机继续抬头所需要的拉杆的力量不得减小。其实理想的情况是攻角越大，抬头所需的杆力逐步增加，天然起了阻尼的作用。比如说汽车的方向盘在高速的时候比中速时候“更重”，就是出于安全的考虑。

& u2 Y8 X7 @% n1.3.2 而这个MAX，一到大攻角的情况下由于发动机短舱产生的抬头力矩，会使得继续抬头拉杆所需的力量减少。如果飞行员手工操作以恒力拉杆，一不小心就过了头失速了

5 t& y+ v0 C$ |7 K3 e0 ?1.3.3 这样是根本拿不到适航证的
1 h( S( E1 M2 ~, P( }
2. 于是，MCAS闪亮登场了

# v, g+ |& `8 E" B% A: s  L2.1 MCAS的神逻辑

2.1.1 MCAS只适用于手动飞行，不会在自动驾驶接通时启动。道理很简单，因为自动驾驶的逻辑早就把抬头力矩考虑进去了，不用MCAS来补偿
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4 a, C2 G0 h8 |! m7 R2.1.2 MCAS补偿抬头力矩的办法，是调整水平尾翼，给一个向下的配平，抵消掉发动机短舱产生的抬头力矩
( i6 ^: J% ~! c, _3 g1 m- r! h# O
7 t5 R* j; E" _: F1 l# j$ l2.1.3 MCAS的输入是一个攻角传感器的读数。虽然飞机上有两个攻角传感器，但MCAS只看一个。这个真是神了，没有冗余，不互相校验检测，为什么设计成这样只有波音知道。如果攻角传感器的读数表明飞机攻角已经接近失速攻角，并且飞行员是人工飞行，襟翼在收起状态，MCAS立刻启动
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2.1.4 如果飞行员拉杆抵消MCAS向下的配平，那么MCAS会加大向下配平的程度。我设计的用途就是要防止飞行员拉杆过度，那么如果你拼命拉杆抵消我，你一定是个愚蠢的飞行员，让我来拯救你吧
; n( k; f+ k1 S
& I; k0 W, Q) [+ V2.1.5 如果飞行员手动配平水平尾翼，MCAS会暂停10秒，然后根据攻角传感器的读数再次启动

2.1.6 MCAS向下的配平没有限制，可以配到水平尾翼的低头极限，也就是斯图卡轰炸机的姿势
0 a9 c: S/ ]4 g! ^/ m) E
  D8 c8 C+ N6 Q3 _
2.2 Garbage In, Garbage Out

; Q- b; C+ b! l; T2.2.1 如果给MCAS数据输入的那个攻角传感器异常，产生了错误的大攻角输入，并且飞机处在刚起飞之后，襟翼收起，但自动驾驶尚未接通的状态下
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2 a2 N  N! _5 T. E6 B! g0 q2.2.2 参见以上2.1.4, 2.1.5, 2.1.6
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2.2.3 刚起飞，一旦斯图卡连改出的机会都没有
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8 i! c$ d  }. f) X. ^! R2.3 我怕了你了，拔插头不行吗？
& Q( h  r' J% D# O) e# F  Z$ d3 F
2.3.1 如果从MAX撤除MCAS, 肯定是不行的。参见1.3, 阉掉MCAS的MAX是不适航的，根本连证书都不会有

0 l5 B: _: g* r( b5 E2.3.2 如果我设个逻辑，飞机起飞阶段，不到某个高度MCAS不启动，可以吗？MCAS本来就是为手动飞行设置的，大部分的应用场景是起飞后接通自动驾驶之前和降落时解除自动驾驶之后。这两个阶段的高度都不会高，如果你设个阈值，要MCAS何用？巡航阶段手动拉杆的，那是博南再世...

