飞机工程师的自白 最复杂的飞机如何最安全

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帕特里克·杜·切是空客公司最资深的飞行测试工程师。每个月里总有那么几天,走进办公室后,帕特里克要脱下西装领带,穿上一套防火内衣,再套上一身明黄色的飞行制服和一双结实的黑色靴子。然后,他走出办公室,走上法国南部图卢兹机场的停机坪。在众多刚喷过漆的A320机群中,有一架A350-XWB非常显眼,它是这类飞机中的第一架。飞机机身光滑,除了机身两侧带有的字母和机尾的空客标识外,几乎是全白色的,它的官方称谓是MSN001。2013年5月,空客公司举办了一个只有员工参加的仪式,组装线上负责最后工序的工人终于完成了自己的工作,正式将首架A350-XWB交付给飞行测试部,或者用杜·切的话说就是,“他们把它交给了我。”

作为飞行工程师和测试部负责人,杜·切说自己并不爱冒险,但他必须选择最有挑战性的项目进行测试,比如测试飞机各项性能的极限。在那些极限状态下,任何一个小的漏洞都有可能造成机毁人亡。自去年6月以来,杜·切和他的同事们要么以最大的设计时速来驾驶A350;要么在空中尝试航空动力失速状态;要么以最慢的速度起飞,以至于机尾都拖地了。

每次试飞,机组由2名飞行员和3名工程师组成,机舱中安装了一批电脑,数据通过众多感应装置不断汇集进入电脑,工程师的任务就是监测那些数据。杜·切的工作台位于驾驶室右侧副驾的后面。所有座位上都有降落伞。一旦发生状况,机组成员将立刻来到前行李舱上部,拉动一个扳手,引发局部爆炸,机身右侧会出现一个大洞,他们就可以从这里跳下飞机。不过,这只是理论。试飞员师弗兰克·查普曼说:“如果飞机真的骤降失去控制,你还可能逃生吗?”他耸了耸肩。

空客公司必须向自己、监管当局和它的客户证明,A350机型不但性能良好,而且还达到了精益求精的地步。从设计到制造,空客公司在A350上整整花了8年(制造完成后,空客还将用一年半的时间对飞机进行全方位测试,确保万无一失)。A350是第一架由轻量材质建造的喷气式客机,由数百万个零部件组成,并受数百万条计算机编码支配。

一架现代的民用客机是一套半自动的体系。飞机上的电子神经系统持续监测内、外部数以千计的参数,自动与全球导航网络和维修网络联系,并判断机师是否安全飞行。当机师拉操纵杆时,并不真的在拉位于机尾的提升器,而是在向飞机的电脑发出请求,电脑然后决定在多大程度上移动方向舵和其他控制界面。如果机师试图以危险的方式驾驶飞机,比如进行航空动力失速,电脑是不会允许这样的操作的。A350机型的系统集成负责人马克·卡森说:“和30年前相比,现代飞机的操控已经达到相当智能的水平,就像傻瓜相机一样。”

对现代飞机的制造者来说,最大的挑战是,在一个如此复杂的体系里,有太多的漏洞可以存在。比如,驾驶室内一处报警灯开始闪烁,它可能是在提示机师,引擎出了问题,但也有可能是预警系统本身出了毛病,发出错误的信号。它会导致飞行偏离航线或延误,代价是极其高昂的。

为了找出飞机可能存在的瑕疵,空客公司的技术人员不得不依赖复杂的电脑系统。可这些系统本身就可能招致问题。比如被称为“空中客车”的A380巨型客机就完全是在电脑上被设计出来的。可在A380的设计过程中,人们没有留意到,空客在德国和法国的工作人员使用的设计软件版本不一样。当设计全部完成,组装工人开始安装成捆的电线时,发现德国技术人员计算出的需要布满机身的电线数量,与用法国技术人员设计的机身根本不匹配。结果,数英里长的电线都白装了,不得不全部扯下来,重新再来。

开发A380的惨痛经历,使空客没有动力从头再开发一种全新机型。2004年,波音公司宣布开发“梦想飞机”(Dreamliner)的计划后,空客不得不做出应对。“梦想飞机”可搭载230至330名乘客,它将是空客A330型双过道客机的直接威胁,后者于1992年首航,问世后非常成功。空客最初的想法,是提升A330机翼的航空动力,提高它引擎的效能。改装后的A330于2004年面世,但并未吸引多少客户,人们对于性能略有提升的A330并不感冒。市场告诉空客的设计师们,这不是客户想要的,客户要一种全新的设计!

