专利维度试析737 MAX MCAS系统的适航认证问题

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来源：IPRdaily中文网（iprdaily.cn）

作者：陆峰 王元元

原标题：专利维度试析737 MAX MCAS系统的适航认证问题

在刚刚过去的2019年里，美国波音公司可谓是时乖命蹇、危机重重：半年内发生印尼狮航、埃塞航737 MAX两起空难事故，导致346人死亡,空难调查表明这两次空难均与新安装的“机动特性增强系统”（MCAS）故障引起的客机空中失控有关，并且MCAS在设计、适航认证、飞行培训等方面都存在重大问题，因此波音饱受公众、媒体和司法部门的质疑和责难，经济损失累计高达数十亿美金。737 MAX客机于2019年3月遭到全球停飞以来，复飞预期一再推迟，12月17日，波音宣布由于美国联邦航空局（FAA）认证推迟到2020年、恢复运营和全球培训审批的时间点和条件的不确定性等因素，将暂停生产737 MAX客机。

为何存在严重设计缺陷的MCAS能够通过FAA的适航认证？为何737 MAX复飞遥遥无期？本文尝试从MCAS密切相关专利切入，对MCAS适航审查程序中可能存在的豁免制度和“继承原则”问题进行分析。

一、MACS可能利用了失速保护系统享有的适航审查豁免政策

1、MCAS情况概述

737 MAX系列客机安装LEAP-1B发动机后，由于其尺寸更大，所以其安装位置必须更高、更向前、与机翼更近，造成发动机短舱在大攻角飞行情况下会产生非线性升力，由于发动机短舱位于重心之前，还会使飞机产生轻微的抬头效应，反应到操纵杆上的阻力也会非线性减小，这可能导致飞行员更容易误操纵飞机而接近失速。根据适航规定FAR25.203“失速特性”要求，这种非线性/减小的杆力是不允许的，所以，波音引入了MCAS系统。

在飞机襟翼收起、大攻角（气流与机翼弦线之间夹角）飞行和飞行员手动驾驶时，MCAS被激活并指令水平安定面偏转，使机头下压。《印尼狮航空难报告》显示：失事飞机的攻角传感器出现了故障，MCAS系统根据错误的传感器数据对飞机进行了错误的调整。由于波音公司未能向飞行员提供有关MCAS系统的任何信息，导致机组人员在危急时刻无法及时了解面临的情况并及时采取纠正措施，最终造成空难发生。调查情况表明，埃塞航空难原因与印尼狮航空难高度相似。

2、MCAS系统不是传统意义的失速保护系统

传统失速保护系统重要包括失速告警、失速识别、系统状态显示、抖杆和自动推杆等方面，一般不涉及水平安定面调节，也没有超越飞行员的控制权限。如上文所述，波音安装MCAS系统的目的不是用于防止失速（虽然间接有助于防止失速）；它的引入是用于抵消LEAP-1B发动机短舱在大迎角下的非线性升力问题，并在接近失速时提供稳定的增加杆力操纵。

3、波音可能将MCAS“包装”成失速保护系统

为了在适航审查时得到豁免优惠政策，波音有可能将MCAS“包装”成失速保护系统。

失速保护系统可以获得适航审查豁免政策的依据为波音于2016年8月10日申请的CN106477055A号中国发明的说明书，该专利名称为“飞行器失速保护系统。”根据该专利说明书第8段的记载：“采用失速保护系统的飞行器通常通过特殊状况问题报告过程进行认证，因为传统的失速要求不能被评估。一些监管机构（诸如FAA）可授予飞行器制造商用于安装失速保护系统的性能免除许可（performance relief credits）”在该专利说明书第48段等处也有类似记载。

737 MAX已得到适航审查豁免的根据为2019年10月FAA发布的十国局方联合技术审查小组（以下简称JATR审查小组）做出的《737 MAX飞控系统审查报告》。该报告指出737 MAX的设计法规包括以下组合：1967年B737最初获得认证时实施的监管修订，……特殊条件、豁免和同等水平的安全调查结果（典型的类似认证项目）等。从划线部分可以看出737 MAX的适航审查得到了相应豁免，其中很可能包括上文提到的对失速保护系统给予的“性能免除许可”。主要理由如下：

