Warum die Nase der 737 Max überhaupt nach unten zwingen?

Das Wichtigste, was es bei der Flugzeugstabilität und -kontrolle zu vermeiden gilt, ist ein aerodynamisches Nasenspitzenmoment, das nicht vom Piloten befohlen wird. Der nicht befohlene Nose-up-Moment würde sich nicht automatisch stabilisieren, sondern mit zunehmendem Anstellwinkel schnell zunehmend größer werden und zu einem festgefahrenen Flugzeug davonlaufen.

Bei der Zertifizierung eines Passagierflugzeugs werden viele Tests durchgeführt, um zu prüfen, ob die Flugzeugzelle nicht beginnt, einen eigenen Kopf zu haben.

• Wenn der Pilot keine Steuereingabe macht, muss die Flugzeugzelle in die getrimmte Position zurückkehren.
• Kräfte und Eingaben, um das Flugzeug von der getrimmten Position wegzubewegen, müssen derart sein, dass eine immer größer werdende Kraft erforderlich ist, um eine immer größer werdende Nase nach oben zu erreichen. Die Nose-Up-Position muss immer auf vorhersehbare Weise von den Flugsteuerflächen, dem Höhenruder und dem Stabilisator gesteuert werden.

Einer der während der Zertifizierung durchzuführenden Tests ist Stick-Force-per-g. Bringen Sie das Flugzeug in Schräglage und drehen Sie es, während Sie den Steuerknüppel nach hinten ziehen, um die Höhe zu halten. Dann mehr Bank und mehr zurückziehen, in immer enger werdenden Kurven. Es muss immer schwieriger werden, den Steuerknüppel zurückzuziehen, um die Höhe zu halten, niemals einfacher.

Es war während dieser Wind-up-Kurve, dass aufgrund der Motorkonfiguration des MAX ein aerodynamisches Nose-Up-Moment auftrat, das dazu führen würde, dass die Pitch-Stick-Kraft plötzlich geringer als erwartet wurde. Nicht so schlimm wie ein Runaway Pitch, aber immer noch eine unerwünschte Situation, wenn der Pilot sich immer noch anstrengt, das Manöver aufrechtzuerhalten. Dies ist die Situation, für die MCAS ursprünglich entwickelt wurde, um nur diese Situation automatisch zu kompensieren. Das Flugzeug soll sich immer selbst stabilisieren und die Art und Weise der Steuerung muss vorhersehbar sein und innerhalb der Reaktionszeiten des Menschen liegen.

Weitere Informationen in den Links in dieser Frage , sehr interessante Artikel, die veranschaulichen, wie das MCAS-Design unter Zeitdruck vom ursprünglichen Umfang aufgebläht wurde.

Entgegen der Intuition wird das Absenken der Nase eines Flugzeugs nicht zum Zweck des "Absenkens" durchgeführt. Steigen/Sinken wird mit Gas gesteuert, und die Geschwindigkeit wird mit der Steuersäule/dem Steuerknüppel gesteuert. Die Logik davon ist sinnvoll, wenn man bedenkt, dass das Auf- oder Absteigen das Hinzufügen oder Entfernen von potenzieller Energie beinhaltet, die von den Motoren bezogen und in den Luftwiderstand versenkt wird.

Ziehen Sie die Säule / den Steuerknüppel zurück und Sie erhöhen den Nickwinkel, wodurch der Anstellwinkel erhöht wird, was den Auftrieb erhöht. Das bewirkt, dass das Flugzeug nach oben steigt, ja, aber das Aufsteigen erfordert zusätzliche Energie, die am unmittelbarsten aus der Vorwärtsbewegung des Flugzeugs stammt - es verlangsamt sich. Wenn es langsamer wird, nimmt der Auftrieb ab und (idealerweise) wird das Gleichgewicht bei einer geringeren Fluggeschwindigkeit und einem größeren Anstellwinkel wiederhergestellt.