这一次,空客没有采用谨慎、渐进的升级换代,而是设计了一系列超效能飞机,从276个座位的,到369个座位的,仅开发成本就超过了100亿美元。

为了避免错误计算A380电线长度这样的失误再次出现,空客在全球所有分公司都采用了标准化的设计软件。不仅如此,空客还开发出一套用于设计飞机的单一电子系统,被称为“电子模拟”(DMU),每位设计师都可以随时随地使用它,任何一位设计师对飞机做出的一丁点儿改动,其他所有人都可以立刻看到。

所有的飞机在早期设计阶段都充满了不确定性。飞机材质足够轻、足够结实吗?零部件的性能能达到设计者所希望的吗?飞机的各个部件之间有没有冲突?真的飞上天后,它的表现和模拟飞行预测的究竟会不会一致?

为了制造飞机,空客采用了一种叫“测量金字塔”的流程,以便系统地、一点一点地排查一切漏洞。“金字塔”的底部代表设计阶段,这个阶段一切都是未知。接下来是测试原材料,然后是零部件,再然后是每个系统的测试,最后是整架飞机。有了这一番严格检测,再复杂的机器也能被完全掌控。

但在实际操作中,这意味着要进行各种虚拟测试,无法进行虚拟测试的飞机主体结构则必须制造出试验品。比如,在图卢兹制造机身筒,在威尔士布劳顿制造机翼翼盒示范器,在英格兰菲尔顿搭建起落装置试验台,在汉堡搭建模拟客舱。

其实,飞机大量的制造工作不是由空客,而是由它无数的供应商完成的。与其说空客公司是一家飞机制造商,不如说它是一个飞机组装者:空客只是建立飞机的一套整体方案,然后把设计和零部件生产统统外包,最后再将各个部件组装起来。在长达8年的设计过程中,有7000名工程师参与了A350的设计与制造,但其中至少有一半根本不是空客的员工。

接近这座测试“金字塔”顶端的,是一种用飞机骨架进行的真实条件下的模拟试验,它被称为“铁鸟”。“铁鸟”被置于一座脚手架的下方,它包括一架真实飞机的所有内部零件,连同电子和液压系统在内,它与一个飞行模拟器相连。“铁鸟”可以准确地模拟出飞机在飞行过程中,各条管道和电线内部是如何运行的。使用“铁鸟”的目的不只是让所有系统真正在一起工作磨合,更能让制造者们观察到,当某单个零件坏了、使用过度或被不当操作时,整架飞机是如何反应的。毕竟,那才是真实世界里所要发生的。正如杜·切所说的:“每一架飞在天上的飞机内部,都正在出着这样那样的问题。”

让我们回到空客在图卢兹的飞机制造厂,一架与实物大小一样的机身停在那里。它的一侧机翼被缆绳不断向上拉伸,一座液压夯锤把机尾也压向某一侧。这样“折磨”机身的目的是使飞机像它需要的那样结实。A350静态测试项目的负责人彼得·伯施解释说:“我们不想飞机身上有一丁点儿没有用处的重量。”

在德国汉堡和埃尔丁的测试厂里,A350机身的许多部分被反复摆弄到变形为止,来测试机身能承受多大程度的金属疲劳性损害,就像来回折曲别针看它多久会断开一样。要知道,这样的损毁曾导致了上世纪50年代三架哈维兰彗星型客机在飞行中解体的悲剧。同样的问题也给A380飞机带来过很大麻烦。2011年和2012年,在这种超大客机的机翼上发现裂缝,使得欧洲主管当局下令所有A380全部停飞进行细致检查。为了使上述状况发生在A350机型上的可能性降到最低,埃尔丁测试厂让机身的多个部分经历了超过8万次起飞和着陆的反复模拟测试。