图1 CN106477055A号专利附图

1）从CN106477055A号专利附图和说明书可知，该专利所述失速保护系统包含的AOA攻角传感器数据激活和控制逻辑，自动指令稳定翼（即水平安定面）偏转功能，工作原理和超越飞行员控制权限等方面与MCAS基本一致。

2）图1中划红线的失速误用保护（SAP）功能是为了避免（飞机在失速或即将失速状态下）因拉杆力非线性减小而导致飞行员出现误操纵，这与MCAS设计目的和主要功能相同。

3）CN106477055A号专利提到：监管机构（诸如FAA）授予失速保护系统的“性能免除许可”，可使飞机制造商在飞行器认证过程期间产生竞争性的优点，这与关于波音为了追赶空客公司竞争机型A320NEO的研制进度，而设法缩短737 MAX适航审查进度的传闻相吻合。

4）CN106477055A号专利提到的性能免除许可，是指FAA对MCAS的适航审查主要通过审核波音提交的特殊状况问题报告等方式来进行，而该报告有可能正是问题的关键，《狮航空难最终调查报告》指出：“波音公司MCAS设计允许对飞机水平尾翼进行调整的角度从0.6度提高至2.5度，而这一改动并未及时在提交给FAA的相关文件中进行更新，因此FAA未能重新评估该设计更改的安全性。”这些所谓的“相关文件”之中很可能就包括CN106477055A号专利中提到的特殊状况问题报告。

综上所述，我们认为：波音为了加快737 MAX客机的适航审查进度，有可能将MCAS伪装成失速保护系统并进行适航审查，以便获得失速保护系统可以享有的“性能免除许可”等豁免政策。国产ARJ21支线客机为了通过国内适航当局对失速状态的适航审查和FAA的“影子审查”，经历了大量的高难度和高风险的试飞试验，但FAA在审查“自家产品”-737 MAX的失速保护系统时，却可能给予了豁免照顾，如此做法有悖透明、公正和公平原则。

二、“继承原则”可能是波音钻制度空子的根源

适航审查中的继承原则（或祖父原则）是指在对飞机产品的衍生发生型进行适航审查过程中，如果衍生飞机相比原飞机只进行了少量的更改，则允许只对飞机设计的更改部分和受更改影响的部分进行合规性评估，而不对飞机的未受影响部分进行重新评估的规则。JATR审查小组基于上述规定，认定737 MAX的设计法规包括以下组合：1967年B737最初获得认证时实施的监管修订；波音公司申请737 MAX项目认证时生效的监管修正案；在1967年原始认证和737 MAX认证申请之间生效的监管修订；在波音公司选择遵守的申请日期之后生效的某些监管修订；特殊条件、豁免和同等水平的安全调查结果（典型的类似认证项目）；附加设计要求和条件（ADRC）。

波音737型系列客机已经有50多年的使用历史，至今已发展出14个型号和4代机型，飞机上的失速保护系统或配平系统也经历了多次发展和变更。根据继承原则，如果波音将MCAS系统谎报是旧飞控系统的更改，就可以不用再进行全面的系统验证和评估，所以JATR审查小组认定波音在737MAX上安装MCAS系统遵循了更改后的产品规则流程，并且该流程对于处理离散的更改是有效的。

我们认为：MCAS系统属于新系统的安装，不是原有机型飞控系统的更改，不应适用继承原则。主要理由如下：

1）如上文所述，MCAS系统与传统的失速保护系统完全不同。

2）MCAS与旧机型安装的速度配平系统存在明显区别。所谓的速度配平系统（以下简称为STS系统）是飞机的速度增稳系统，当飞机速度大于或小于配平速度时，该系统指令安定面移动，以使飞机回到配平的速度。虽然MCAS与STS系统同是指令安定面移动的飞行控制系统，但是两者存在明显区别：MCAS用于737 MAX换发带来的气动问题，737 CL（经典型）、NG等旧机型不存在类似问题；MCAS基于AOA攻角传感器数据激活，在激活逻辑、传感器和数据类型、数据比对、信号处理及传输、冗余设计、控制律等方面，与STS系统完全不同；MCAS具有优先于STS和飞行员手动驾驶的控制权限；MCAS指令安定面移动的速度和角度远高于STS；MCAS可以重复启动；MCAS只在飞机襟翼收上的状态启动；MCAS的关闭方法不同于STS系统等。

