Почему система MCAS компании Boeing предпочтительнее модифицированного блока контроля и центрирования?

Согласно некоторым источникам , целью MCAS на вариантах Boeing 737 MAX является увеличение противодействия, необходимого для дальнейшего подъема носовой части при полете вручную на больших углах атаки, чтобы придать самолету приемлемые характеристики управляемости при приближении к сваливанию.

Тем не менее, как варианты MAX, так и их предшественники, уже имеют блок управления рулем высоты и центрирования (стр. 8), целью которого, по-видимому, является создание соответствующей обратной связи по усилию ручки управления на всех этапах полета. Если это так, то, на первый взгляд, это будет подходящая единица для реализации функции MCAS, что поднимает вопрос о том, почему MCAS является предпочтительным решением.

Мне пришло в голову несколько возможностей, но это всего лишь догадки:

  1. Функционал MCAS требует ввода угла атаки, который может быть недоступен там, где расположен блок чувствительности и центрирования (в хвосте), и было бы сложно передать ему эту информацию.

  2. В этом ответе говорится, что Блок Чувства и Центрирования представляет собой механический компьютер; учитывая это, его, следовательно, не может быть легко изменено.

  3. Модификация блока чувствительности и центрирования потребует его повторной сертификации в целом , а не только его новой функции.

  4. В дополнение к изменению характеристик управляемости, MCAS также рассматривается как непосредственный вклад в предотвращение сваливания за счет уменьшения угла атаки.

NB: Недавно Доминик Гейтс написал информативную статью в Seattle Times о происхождении MCAS.

Ответы (4)

На 737 NG на больших углах атаки нос самолета естественно наклонялся вниз, что помогало выходить из сваливания и увеличивать скорость полета.

Гондолы двигателей большего размера на 737 MAX расположены впереди центра тяжести, а это означает, что на больших углах атаки они поднимают носовую часть. В этой ситуации MCAS помогает опустить нос, подобно тому, как вел бы себя 737 NG.

Добавленный триммер вниз имеет побочный эффект, заключающийся в том, что требуется больше руля высоты на больших углах атаки, но это не было основной целью.

Есть несколько причин, по которым блоку ощупывания и центрирования будет трудно обеспечить аналогичную функциональность:

  1. Самолет должен снижаться даже при отсутствии управления, поэтому этого нельзя было сделать, просто изменив реакцию рулей высоты на действия пилота.
  2. MCAS принимает данные об угле атаки, высоте, положении закрылков и воздушной скорости. В настоящее время блок чувств и центрирования просто определяет скорость полета, поэтому ему каким-то образом нужно будет получать другие входные данные.
  3. Блок ощущения и центрирования — это механический компьютер, поэтому добавление новых входных данных и изменение поведения может быть очень сложным для проектирования и сертификации.

Другой возможностью было бы использование системы Mach Trim для регулировки блока чувствительности и центрирования. Система Mach Trim использует бортовой компьютер для регулировки нейтрального положения руля высоты, чтобы обеспечить устойчивость на более высоких скоростях. В то время как бортовой компьютер должен иметь всю необходимую информацию, триммер стабилизатора обеспечивает гораздо больше возможностей управления.