Dasselbe gilt umgekehrt - vorwärts schieben und Sie werden schneller.

Aufgrund der Art und Weise, wie die neuen Motoren in die 737 Max 8 eingebaut wurden, kam es zu einem Handhabungsproblem, bei dem sich die Nase unerwartet aufrichten konnte. wenn es nicht korrigiert wird, könnte dieses Ansteigen einen Strömungsabriss hervorrufen. MCAS sollte dieses schlechte Verhalten kompensieren, indem es sein Auftreten erkennt und automatisch die Nase nach unten drückt, um die erwartete Fluglage beizubehalten und einen Strömungsabriss zu verhindern. Die Abstürze enthüllten auf tragische Weise Schwachstellen im MCAS; In diesen Fällen reagierte MCAS auf einen fälschlicherweise angezeigten Zustand mit hohem Anstellwinkel.

Kürzlich wurde bei The Verge ein ziemlich langer Artikel veröffentlicht , der die Geschichte der Entwicklung der 737 zur Max 8 beschreibt kurze Geschichte eines der Unfallflugzeuge bis zu seinen letzten Momenten. Ich bin mir nicht sicher, wie maßgeblich der Artikel ist, aber ich glaube, dass alle angegebenen Fakten korrekt sind.

Um die vorhandenen Antworten ein wenig zu ergänzen, hatte der Grund für den unerwarteten Pitch-Up-Moment bei der 737 MAX, soweit ich es verstehe, mit dem abgeflachten Teil an der Unterseite der Motorhaube zu tun.

Die Wurzel des Problems liegt darin, dass die 737 bereits zu Zeiten von Low-Bypass-Turbofans (insbesondere der Pratt & Whitney JT8D ) konstruiert wurde. Aufgrund des niedrigen Bypass-Verhältnisses um den Kern herum hatten diese Triebwerke viel kleinere Durchmesser als die heutigen High-Bypass-Turbofans. Bypass-Turbofans. Der JT8D hatte einen Lüfterdurchmesser von nur 49 Zoll, während der LEAP-1B der 737 MAX einen Lüfterdurchmesser von 69 Zoll hat (und selbst dieser ist deutlich kleiner gehalten als der 78-Zoll-Durchmesser des LEAP-1As für die A320neo-Serie. )

Aufgrund der massiven Vergrößerung des Triebwerksdurchmessers mit der Umstellung auf Turbofan-Triebwerke mit hohem Bypass wurde die Bodenfreiheit zu einem Problem, da die Höhe des Fahrwerks für viel kleinere Triebwerke ausgelegt war. So werden Sie selbst bei der 737 NG-Serie sehen, dass es einen abgeflachten Teil an der Unterseite der Motorhaube gibt, um die Bodenfreiheit etwas zu verbessern, während das Fahrwerk immer noch in die Radkästen passt. Da die LEAP-Motoren beim MAX noch größer sind als die CFM56-Motoren beim NG, wurde der abgeflachte Teil größer, um die neuen Motoren unter den Flügel zu passen.

737NG mit abgeflachten Motorhauben ( Quelle )

Es stellt sich heraus, dass dieser abgeflachte Abschnitt bei hohen Anstellwinkeln einen erheblichen Auftrieb (und aufgrund seiner Positionierung ein Moment nach oben) erzeugen kann. Dies führt dazu, dass das Flugzeug bei hoher AoA noch mehr aufsteigen möchte, was aus den Gründen, die Koyovis bereits gut erklärt hat, schlecht ist . Daher wurde MCAS entwickelt, um diese Tendenz der AoA zu verhindern, unkontrollierte Anstiege bei hoher AoA fortzusetzen, indem die Nase absichtlich nach unten gedrückt wird, wenn die AoA zu hoch wird.