2.3.3 正确的拔插头方式是关掉自动配平的两个开关，然后手动配平到中立位置(因为拔插头之前配平肯定是机头向下)，然后小心拉杆(参见1.3.2, 现在没有MCAS了，一不小心就拉过头失速了)

2.3.4 如果你还是害怕，波音有一个升级包卖给你。升级包可以在多功能显示屏上显示当前攻角读数，左右读数可以互相验证，如果读数差太多会亮警告灯。这个升级包，能够 make an already safe plane even safer (我老是觉得，这句话和国安永远争第一有异曲同工之妙) 印尼空难后，AA和Southwest都加钱买了升级包

写完这段，我觉得波音如果去卖车肯定也能大赚~
+ K- B) K: I6 [5 [
6 b8 q: P1 r4 @0 S( I: x! m
2.4 拿什么来拯救你，MCAS?
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2.4.1 印尼空难之后，FAA要求波音做的改进是：
1 r+ a! n' ~0 Z, P5 C& A6 ?! l! f: [a) 要冗余，要校验，不能有单点失效这种事情。第二个攻角传感器要用起来
# Q: A8 C) A9 l( F( O# g7 n( g8 g+ ]b) MCAS不能机头向下无限制，到一定程度就停，不能搞成斯图卡

这个就是波音所谓的四月要发布的飞控系统更新。其实从11月开始做，原先是要一月发布的。测试过不了关，拖到四月。如果这次埃塞航空难再有什么新发现，肯定还需要补丁马克兔。再说了，虫虫是杀不完的，杀了一个虫，新造两个虫是软件开发常态...

2.5 改了就能过关了？你问过髪国人吗？
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& M8 O* Q& J! p5 L9 y! nEASA对于波音这种硬件不足软件补的方式原先就不感冒，差点不同意FAA给出的适航结论。这次反正停了，要重飞的话EASA怕是没有那么好说话了。神牛脑补一下：
% C# M" L, i! F: m4 o) q# c
机头向下现在有限制了，到一定程度就停了。那要是真碰上有人死命拉杆怎么办？你要举个栗子？我法兰西就有活生生的栗子...


P.S. MCAS显然是麦克阿瑟的缩写，这玩意神牛加持不了，必须找麦帅加持~~


* {6 H/ Q- p0 W

* r1 t+ {( k" ~! u5 T, j$ j3 I9 C     

晨枫

; s7 d) u5 h7 d/ T8 S

njyd 发表于 2019-4-9 11:10
, X  M( U/ N/ z# @6 U我觉得这个描述是有道理的。
发动机短舱大意图是这样的：

3 u: |2 o" y$ \9 T1 x$ i
你这个解释是基于气流连续性假设，但发动机内的气流流动已经破坏了气流连续性假设了。
" A% V1 e5 C) G" p! b4 E
更大的问题在于：机翼产生升力是通过上翼面加速，也就是说，上翼面气流速度高于下翼面，这样才能通过伯努利原理产生向上的压力，也就是升力。

7 Q8 z  C2 j2 P( I% p% k7 R8 T对于发动机短舱来说，外表面气流通过短舱形状有所加速，但内流动加速要大得多（否则要发动机干什么？），伯努利可就反过来啦！
! s' H! A1 n( ~4 @
7 J" S0 Q. H" E/ ~短舱内侧不是平直的，而是向外凹的，用于对进气减速增压，帮助风扇工作。前缘确实是园钝的，用于减少气流分离，减少涡流，降低阻力。
5 z5 S  P2 }% {4 C4 b
( f9 ?* H. U5 d5 Q# G4 n- b. r最主要的是：原文说的是外环下缘产生额外升力，下缘要是按机翼处理，产生的可是向下的“反升力”啊！

  `9 ^& a% t. Q9 T" l# [( Q& e$ `原文提到的An-72的机翼上表面吹气增升，那是Coanda效应，和他描述的也是两回事，倒是和你在上面的描述接近，就是用喷气气流对上表面气流加速，增加升力。对发动机短舱来说，喷气加速的是内表面，也是与机翼形状反过来的。

njyd

晨枫 发表于 2019-4-9 23:33
他这个描述全错，你也照单全收。赫赫。

8 ?* ]( `3 i6 }/ X7 n+ E我觉得这个描述是有道理的。
2 \2 B( s8 c* e: Z. i% W发动机短舱大意图是这样的：


它的前唇口是圆的，后唇口是尖的，上下对称。
平飞时，内外部的上下表面之间气流长度相等，此时无升力。
4 \0 {1 e; g6 V9 q上仰时，前唇口的气流分离点下移，后唇口不变，这就造成上表面气流长度增加流速增加，下表面相反，这就产生了升力。
原设计上仰时发动机短舱会产生升力，但它靠近飞机重心，更关键的是它设计试飞时已经考虑在内。
) X# j/ ^6 Z% t4 _! Y( x  V0 K换发后发动机短舱前移，这就产生了比原设计更强的上仰力，需要尾翼更强的配平力来抵消。
发动机短舱上移应该能减少一部分上仰力，但似乎抵消不了前移增加的力
所以问题都发生在起飞爬升时。
7 B2 t3 n. A- y0 H, M9 g9 d1 W* s不过呢，即使这样当机头压低后操控系统应该能自动取消增加的配平，所以事故的最主要原因是没能检测到机头已经压低，或者检测到了而没有自动取消增加的配平，所以事故原因要么是仰角传感器出了问题，要么操控软件有Bug.