从某种意义上讲,真正的测试要到A350机型获得认证后才开始。服役的头两年,也是一架飞机问题暴露的时候。这是简单的算术。一旦该机型以机队的形式投入运行,机队这个整体将累积飞行小时,这个速度将比最激进的测试计划还要快几百倍。真正的飞行将积累很多经验,并发现飞机制造者无法发现的问题。这段较早的时期在新机型建立声誉上至关重要。

相反的,一旦发生过问题,即使弥补后再次证明了飞机的可靠性,也不会令客户接踵而至。当A380的种种问题解决后,它经历了罕见的无问题飞行阶段。可空客却发现,它的买家比想像中少得多,至今还没有为公司盈利。

空客的高层表示,A350机型将是一次更安全的赌博。空客预期,在未来20年,各航空公司会大量采购拥有250至350个座位的大型客机,其订单将接近7000份。以当前的价格计算,这将是价值2万亿美元的生意。

目前,A350表现良好。截至2013年底,空客已收到来自37个客户的817份订单。与此同时,波音公司推出777X机型却不是一个全新的设计,而是以20世纪90年代的一架老飞机为蓝本,配上新的机翼和引擎。空客方面乐观地表示,这条路他们早就走过了,根本行不通。客户要全新的机型,不会要改良的。

杜·切办公室对面是一座L型的飞机库,在这个100英尺高的空间里停着一副飞机骨架,机尾对着大门。它是测试飞机中的最后一架,它刚刚装上机翼,还在等待安装引擎。飞机中段两侧搭着黄色脚手架,工人们有的在场地上走来走去,有的在脚手架内爬上爬下。

所有测试结束后,空客将在这里建造飞机。随着这个流程越来越接近“金字塔”的各个层级,材料被做成装置,装置被连接入子系统,子系统被包装为系统。有的零件在自己运转时一切正常,但当被组装到一起运转时,也许就会产生问题。在整个过程中,其目的是尽早消除这些缺陷,以便在最后阶段出现的是最高级别的问题。

站在“金字塔”顶峰的“最终集成者”,用杜·切的话说,就是一架真正的飞机。当真正的机翼和机身升至高空时,总会有意想不到的情况发生。例如,在早前的试飞计划中,坐在A350中部的工程师在某次飞行阶段,听见嗡嗡的响声,多方寻找原因未果。最后,一名工程师建议,机翼上的密封条应当换成更结实的材质。果然,噪音消失了。

MSN001和它较新的姊妹机MSN003,已经完成大约1000小时试飞,整个测试飞行的计划是2500小时。在未来4个月内,会再有3架飞机加入测试机队,测试内容将扩大到机舱娱乐系统、航空电子设备,以及在极端温度下飞机的性能。

虽然试飞中那些最高风险的项目,大部分在飞行的最初几个月已经完成了,但有一个重要的测试必须要等待天气,因为老天变幻莫测。所以,在这个初春晴朗的日子,杜·切看着窗外湛蓝的天空叹了口气。广阔的高压气旋挂在欧洲上空,阻止了杜·切试飞需要的雷雨天气。他的目的是飞到暴风雨的边缘,让机翼和机身表面结冰,在机身重量增加和航空效能丧失的情况下,观察飞机的反应。这个测试非常符合杜·切个人对“有意思”一词的定义。

他说:“这么做是要使飞机处于非常不适的境地,你极有可能毁掉这架飞机,因为在那里雷击会很多很多。”但杜·切有点迫不及待地想飞到那里去。

 

PS:空客采用了“金字塔”式的飞机制造流程。“金字塔”的底部代表设计阶段,各个层级分别是材料被做成装置,装置被连接入子系统,子系统被包装为系统。站在“金字塔”顶峰的就是一架完整的飞机。

飞机制造完成后,试飞员和工程师要在试飞中不断测试飞机各项性能的极限。在那些极限状态下,任何一个小的漏洞都有可能造成机毁人亡。

空客资深飞行测试工程师杜·切说:“每一架飞在天上的飞机内部,都正在出着这样那样的问题。”