專利維度試析737 MAX MCAS系統(tǒng)的適航認證問題

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來源：IPRdaily中文網（iprdaily.cn）

作者：陸峰 王元元

原標題：專利維度試析737 MAX MCAS系統(tǒng)的適航認證問題

在剛剛過去的2019年里，美國波音公司可謂是時乖命蹇、危機重重：半年內發(fā)生印尼獅航、埃塞航737 MAX兩起空難事故，導致346人死亡,空難調查表明這兩次空難均與新安裝的“機動特性增強系統(tǒng)”（MCAS）故障引起的客機空中失控有關，并且MCAS在設計、適航認證、飛行培訓等方面都存在重大問題，因此波音飽受公眾、媒體和司法部門的質疑和責難，經濟損失累計高達數十億美金。737 MAX客機于2019年3月遭到全球停飛以來，復飛預期一再推遲，12月17日，波音宣布由于美國聯邦航空局（FAA）認證推遲到2020年、恢復運營和全球培訓審批的時間點和條件的不確定性等因素，將暫停生產737 MAX客機。

為何存在嚴重設計缺陷的MCAS能夠通過FAA的適航認證？為何737 MAX復飛遙遙無期？本文嘗試從MCAS密切相關專利切入，對MCAS適航審查程序中可能存在的豁免制度和“繼承原則”問題進行分析。

一、MACS可能利用了失速保護系統(tǒng)享有的適航審查豁免政策

1、MCAS情況概述

737 MAX系列客機安裝LEAP-1B發(fā)動機后，由于其尺寸更大，所以其安裝位置必須更高、更向前、與機翼更近，造成發(fā)動機短艙在大攻角飛行情況下會產生非線性升力，由于發(fā)動機短艙位于重心之前，還會使飛機產生輕微的抬頭效應，反應到操縱桿上的阻力也會非線性減小，這可能導致飛行員更容易誤操縱飛機而接近失速。根據適航規(guī)定FAR25.203“失速特性”要求，這種非線性/減小的桿力是不允許的，所以，波音引入了MCAS系統(tǒng)。

在飛機襟翼收起、大攻角（氣流與機翼弦線之間夾角）飛行和飛行員手動駕駛時，MCAS被激活并指令水平安定面偏轉，使機頭下壓?！队∧岐{航空難報告》顯示：失事飛機的攻角傳感器出現了故障，MCAS系統(tǒng)根據錯誤的傳感器數據對飛機進行了錯誤的調整。由于波音公司未能向飛行員提供有關MCAS系統(tǒng)的任何信息，導致機組人員在危急時刻無法及時了解面臨的情況并及時采取糾正措施，最終造成空難發(fā)生。調查情況表明，埃塞航空難原因與印尼獅航空難高度相似。

2、MCAS系統(tǒng)不是傳統(tǒng)意義的失速保護系統(tǒng)

傳統(tǒng)失速保護系統(tǒng)重要包括失速告警、失速識別、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、抖桿和自動推桿等方面，一般不涉及水平安定面調節(jié)，也沒有超越飛行員的控制權限。如上文所述，波音安裝MCAS系統(tǒng)的目的不是用于防止失速（雖然間接有助于防止失速）；它的引入是用于抵消LEAP-1B發(fā)動機短艙在大迎角下的非線性升力問題，并在接近失速時提供穩(wěn)定的增加桿力操縱。

3、波音可能將MCAS“包裝”成失速保護系統(tǒng)

為了在適航審查時得到豁免優(yōu)惠政策，波音有可能將MCAS“包裝”成失速保護系統(tǒng)。

失速保護系統(tǒng)可以獲得適航審查豁免政策的依據為波音于2016年8月10日申請的CN106477055A號中國發(fā)明的說明書，該專利名稱為“飛行器失速保護系統(tǒng)?！备鶕搶＠f明書第8段的記載：“采用失速保護系統(tǒng)的飛行器通常通過特殊狀況問題報告過程進行認證，因為傳統(tǒng)的失速要求不能被評估。一些監(jiān)管機構（諸如FAA）可授予飛行器制造商用于安裝失速保護系統(tǒng)的性能免除許可（performance relief credits）”在該專利說明書第48段等處也有類似記載。

737 MAX已得到適航審查豁免的根據為2019年10月FAA發(fā)布的十國局方聯合技術審查小組（以下簡稱JATR審查小組）做出的《737 MAX飛控系統(tǒng)審查報告》。該報告指出737 MAX的設計法規(guī)包括以下組合：1967年B737最初獲得認證時實施的監(jiān)管修訂，……特殊條件、豁免和同等水平的安全調查結果（典型的類似認證項目）等。從劃線部分可以看出737 MAX的適航審查得到了相應豁免，其中很可能包括上文提到的對失速保護系統(tǒng)給予的“性能免除許可”。主要理由如下：