晨枫

雪山雄鹰 发表于 2019-4-9 07:54
# V  k/ Z7 L9 y3 s* F% F9 Y9 e很多新闻报导基于波音自己发表的一篇简介，说737Max采用MCAS是为了补偿发动机前移所造成的额外上扬 ...

他这个描述全错，你也照单全收。赫赫。

雪山雄鹰

njyd 发表于 2019-3-14 19:46
根据我有限的知识，发动机前移应该是重心前移造成低头力矩，发动机短舱的升力不足以补偿这个低头力矩，否则 ...

     很多新闻报导基于波音自己发表的一篇简介，说737Max采用MCAS是为了补偿发动机前移所造成的额外上扬力矩，这也成为很多网络评论的基础；但是专业知识相对比较强的作者，例如服务于航空业的张仲麟和有工程背景的晨枫，都指出把发动机向前上方移动，其实应该使推力轴线更接近阻力中心，所以照理说是会减低而不是增加上扬力矩。那么波音为什么那么说呢？
      其实波音那个简介的基本叙述是正确的，只不过没有把细节说清楚罢了（可能是故意不说清楚，参见下文）。这里的额外上扬力矩并不发生于平飞的时候，也不直接来自发动机本身的推力，而是非线性空气动力学的后果。发动机舱为了减低阻力、增加空气流量，外环的剖面形状其实很像机翼，只不过必须卷成圆形。所以飞行的时候，发动机舱外环也产生“升力”，但它不是全部向上，而是与外环面垂直向内，于是在平飞状态下，这些升力互相抵消，没有实际影响。
$ Q* s1 T; J3 d1 p$ F6 i      但是在爬升阶段，飞机处于大迎角（Angle of Attack，又译为攻角）状态，这时气流主要作用于发动机舱外环的下缘，总升力就是向上了。这个升力因为有发动机抽取气流的影响，额外强大。同样的效应使得把发动机紧靠在机翼上缘成为增升的极端手段之一，例如强调短距起降性能的Antonov An-72。

雪山雄鹰

料理鼠王 发表于 2019-3-14 17:43
/ b& _' T; a7 z5 N* ], v如果是实锤，Boeing破产都不够赔。
所以只能死扛。

不管如何！咱小老百姓能做的就是坚决不坐波音737MAX。
小命是自己的。

lorry

xray2100 发表于 2019-3-22 10:30
这个问题可能会算到程序员头上吧

安慰程序员

桃子甜

桃子甜 发表于 2019-3-27 10:17
0 Q# S+ z$ v) W' C不能打穿。不能直接在离心力下飞出。
( M* w- R( N- ?) v
: ^. u1 E4 |' H# t% N4 Z但是脱落后，在径向脱离短舱之后，在空中如何运动，那谁也控制不了 ...

要是没有机匣和包容性设计，就不是一扇窗户的事了，几千转的风扇叶片，完全能对机体结构造成重大损伤，空中解体也不是不可能的。

桃子甜

njyd 发表于 2019-3-21 22:40
) N' [  x8 E; Q/ u" C9 _意思是风扇，压气机叶片断裂飞出允许打穿机匣，但不允许打穿后还有很高的速度？
我一直在想，如果不允许 ...

& }* P9 H) u0 n7 a6 L不能打穿。不能直接在离心力下飞出。

9 F/ Z+ o/ X2 v) d6 i( u但是脱落后，在径向脱离短舱之后，在空中如何运动，那谁也控制不了，但是最起码不是离心力下的飞刀。

njyd

桃子甜 发表于 2019-3-22 02:07
那段没有的，是发动机短舱的进气整流罩，不收结构载荷。
0 U  T& [7 L/ D
发动机机匣包容性的设计要求是，在风扇，压气机叶 ...