Вы говорите, что проблема с характеристиками управляемости, о которой говорится в статье Leeham News, не является причиной MCAS? Является ли тангаж вниз поведением NG до сваливания?
Он не говорит, что статья неправильная. Характеристики управляемости при высоком угле атаки — это как раз то, для чего нужна MCAS. FCU уже увеличил усилие на задней рукоятке, когда предупреждение о сваливании было активным в NG. Разница в том, что при определенном угле атаки подъемная сила, создаваемая гондолами двигателей, становилась фактором, создающим более сильный момент подъема носа, чем НГ, создаваемый при том же самом углу атаки. Одним из преимуществ MAX является то, что он требует очень небольшой переходной подготовки для пилотов, которые в настоящее время летают на NG. Они использовали MCAS, чтобы более точно соответствовать характеристикам NG.
@TomMcW Я не согласен с тем, что вы делаете, но мой вопрос не в том, «для чего нужна MCAS?»
Я предполагаю, что причина нестабильности толкания носа на больших углах атаки в том, что центр подъемной силы находится впереди центра масс. Но почему при перемещении двигателя вперед центр подъемной силы смещается? Без учета вторичного эффекта тяга двигателя направлена ​​параллельно фюзеляжу и, следовательно, крылу. Таким образом, не должно быть заметной разницы в крутящем моменте по отношению к центру масс всего самолета.
@ Ганс, при высоком угле атаки двигатели создают аэродинамическую подъемную силу. Таким образом, чем дальше вперед (или больше) они, тем дальше перемещается общий центр подъемной силы вперед.
Ваше утверждение озадачивает меня в двух частях. Во-первых, сам двигатель создает подъемную силу в дополнение к тяге, параллельной фюзеляжу и крылу. Во-вторых, создаваемая таким образом подъемная сила зависит от угла атаки. Не могли бы вы разъяснить эти моменты или предоставить некоторые ссылки, лучше всего, если они будут сопровождаться математическим выводом?
@Hans Все гондолы двигателей создают подъемную силу благодаря своей приблизительно цилиндрической форме. Когда воздушный поток параллелен оси цилиндра, подъемная сила не создается, но если ось цилиндра находится под некоторым углом атаки, некоторая подъемная сила будет создаваться. Как обычно бывает, эта подъемная сила является некоторой функцией этого угла, воздушной скорости и плотности. Поскольку двигатели находятся впереди крыла, эта подъемная сила дестабилизирует самолет. Для низкого лобового сопротивления двигатели установлены так, чтобы иметь небольшой угол атаки на крейсерском режиме, поэтому эта подъемная сила значительна только на более низких скоростях и более высоких углах атаки...
@Hans В какой-то степени это влияет на все самолеты с двигателями, установленными под / впереди крыла, но в случае с 737 MAX это стало проблемой, потому что двигатели стали намного больше и вынесены вперед, чем те, что на крыле и стабилизатор изначально разрабатывался совместно с. leehamnews.com/2018/11/14/… NB: удлинение фюзеляжа также дестабилизирует, потому что центр давления цилиндра находится впереди его геометрического центра. leehamnews.com/2018/11/30/bjorns-corner-pitch-stability-part-2

Изменение системы ощущения высоты тона не решит проблему. Это естественное поведение MAX, отдельное от системы управления полетом (то есть поведение, когда вы не касаетесь органов управления). Как говорит Фут, двигатели MAX несколько смещают общий центр подъемной силы вперед, что более или менее совпадает со смещением центра тяжести назад.

Самолет в определенных режимах (закрылки вверх) становится нейтрально или почти нейтрально устойчивым по тангажу, особенно при более высоких настройках мощности, когда тяга способствует моменту поднятия носа - настолько плохо, что угол тангажа самолета будет увеличиваться, когда он должен быть твердым, как скала, и, что еще хуже, естественного понижения тона, которое вы должны получить при уменьшении скорости, не было или оно было очень слабым. Этому может противодействовать пилот, но нагрузка на ручной полет значительно возрастает, когда вам приходится постоянно вмешиваться с самолетом, у которого есть собственное мнение. Полет почти на любом самолете с чрезмерно задней ЦТ похож на это.

Правильным решением было бы сместить рабочий диапазон центра тяжести вперед, чтобы нейтрализовать влияние более передних двигателей, и увеличить горизонтальное оперение, чтобы компенсировать это, чтобы мощность хвоста, необходимая для вращения при взлете (что обычно является самой сложной работой хвоста) все еще там. Они не хотели идти по этому пути и решили использовать программное обеспечение для запуска удара в фоновом режиме, чтобы «замаскировать» проблему стабильности от пилота, чтобы они могли сохранить диапазон C of G там, где он был. По сути, это искусственная система стабилизации с узкими эксплуатационными требованиями, добавленными в качестве пластыря, чтобы избежать гораздо более дорогой модификации.

Делается не первый раз. Я помню, что нечто подобное было сделано на другом типе, а именно на MD-11, что позволяло эксплуатировать самолет с более дальним центрированием на корму, чем обычно, чтобы уменьшить силу опускания хвоста в крейсерском режиме, уменьшая дифферентное сопротивление. Я смутно помню давний инцидент, когда система была отключена во время крейсерского полета, и пилот взял на себя управление своим нейтрально стабильным авиалайнером, летящим на максимальной скорости, и начались вызванные пилотом колебания, которые довольно сильно потрясли людей сзади, как встряхивание тюбика картофельных чипсов Pringles.