3）JATR审查小组发现，在提交给FAA的认证文件中，MCAS并未作为一个完整、集成的功能获得评估，由于缺乏统一的从上到下的系统功能开发与评估及其安全分析，再加上广泛、分裂的文件分类，使得JATR审查小组难以评估是否充分证明了合规情况的存在。这表明波音可能对MCAS的研究基础和验证不足，没有对MCAS进行完整、集成的功能评估，这可能与波音当时采取多种空气动力学措施不能有效解决737 MAX因换发而带来的气动 ，所以仓促上马MCAS的研制背景有关。

综上所述，波音有可能利用了适航审查制度的继承原则，使MCAS系统在未进行充分地试验验证的情况下就通过了适航审查，因而在系统集成和累积效应等方面产生问题。

继承原则的最大问题在于，其只能“防君子”，不能“防小人”，当波音利用制度漏洞，刻意隐瞒或谎报重要系统信息时，FAA采取的机构委托授权（ODA）方式很难及时发现问题。波音的737飞机平台已经使用了50多年，其潜能都已被开发殆尽，波音在老旧低矮的737机身上安装LEAP发动机犹如竭泽而渔；波音可能为了追赶进度而钻适航审查制度的空子，结果却是玩火自焚。波音作为百年老店，型号研制历史悠久，适航认证实力雄厚，继承原则将波音飞机的产品优势不断固化和积累，并形成市场垄断竞争优势；但从两起惨烈空难造成的严重后果来看，继承原则实际上已被波音过度利用，成为掩盖其创新乏力问题、利润至上发展理念的“遮羞布”，同时也严重损害了全球民机制造供应链和航空公司的利益，阻碍了国际航空运输业的健康发展。

三、措施与建议

1、重点核查MCAS系统适航认证时的豁免、继承情况

适航当局应当重点审查MCAS系统适用继承原则或豁免许可等相关情况，波音应如实公开737 MAX机型飞控系统的相关功能、技术细节、软件运行逻辑、报告等资料，供适航当局进行深入及全面的评估、分析。

2、推动飞机产品衍生发展型适航审查制度改革

JATR团队对737 MAX飞行控制系统认证情况的调查结果表明，MCAS系统审查流程符合联邦法规和相关适航规章要求（如《美国联邦法规汇编》第14卷第21.19和21.101节）和相关指南（如《咨询通告》第21.101-1B号和联邦航空局第8110.4C和8110.48A号命令），但该流程仅对于审查离散的设计更改是有效的，没有充分处理累积效应、系统集成和人为因素问题，因此建议对飞机设计更改相关审查规则和流程进行改革。我们认为，现有的飞机系统越发复杂，机载系统任何更改都可能是“牵一发而动全身”，尤其是涉及飞行控制等安全关键系统；因此，建议适航当局一方面更加谨慎的思考飞机继承原则的适用条件和范围，从根源上加强飞机的安全设计保障；另一方面，对于适用于继承原则的飞机衍生产品，也应充分评估设计更改可能带来的影响，改革、完善现有的审查流程，采用自上而下的方法，从整体飞机系统的角度对每项更改进行评估。

3、加强航空安全立法保护和执法力度

为了切实保障国内航空安全，中国应该加强航空安全领域的立法、司法和行政执法工作，严惩相关主体做出的故意隐瞒重大安全隐患、适航取证环节弄虚作假和误导飞行训练等不法行为;责令相关责任主体确实做好对国内航空公司和中国遇难者家属的赔偿工作。

来源：IPRdaily中文网（iprdaily.cn）

作者：陆峰 王元元

编辑：IPRdaily王颖          校对：IPRdaily纵横君

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