Die Idee an sich ist nicht unbedingt schlecht, und Systeme mit ähnlichen Zwecken (die Nase nach unten zu drücken, um zu verhindern, dass AoA zu hoch wird) gibt es in fast allen noch fliegenden Airbus-Flugzeugen und auch in anderen neueren Boeing-Designs. Das Problem lag in der Implementierung des MCAS, das anscheinend die AoA-Flügel-Eingänge nicht gegeneinander abgleichte oder anderweitig eine ausreichende Plausibilitätsprüfung der Eingänge von den AoA-Flügeln durchführte, bevor er auf einen der AoA-Flügel-Eingänge zum Drücken einwirkte die Nase nach unten ohne Befehl der Piloten. Im Fall des äthiopischen Absturzes deuten vorläufige Informationen der Ermittler darauf hin, dass die AoA-Leitfahne, die das MCAS für die Eingabe verwendete, wahrscheinlich vollständig vom Flugzeug abgeschert wurde, möglicherweise während eines Vogelschlags oder eines ähnlichen FOD-Ereignisses während des Starts. Aufgrund des noch angebrachten Gegengewichts der Leitfahne zeigte dies eine extrem hohe AoA an, was wiederum das MCAS auslöste.

MCAS zwingt die Nase der 737 MAX nach unten, da sich die Nase des Flugzeugs unter Umständen aufrichten kann und dies zu einem Strömungsabriss führen kann.

Aus Wikipedia :

Das Maneuvering Characteristics Augmentation System (MCAS) ist ein Flugsteuerungs-Softwaresystem, das für die Boeing 737 MAX entwickelt wurde, um ähnliche Handhabungsqualitäten wie die Boeing 737 NG zu bieten, insbesondere bei Flügen mit niedriger Geschwindigkeit und hohem Anstellwinkel (AoA). Es senkt die Nase ohne Eingreifen des Piloten, wenn es feststellt, dass das Flugzeug zu hoch ist, basierend auf den Eingaben von Fluggeschwindigkeits-, Höhen- und Anstellwinkelsensoren. Es ist jedoch anfällig für Fehlaktivierungen, wie die tödlichen Abstürze von Lion Air Flug 610 und Ethiopian Airlines Flug 302 belegen. Die 737 MAX bleibt auf unbestimmte Zeit am Boden, bis die Aufsichtsbehörden entscheiden, dass das Flugzeug flugfähig ist, und warten auf Software- und Instrumentenaktualisierungen sowie Überarbeitungen von Informationen für Flugbesatzungen. Möglicherweise müssen sie sich auch MCAS-Schulungen in Flugsimulatoren unterziehen.

IIRC, die Modifikationen an der 737 (einschließlich der neuen Motoren, die sie antreiben) bedeuteten, dass die Motoren weiter vorne und höher positioniert werden mussten. (Dies war ein ähnlicher Fall, als sie von den ursprünglichen "Zigarren" auf die CFM-56 wechselten). Und dies führte unter manchen Flugbedingungen zu einem automatischen Aufstellen des Flugzeugs.

MCAS wurde entwickelt, um dieser Tendenz entgegenzuwirken, um zu vermeiden, dass Piloten ständig Korrekturen vornehmen müssen. Da es sich um ein inhärentes Verhalten des neuen Designs handelte, wurde es so implementiert, dass die Piloten nicht einmal wissen sollten, dass ein solches System in ihrem Flugzeug existierte, es flog in jeder Hinsicht "genau wie die anderen". .

Für einen stabilen Flug müssen alle Kräfte und Momente im Gleichgewicht sein. Für eine gegebene Geschwindigkeit und einen gegebenen Schub gibt es ein Fenster mit akzeptablen Anstellwinkeln (AoA), wenn der Flügel genügend Auftrieb erzeugt. Wenn der Anstellwinkel zu hoch ist, reißt der Flügel ab und das Flugzeug verliert abrupt an Auftrieb. Die kritische AoA kann entweder durch übermäßiges Anheben für eine bestimmte Geschwindigkeit oder durch Verlangsamen für eine bestimmte Neigung erreicht werden.