В этом ответе не упоминается блок ощущения / центрирования, но косвенно вы, кажется, говорите, что это не будет подходящим решением, потому что, вопреки статье Leehams News, удовлетворение требований к характеристикам управляемости не было проблемой, для решения которой была разработана MCAS. . Если да, не могли бы вы изменить свой ответ, чтобы прямо указать на это, предпочтительно со ссылками на авторитетный источник о том, что сделало необходимым какое-то смягчение?
@sdenham, проблема с центрирующим узлом в том, что он предназначен для того, чтобы тянуть вилку к центру, но для повышения устойчивости вам нужно перемещать центр, для чего и нужна отделка.
@JanHudec Я не утверждаю, что блок ощущения и центрирования в том виде, в каком он реализован в настоящее время, решает проблему - если бы это было так, не было бы необходимости в каких-либо модификациях, чтобы компенсировать эффект новых двигателей.
@sdenham, и я говорю не о текущей реализации, а об общей цели. Проблема, для решения которой была разработана система MCAS, — плохие характеристики управляемости, но изменение характеристик управляемости — это проблема, совершенно не связанная с назначением чувствительного и центрирующего блока.
@JanHudec Согласно 737ng.co.uk/B_NG-Flight_Controls.pdf «Компьютер ощущения руля высоты обеспечивает смоделированные аэродинамические силы ... Ощущение передается на колонки управления с помощью блока управления рулем высоты и центрирования». Это (и название) предполагает, что он делает больше, чем центрирование, и изменение сил управления - это то, что, как говорится в статье Leeham News, является целью MCAS.
@sdenham: «модификация управляющих сил» — слишком широкий термин. Чувствительный и центрирующий блок обеспечивает «симулированные аэродинамические силы», но аэродинамические силы всегда толкают руль высоты к центру (относительно подвижного стабилизатора), просто увеличиваясь с динамическим давлением, поэтому он по-прежнему «просто центрируется» с переменной силой. Изменение положения центра — вот почему стабилизатор подвижен, поэтому добавление логики, которая его перемещает, является более очевидным изменением. Были и другие случаи автотриммирования уже начиная с предыдущей модели.
Чувствительные и центрирующие блоки — это просто коробки с банджи-пружинами внутри и механическая система, в которой пружины воздействуют на рычаг с переменной точкой опоры. Пакет пружин будет приводиться в действие рычагом, связанным с цепью управления. Когда пилот перемещает рычаги управления, он сжимает упругие пружины. Переменная точка опоры перемещается компьютером, который регулирует ее для изменения силы, ощущаемой пилотом, что имитирует увеличение и уменьшение управляющих усилий в зависимости от скорости и других факторов. Поверхности приводятся в движение необратимой гидравликой, поэтому аэродинамическая обратная связь отсутствует. контролирует.
@JanHudec По словам Бьорна Ферма, MAX не становится статически нестабильным, и конкретная проблема заключается в том, что «производителя оборудования самолета просят предложить исправления для характеристик шага самолета, чтобы его можно было признать приемлемым для использования по минимальному стандарту ( (относительно обучения и навыков) пилота», и это было сочтено неприемлемым (до MCAS), потому что при приближении к сваливанию «пилот чувствовал бы, что самолет внезапно ускоряется по тангажу при том же нажатии ручки». Вы можете не согласиться с Бьорном, но если это так, то проблема именно в размере силы, направленной к центральной позиции.
@JohnK Спасибо за ваши подробные комментарии. Разве неразумно утверждать, что, по крайней мере в принципе, переменная точка опоры может быть отрегулирована для исправления проблемного «облегчения» органов управления на больших углах атаки путем умножения восстанавливающей силы на некоторый коэффициент > 1,0? Мне интересно, является ли компьютер, который регулирует точку опоры, простым механическим (или гидро-, или электромеханическим) аналоговым устройством, к которому, как я предполагаю, будет сложно добавить ввод AofA и дополнительные правила, и, возможно, его придется полностью переделывать. сертифицирован для всех режимов полета?
@JohnK С нулевой аэродинамической обратной связью (и, следовательно, с усилием ручки, полностью задаваемым блоком ощущения / центрирования), работа блока, по-видимому, заключается в следующем: 1) свободное / нейтральное положение ручки соответствует рулю высоты, находящемуся на одной линии со стабилизатором 2 ) усилие на ручке всегда направлено в сторону нейтрального положения 3) при заданной воздушной скорости данное изменение силы приводит к фиксированному изменению тангажа 4) увеличение силы с увеличением воздушной скорости. При отсутствии обратной связи снижение устойчивости будет выглядеть как большое изменение шага при небольшом изменении смещения , что будет казаться «легким», поскольку сила пропорциональна смещению.