意思是风扇，压气机叶片断裂飞出允许打穿机匣，但不允许打穿后还有很高的速度？
6 S6 X5 K0 g% y我一直在想，如果不允许打穿机匣的话，这机匣要做的多重？

njyd

清凉山 发表于 2019-3-22 01:44
但是陀螺仪应该有用吧。

陀螺仪有用，不过有积累误差，但对判别其他仪表是否有故障很有用。

xray2100

这个问题可能会算到程序员头上吧

holycow

雷达 发表于 2019-3-21 11:37
1 I( m  J6 m% j/ b' W2 k1 ?这种升级包要加钱？尼玛！

这个是有原因的。MAX按照737的改进型号取证，要求是不能和现有型号有显著区别，这个没有显著区别包括人机界面和操纵特性。

所以改人机界面加AoA显示属于显著区别，要用全新型号认证。但是如果基本款不包括，属于额外升级包就不管，所以升级包必须收钱

两个AoA传感器也是老机型继承下来的。如果不是改进型号简易取证的要求，估计早变成3传感器或4传感器的投票制了

雷达

这种升级包要加钱？尼玛！  

桃子甜

那段没有的，是发动机短舱的进气整流罩，不收结构载荷。

发动机机匣包容性的设计要求是，在风扇，压气机叶片断裂飞出的情况下，不会高速打穿机匣，对飞机结构造成进一步的损伤。是防止高速离心力下打穿。
1 ~' |% g% b1 Z% S, }) A
飞出来之后，速度降低了，打哪去就没法控制了。
( Y! y7 h$ Y# H7 a1 S' a+ {) q8 q
3 L; h2 v$ d# r/ H5 L% ?  t没有那种设计部危险，工程上的东西，是balance and compromise，从来不是，也不可能绝对的安全。

: v. a8 M/ S/ Y; z# e3 b& Qwith that being said， 我同意发动机在机翼上方是个不好的设计，有很多原因，不细说了。

清凉山

njyd 发表于 2019-3-22 00:46
反着理解也不行，它反映的是飞机即时加速度方向（运动和重力的合成），因有在匀速直线运动时才正确反映对 ...

2 x# `, _. K4 T5 @但是陀螺仪应该有用吧。

njyd

隧道 发表于 2019-3-21 20:11
$ C, M1 U+ H, S! Y, h6 K8 m+ ?( k意思是纺锤可行？
& K9 t- J7 b5 E' `/ v) Y那样飞机上应该有吧？
; V) F6 g8 i. e4 W+ [其实气泡也没啥，反着理解就行了。

) i3 C, N! Y$ U4 D9 D' e反着理解也不行，它反映的是飞机即时加速度方向（运动和重力的合成），因有在匀速直线运动时才正确反映对地仰角，只要有任何变速就与实际仰角不成对应关系。在飞机上没法用利用重力的传感器，同样纺锤也没用。

中华如龙

FBI出动了
+ j$ a# d& N2 n  n4 L1 H/ m- d* Y波音这次要大换血了哦
% n# }4 |; J8 X2 F1 K4 X$ I2 \5 U7 f
! i' f; \9 x. y6 e% @* G4 y美国佬的核心阶层还是很拼得
民航客机产业美国绝对不丢手

隧道

njyd 发表于 2019-3-21 19:37
纺锤相反。因为水平仪你看到的是水泡但里面的重物实际是水，加速时水因惯性向后，水泡自然就往前跑了。
- C5 q8 p! M( y7 S1 f% B8 S ...

' J% E+ O1 @8 z/ F8 G& j! G9 E  J意思是纺锤可行？
那样飞机上应该有吧？
其实气泡也没啥，反着理解就行了。
- {/ |, n7 V* X

njyd

* N; j& \6 p2 Y1 v! ~* V

隧道 发表于 2019-3-20 23:54
/ ?( q6 N5 }( W3 B一个纺锤呢？

纺锤相反。因为水平仪你看到的是水泡但里面的重物实际是水，加速时水因惯性向后，水泡自然就往前跑了。
同样的还有在车里悬浮的氢气球，有人在网上出过这个“考题”。
$ g% J( \3 K8 W" H
9 T5 }, x, [& O& f" x可以用矿泉水瓶子验证一下。

njyd

r52097 发表于 2019-3-21 16:17
  u4 @6 [$ K& k5 D麻烦问一下，加速时气泡是往前还是往后呢？谢谢

加速时气泡是往前，与悬吊重物相反。