Das Design der Boeing 737 stammt aus dem Jahr 1964 und die neuesten 737 sind Weiterentwicklungen dieses Designs. Die offensichtlichsten Unterschiede im Design der jetzt geerdeten Flugzeuge sind:

• Rumpflänge
• Spannweite
• Motorschub

Wenn Sie die Motorpositionen und die Tatsache vergleichen, dass sich der Schub im Laufe der Zeit verdoppelt hat, können Sie deutlich sehen, woher das unbeabsichtigte Anstellen kommt.

Dieses Anheben kann zu einem Abwürgen führen, und es muss eine Gegenbewegung nach unten durchgeführt werden, um eine solche Situation zu vermeiden, da das Einschalten zu einer weiteren Aufwärtsbewegung führt.

Beachten Sie auch, dass die MCAS- Intervention nur zweimal zu einer Katastrophe führte; in allen anderen nicht dokumentationswürdigen Fällen funktionierte es wie vorgesehen. Das Problem, das alle 737-MAX am Boden ließ, ist NICHT, dass ein solches System implementiert wurde, sondern wie es implementiert und wie es dokumentiert wurde – was eine ganz andere Geschichte ist. Beachten Sie auch, dass es nicht der erste Fall von istAnti-Stall nicht gut dokumentierte Fehlfunktion des Sicherheitssystems mit katastrophalen Folgen .

Ich verstehe nicht, warum irgendein Flugzeughersteller, Ingenieur, Softwareentwickler ein Gerät herstellen würde, das die Nase des Flugzeugs nach unten drückt.

Denn die Geschichte hat bewiesen, dass Piloten selbst es nicht immer tun.
Ich verstehe, dass die Ingenieure dachten, es würde die Sicherheit verbessern.
Betrachtet man den Air-France-Flug 447 , wenn (ein funktionierendes) MCAS vorhanden gewesen wäre, hätte es das Flugzeug wahrscheinlich gerettet.

Kurz gesagt, der Erste Offizier brachte das Flugzeug ins Wasser.

Erster Offizier Robert sagte zu sich selbst: „Aufstieg“ viermal. Bonin hörte das und antwortete: "Aber ich war schon eine Weile auf maximaler Nase!" Captain Dubois erkannte, dass Bonin den Strömungsabriss verursachte, und veranlasste ihn zu schreien: "Nein, nein, nein, kletter nicht!"

Dies ist nur ein Unfall, bei dem das Absenken der Nase das Flugzeug gerettet hätte.
Ich gebe der Flugbesatzung keinen Vorwurf, es ist „kontraintuitiv“, die Nase zu senken, und sobald Ihr Reptiliengehirn das Sagen hat, ist es schwer, die Kontrolle über Ihren Geist zurückzugewinnen.

Flugzeuge fliegen mit Geschwindigkeit. Wenn sie nicht genug Geschwindigkeit haben, fallen sie wie Ziegelsteine ​​herunter.

Nase nach unten tauscht Höhe gegen Geschwindigkeit. Sie verlieren an Höhe, aber Sie "fliegen mehr".

Nose up versucht, Geschwindigkeit gegen Höhe einzutauschen. Im besten Fall gewinnt man an Höhe, aber man „fliegt weniger“. Im schlimmsten Fall gewinnst du nichts, du rutschst nur herunter, während du nach oben schaust. So stürzte der Air-France-Flug 447 ab: Der Copilot zog immer wieder hoch und sie haben dadurch alle Höhe verloren.

737 MAX hat aufgrund seiner ungeplanten Motorgröße die natürliche Tendenz, die Nase nach oben zu ziehen, was aus den oben genannten Gründen äußerst gefährlich ist. Das Herunterdrücken ist eine Möglichkeit, diese Gefahr in Schach zu halten. Das Problem besteht nicht darin, die Nase selbst nach unten zu drücken, sondern zu oft und zu viel. Sie haben die große Gefahr durch eine kleinere ersetzt – die sich leider als noch schlechter konstruiert erwiesen hat als überdimensionierte Motoren.