Коренная проблема заключается в том, что поведенческая проблема не может быть решена путем изменения режима силы, ощущаемого пилотом. Можно сказать, что проблема заключается во «внешнем» естественном поведении, которое требует «внешнего» вмешательства системы, которая работает в фоновом режиме и заставляет самолет вести себя так, чтобы это было незаметно для пилота. Самый простой способ сделать это – использовать винтовой домкрат. Альтернативой может быть устройство, которое работает как демпфер рыскания, перемещая руль высоты вниз по течению от сенсорной системы, чтобы пилот не знал об этом, но это было бы намного дороже.
@sdenham, я не говорил, что он статически нестабилен, но то, что вы описываете, звучит точно так, как будто непосредственно перед остановкой существует область недостаточной статической стабильности. По мере увеличения угла атаки центр давления на каждом самолете немного смещается вперед, создавая момент увеличения тангажа и снижая статическую устойчивость. Если это действительно тот эффект, который здесь стал слишком сильным, то он требует создания момента понижения тона, т.е. тримминга носа вниз. Без этого пилоты могут просто балансировать на опасно медленную скорость, и умножение силы не поможет, потому что она изначально будет равна нулю…
@JanHudec Вы увидите, что ранее в той же статье говорилось, что снижение устойчивости на больших углах атаки действительно является причиной неприемлемых характеристик управляемости. В то время как ваш вопрос о том, что пилоты могут уравновешивать восстанавливающую силу, кажется обоснованным, вы также можете сказать то же самое о любом самолете, приближающемся к сваливанию. Верно также и то, что пилоты могут использовать триммеры для отмены БСПС, поэтому БСПС не устраняет риск. (продолжение)
@JanHudec Когда вы говорите, что «это требует создания момента тангажа», вы, кажется, имеете в виду, что ACAS предназначена для того, чтобы быть своего рода толкателем клюшки перед сваливанием? Если вы считаете, что это цель ACAS (что-то, что не может сделать блок чувств и центрирования), возможно, вы могли бы написать это как ответ.
Проблема, насколько я понимаю, заключалась в том, что самолет, когда закрылки были подняты на малой скорости, мог начать подниматься и замедляться без участия пилота. Другими словами, он будет дрейфовать ниже своей триммерной скорости. MCAS применяет тонкую коррекцию, опуская носовую часть примерно на 9 секунд, затем останавливаясь и ожидая, что произойдет. Если самолет все еще набирает высоту, процесс повторяется. Я не верю, что у 37-го даже есть толкатель.
@JohnK Здесь вы говорите, что он становится статически нестабильным при больших углах атаки. Я видел некоторые источники (или мнения), говорящие об этом, но другие (включая статью Бьорна Ферма) говорят, что нет, это просто снижение стабильности. Это всего лишь одна проблема, связанная с MCAS, где циркулирует больше мнений, чем фактов, и, возможно, мне следует сначала спросить о них ... Если у 737 нет толкателя джойстика, это может быть аргументом в пользу MCAS, поскольку у MCAS есть толкатель. нравится поведение.
@JohnK Позвольте мне несколько переосмыслить это ... самолеты будут продолжать замедляться (и, следовательно, иметь увеличивающийся угол атаки), если они изначально уравновешены, на обратной стороне кривой сопротивления, нарушены таким образом, чтобы уменьшить скорость на мгновение, и никаких корректирующих действий не предпринимается. Это не считается неприемлемым поведением, по крайней мере, в авиации общего назначения (я не уверен, к чему ведет это наблюдение...)
@JohnK Я нашел другой источник (хотя и не основной), в котором говорится, что проблема заключается в уменьшении силы, а не в полной нестабильности: «Поскольку гондола находится впереди центра тяжести, эта подъемная сила вызывает небольшой эффект подъема тангажа (т. е. уменьшение силы рукоятки ) что может привести к тому, что пилот непреднамеренно потянет штурвал дальше, чем предполагалось, приближая самолет к сваливанию. Такой ненормальный кабрирование носом вверх не допускается в соответствии с 14CFR §25.203 (a) «Характеристики сваливания». Также «[MCAS] не для предотвращения сваливания (хотя косвенно это помогает)» b737.org.uk/mcas.htm ... Я также видел FAR §25.173 (стабильность).
Вы поддерживаете мнение @fooot и утверждаете, что «двигатели MAX смещают общий центр подъемной силы вперед». Я сомневаюсь в этом и изложил это ему ниже его ответа: «Ваше утверждение озадачивает меня в двух частях. Во-первых, сам двигатель создает подъемную силу в дополнение к тяге, параллельной фюзеляжу и крылу. Во-вторых, создаваемая таким образом подъемная сила зависит от АОА. Не могли бы вы прояснить эти моменты или предоставить некоторые ссылки, лучше всего, если они будут сопровождаться математическим выводом?». Однако он не может на него ответить. У вас есть ответ на мой вопрос?
@JohnK - самолет McD, который вам нужен из-за проблем с устойчивостью по тангажу, - это MD-11, также известный как «Pitch B # $! @ из Лонг-Бич», кстати.