圖1 CN106477055A號專利附圖

1）從CN106477055A號專利附圖和說明書可知，該專利所述失速保護系統(tǒng)包含的AOA攻角傳感器數據激活和控制邏輯，自動指令穩(wěn)定翼（即水平安定面）偏轉功能，工作原理和超越飛行員控制權限等方面與MCAS基本一致。

2）圖1中劃紅線的失速誤用保護（SAP）功能是為了避免（飛機在失速或即將失速狀態(tài)下）因拉桿力非線性減小而導致飛行員出現誤操縱，這與MCAS設計目的和主要功能相同。

3）CN106477055A號專利提到：監(jiān)管機構（諸如FAA）授予失速保護系統(tǒng)的“性能免除許可”，可使飛機制造商在飛行器認證過程期間產生競爭性的優(yōu)點，這與關于波音為了追趕空客公司競爭機型A320NEO的研制進度，而設法縮短737 MAX適航審查進度的傳聞相吻合。

4）CN106477055A號專利提到的性能免除許可，是指FAA對MCAS的適航審查主要通過審核波音提交的特殊狀況問題報告等方式來進行，而該報告有可能正是問題的關鍵，《獅航空難最終調查報告》指出：“波音公司MCAS設計允許對飛機水平尾翼進行調整的角度從0.6度提高至2.5度，而這一改動并未及時在提交給FAA的相關文件中進行更新，因此FAA未能重新評估該設計更改的安全性?！边@些所謂的“相關文件”之中很可能就包括CN106477055A號專利中提到的特殊狀況問題報告。

綜上所述，我們認為：波音為了加快737 MAX客機的適航審查進度，有可能將MCAS偽裝成失速保護系統(tǒng)并進行適航審查，以便獲得失速保護系統(tǒng)可以享有的“性能免除許可”等豁免政策。國產ARJ21支線客機為了通過國內適航當局對失速狀態(tài)的適航審查和FAA的“影子審查”，經歷了大量的高難度和高風險的試飛試驗，但FAA在審查“自家產品”-737 MAX的失速保護系統(tǒng)時，卻可能給予了豁免照顧，如此做法有悖透明、公正和公平原則。

二、“繼承原則”可能是波音鉆制度空子的根源

適航審查中的繼承原則（或祖父原則）是指在對飛機產品的衍生發(fā)生型進行適航審查過程中，如果衍生飛機相比原飛機只進行了少量的更改，則允許只對飛機設計的更改部分和受更改影響的部分進行合規(guī)性評估，而不對飛機的未受影響部分進行重新評估的規(guī)則。JATR審查小組基于上述規(guī)定，認定737 MAX的設計法規(guī)包括以下組合：1967年B737最初獲得認證時實施的監(jiān)管修訂；波音公司申請737 MAX項目認證時生效的監(jiān)管修正案；在1967年原始認證和737 MAX認證申請之間生效的監(jiān)管修訂；在波音公司選擇遵守的申請日期之后生效的某些監(jiān)管修訂；特殊條件、豁免和同等水平的安全調查結果（典型的類似認證項目）；附加設計要求和條件（ADRC）。

波音737型系列客機已經有50多年的使用歷史，至今已發(fā)展出14個型號和4代機型，飛機上的失速保護系統(tǒng)或配平系統(tǒng)也經歷了多次發(fā)展和變更。根據繼承原則，如果波音將MCAS系統(tǒng)謊報是舊飛控系統(tǒng)的更改，就可以不用再進行全面的系統(tǒng)驗證和評估，所以JATR審查小組認定波音在737MAX上安裝MCAS系統(tǒng)遵循了更改后的產品規(guī)則流程，并且該流程對于處理離散的更改是有效的。

我們認為：MCAS系統(tǒng)屬于新系統(tǒng)的安裝，不是原有機型飛控系統(tǒng)的更改，不應適用繼承原則。主要理由如下：

1）如上文所述，MCAS系統(tǒng)與傳統(tǒng)的失速保護系統(tǒng)完全不同。

2）MCAS與舊機型安裝的速度配平系統(tǒng)存在明顯區(qū)別。所謂的速度配平系統(tǒng)（以下簡稱為STS系統(tǒng)）是飛機的速度增穩(wěn)系統(tǒng)，當飛機速度大于或小于配平速度時，該系統(tǒng)指令安定面移動，以使飛機回到配平的速度。雖然MCAS與STS系統(tǒng)同是指令安定面移動的飛行控制系統(tǒng)，但是兩者存在明顯區(qū)別：MCAS用于737 MAX換發(fā)帶來的氣動問題，737 CL（經典型）、NG等舊機型不存在類似問題；MCAS基于AOA攻角傳感器數據激活，在激活邏輯、傳感器和數據類型、數據比對、信號處理及傳輸、冗余設計、控制律等方面，與STS系統(tǒng)完全不同；MCAS具有優(yōu)先于STS和飛行員手動駕駛的控制權限；MCAS指令安定面移動的速度和角度遠高于STS；MCAS可以重復啟動；MCAS只在飛機襟翼收上的狀態(tài)啟動；MCAS的關閉方法不同于STS系統(tǒng)等。