Das eigentliche Problem besteht nicht darin, dass der Auftrieb von den Gondeln für ein nach oben gerichtetes Nickmoment sorgt. Die Frage ist warum. Stabilität erfordert, dass das Auftriebszentrum des gesamten Flugzeugs hinter dem Schwerpunkt liegt. Der Gesamtauftrieb stammt aus mehreren Quellen, dem Flügel, einem gewissen Beitrag des Rumpfes, einem Beitrag aufgrund des Schubwinkels des Triebwerks relativ zum Anstellwinkel und einem Beitrag der Triebwerksgondel. Bei einem hohen Anstellwinkel wird der Beitrag der Triebwerksgondel signifikant. Fügen Sie all diese Quellen hinzu und das Ergebnis ist, dass sich das Auftriebszentrum des gesamten Flugzeugs mit einem hohen Anstellwinkel nach vorne bewegt. Wenn der Anstellwinkel erhöht wird, bewegt sich das Zentrum des Auftriebs nach vorne, was zu einer Aufwärtsneigung führt. Wenn der Anstellwinkel fortschreitend vergrößert wird, bewegt sich der Auftriebsschwerpunkt vor den Schwerpunkt, und es kommt möglicherweise zu einer unkontrollierten Aufwärtsneigung.

Ich habe einen Artikel darüber gelesen, der mir geholfen hat, es sehr gut zu verstehen.

Die für die 737 Max gebauten Motoren sind sehr leistungsstark.

Stellen Sie sich vor, Sie fahren Motorrad oder Auto. Was passiert mit der Fahrzeugnase, wenn Sie schnell starten? Die Front bewegt sich nach oben. Und beim schnellen Abbremsen? Die Front bewegt sich nach unten. Rechts?

Aufgrund dieses Problems war laut den Ingenieuren etwas erforderlich, um die Höhe des Flugzeugs zu steuern, wofür das MCAS entwickelt wurde. Um das Flugzeug während dieser schnellen Bewegungen zu stabilisieren, werden Ereignisse beschleunigt oder schnell verlangsamt.

Mit korrekten Daten, die MCAS zugeführt werden, funktioniert es sehr gut, das Flugzeug während des gesamten Fluges zu stabilisieren, sodass der Pilot das Flugzeug wie eine 737 fliegen kann, wie es entworfen wurde.

Ohne MCAS hätte der Pilot Schwierigkeiten, das Flugzeug zu stabilisieren, wenn sich die Geschwindigkeit des Flugzeugs ändert. Der Pilot kann sich ohne MCAS nicht auf viele Dinge konzentrieren, die vor sich gehen.

Das hat mir kurz gesagt sehr viel Sinn gemacht. Jedes Flugzeug mit leistungsstarken Triebwerken benötigt aus diesem Grund ein MCAS-System. Und es wurde entwickelt, um im Hintergrund zu laufen.

Wenn wir unsere Autos fahren, arbeiten viele Geräte im Hintergrund, damit wir fahren und uns auf die Straße konzentrieren können. Gleiches Prinzip hier für den Piloten wegen der neuen leistungsstarken Motoren.

Ich denke, das Problem für Boeing war das Risiko, beim Verkauf hinter Airbus zurückzufallen. Also modifizierten sie die 737 mit weitaus größeren Triebwerken, die aufgrund der begrenzten Bodenfreiheit so montiert werden mussten, dass das Risiko eines Strömungsabrisses während des Starts anstieg. Bei einem Flugzeug, das nicht so aerodynamisch ist, wie es sollte, hat Boeing ein System zur Überwindung der aerodynamischen Mängel, MCAS, eingebaut. Es scheint seltsam, wissentlich ein Flugzeug zu produzieren, das nicht so aerodynamisch ist wie sein Vorgänger, aber in ihrer Verzweiflung, mit Airbus Schritt zu halten, hat Boeing genau das getan.