Boeing хотел, чтобы эффект MCAS был прозрачен для пилота, поскольку в FCOM ничего об этом не упоминалось.

Воздействие на механизм ощущения и центрирования потребовало бы внезапного воздействия на колонку, которое было бы замечено и объявлено пилотом неисправностью, поскольку для получения того же эффекта, что и при триммере, учитывая площадь рулей высоты по сравнению с площадью THS, вы потребовалось бы внезапное огромное видимое смещение центра колонны, в то время как одиночный дифферент на 2,5° (0,6° в оригинальной конструкции) вызывает меньше беспокойства, главным образом потому, что короткие дифферентовочные движения возможны по другим причинам даже при ручном полете, например, Обрезка Маха.

Кого будут сильно беспокоить отдельные триммеры, разве это не неисправный AOA, производящий повторяющиеся триммеры? По сути, он оставался прозрачным до тех пор, пока неисправный AOA не привел к сбоям.

Спасибо за ответ, но не могли бы вы объяснить, почему это неизбежно приведет к внезапному эффекту? Будет ли невозможно для устройства постепенно увеличивать усилие по сравнению с усилием, создаваемым устройством NG, по мере того, как воздушная скорость уменьшается в сторону сваливания? (Я говорю скорость, а не AofA, потому что, насколько мне известно, устройство не получает эти данные, но у него есть пара выделенных датчиков Пито.)
@sdenham, увеличение силы имеет значение для NG, поэтому требуется обучение, но Boeing не хотел дополнительного обучения на тренажере, поэтому нужна MCAS и максимально прозрачная возможность. Он внезапный, потому что он возникает неожиданно при уборке закрылков, когда скорость превышает 230 узлов. Пожалуйста, обратитесь к следующему веб-сайту. reuters.com/article/us-ethiopia-airplane-regulator-insight/…
Как использование сенсорного и центрирующего устройства будет считаться ошибкой пилотов, а использование дифферента - нет?

Корень проблемы с MCAS в том, что датчик угла атаки находится возле носа, а не на передней кромке крыла, где ему и место. Предполагается, что он измеряет угол атаки КРЫЛА. Вместо этого он измеряет угол атаки НОСА. Эти измерения не совпадают, когда самолет меняет шаг.

С длинным фюзеляжем опускание носа из набора высоты в крейсерский будет ложно указывать на положение с поднятым носом, поскольку фюзеляж вращается вокруг крыла. Вот почему обе аварии произошли из-за проблем, возникших при переходе с набора высоты на крейсерский. Отказ MCAS полностью зависит от скорости, с которой пилот меняет шаг. Слишком далеко продвиньте джойстик вперед, и вы обречены, когда MCAS берет на себя управление по тангажу и не отдает его обратно.

Ложное показание «нос вверх» перемещает триммер руля высоты, чтобы еще больше опустить нос, снова вызывая ложное показание «нос вверх». Это цикл обратной связи, который не остановится, пока MCAS не достигнет своего предела, который сбрасывается каждый раз, когда пилот выполняет инструкции и нажимает кнопку сброса. Нажмите ее более трех раз, и триммер будет установлен на механические пределы триммера руля высоты. Во втором крушении пилот нажал кнопку сброса более 20 раз.

Но вблизи крыла возникают побочные эффекты от обтекания крыла. На фюзеляжах есть множество альфа-лопастей, например, на всех известных мне самолетах Airbus. Эту ошибку также можно было бы исправить математически с помощью скорости тангажа и воздушной скорости. Если вы переместите датчик угла атаки на крыло, вам придется откалибровать его для всех различных настроек закрылков, с отказом закрылков или предкрылков и без них. Гораздо проще просто откалибровать его на фюзеляже, где по крайней мере геометрия не меняется.