3）JATR審查小組發(fā)現，在提交給FAA的認證文件中，MCAS并未作為一個完整、集成的功能獲得評估，由于缺乏統(tǒng)一的從上到下的系統(tǒng)功能開發(fā)與評估及其安全分析，再加上廣泛、分裂的文件分類，使得JATR審查小組難以評估是否充分證明了合規(guī)情況的存在。這表明波音可能對MCAS的研究基礎和驗證不足，沒有對MCAS進行完整、集成的功能評估，這可能與波音當時采取多種空氣動力學措施不能有效解決737 MAX因換發(fā)而帶來的氣動 ，所以倉促上馬MCAS的研制背景有關。

綜上所述，波音有可能利用了適航審查制度的繼承原則，使MCAS系統(tǒng)在未進行充分地試驗驗證的情況下就通過了適航審查，因而在系統(tǒng)集成和累積效應等方面產生問題。

繼承原則的最大問題在于，其只能“防君子”，不能“防小人”，當波音利用制度漏洞，刻意隱瞞或謊報重要系統(tǒng)信息時，FAA采取的機構委托授權（ODA）方式很難及時發(fā)現問題。波音的737飛機平臺已經使用了50多年，其潛能都已被開發(fā)殆盡，波音在老舊低矮的737機身上安裝LEAP發(fā)動機猶如竭澤而漁；波音可能為了追趕進度而鉆適航審查制度的空子，結果卻是玩火自焚。波音作為百年老店，型號研制歷史悠久，適航認證實力雄厚，繼承原則將波音飛機的產品優(yōu)勢不斷固化和積累，并形成市場壟斷競爭優(yōu)勢；但從兩起慘烈空難造成的嚴重后果來看，繼承原則實際上已被波音過度利用，成為掩蓋其創(chuàng)新乏力問題、利潤至上發(fā)展理念的“遮羞布”，同時也嚴重損害了全球民機制造供應鏈和航空公司的利益，阻礙了國際航空運輸業(yè)的健康發(fā)展。

三、措施與建議

1、重點核查MCAS系統(tǒng)適航認證時的豁免、繼承情況

適航當局應當重點審查MCAS系統(tǒng)適用繼承原則或豁免許可等相關情況，波音應如實公開737 MAX機型飛控系統(tǒng)的相關功能、技術細節(jié)、軟件運行邏輯、報告等資料，供適航當局進行深入及全面的評估、分析。

2、推動飛機產品衍生發(fā)展型適航審查制度改革

JATR團隊對737 MAX飛行控制系統(tǒng)認證情況的調查結果表明，MCAS系統(tǒng)審查流程符合聯邦法規(guī)和相關適航規(guī)章要求（如《美國聯邦法規(guī)匯編》第14卷第21.19和21.101節(jié)）和相關指南（如《咨詢通告》第21.101-1B號和聯邦航空局第8110.4C和8110.48A號命令），但該流程僅對于審查離散的設計更改是有效的，沒有充分處理累積效應、系統(tǒng)集成和人為因素問題，因此建議對飛機設計更改相關審查規(guī)則和流程進行改革。我們認為，現有的飛機系統(tǒng)越發(fā)復雜，機載系統(tǒng)任何更改都可能是“牽一發(fā)而動全身”，尤其是涉及飛行控制等安全關鍵系統(tǒng)；因此，建議適航當局一方面更加謹慎的思考飛機繼承原則的適用條件和范圍，從根源上加強飛機的安全設計保障；另一方面，對于適用于繼承原則的飛機衍生產品，也應充分評估設計更改可能帶來的影響，改革、完善現有的審查流程，采用自上而下的方法，從整體飛機系統(tǒng)的角度對每項更改進行評估。

3、加強航空安全立法保護和執(zhí)法力度

為了切實保障國內航空安全，中國應該加強航空安全領域的立法、司法和行政執(zhí)法工作，嚴懲相關主體做出的故意隱瞞重大安全隱患、適航取證環(huán)節(jié)弄虛作假和誤導飛行訓練等不法行為;責令相關責任主體確實做好對國內航空公司和中國遇難者家屬的賠償工作。

來源：IPRdaily中文網（iprdaily.cn）

作者：陸峰 王元元

編輯：IPRdaily王穎          校對：IPRdaily縱橫君

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