灣流G650飛機試飛事故研究

王海剛 /

(中國商飛民用飛機試飛中心，上海 200232)

0 引言

2011年4月2日，美國新墨西哥州羅斯威爾灣流宇航公司G650/N652GD飛機起飛過程中失速墜毀造成兩名試飛員和兩名試飛工程師遇難。事故發(fā)生時在進行一發(fā)失效繼續(xù)起飛試飛科目，飛機右機翼失速造成飛機滾轉，進而導致右側翼尖擦跑道，飛機從右側偏出跑道。偏出跑道后，飛機撞到混凝土建筑和機場氣象站，導致嚴重的結構損壞并起火，機身和客艙內部結構被燒毀，如圖1所示。

圖1 G650事故現(xiàn)場

美國國家運輸安全委員會(National Transportation Safety Board,簡稱NTSB)對這起事故進行了調查，并于2012年發(fā)布了事故調查報告[1]，給出了事故主要原因。事故發(fā)生后，灣流公司開展了相應的分析仿真[2]，進一步確認了事故的原因，本文依據(jù)NTSB調查報告和灣流的分析結果，進行事故鏈分析，并針對事故原因中的重點管理問題、技術問題深入分析。

1 事故鏈分析

NTSB在事故調查中發(fā)現(xiàn)，G650飛機在離開地面時發(fā)生失速。在試飛準備時，灣流公司高估了地面效應作用下的失速迎角。飛機抖桿器觸發(fā)(失速警告)以及主飛行顯示器上相應的俯仰限制指示的閾值都設置過高，使得試飛機組在發(fā)生真正失速之前沒有收到任何觸覺、聽覺或視覺警告。這起飛行事故發(fā)生前，事實上至少已經(jīng)存在兩方面比較顯著的安全隱患。一方面，在事故發(fā)生前，G650試飛中已經(jīng)發(fā)生兩次右外側機翼失速事件。如果灣流公司能夠在前兩次事件發(fā)生后開展深入的空氣動力學分析，就有可能發(fā)現(xiàn)地面效應下的失速迎角低于預期值的問題從而避免事故發(fā)生。另一方面，在事故發(fā)生前的性能試飛中，G650飛機持續(xù)超過目標起飛安全速度(V2)。灣流公司在性能試飛之前、期間都沒有采用模擬器或者動力學分析方法驗證V2速度。為了實現(xiàn)飛機起飛性能的許諾，灣流公司并未確定V2超標的根本原因，而是嘗試通過更改飛機起飛抬前輪的試飛技術來減小V2速度和起飛距離。

為能夠在2011年第三季度獲得美國聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Administration,簡稱FAA)頒發(fā)的型號合格證，灣流公司G650試飛項目計劃過于激進。進度的壓力以及在技術監(jiān)督和安全管理方面程序不健全，導致過于關注如何讓項目推進，不愿挑戰(zhàn)關鍵的假設，不愿重視在測試時出現(xiàn)的飛機異常響應。節(jié)點的壓力導致一系列盲目決策和失誤，安全管理人員沒有對此前兩次試飛中出現(xiàn)的非指令滾轉事件進行調查，機組決定通過更改試飛員操作技術繼續(xù)進行試飛，未仔細分析V2超限原因。為了趕項目節(jié)點試飛工程師(flight test engineer，試飛工程師,簡稱FTE,節(jié)點試飛工程師記為FTE1,登機試飛工程師記為FTE2)未能及時完成關鍵試飛數(shù)據(jù)的分析。

在風險管理方面灣流具有FAA所接受的試飛風險評估程序，但沒有考慮繼續(xù)起飛科目存在的失速相關潛在風險。灣流的相關安全保障工作存在欠缺，高風險試飛科目并沒有通知機場、急救和消防人員，調查發(fā)現(xiàn)機上人員并非由于撞擊致死，而是因起火未能及時成功逃離。

基于以上的分析及事故調查報告，可以梳理得到灣流G650試飛事故鏈演化過程，如圖2所示。

圖2 灣流G650試飛事故鏈演化分析

根據(jù)事故調查報告的結論以及事故鏈分析，可以整理出導致事故發(fā)生的8個主要的原因，如表1所示。為了有側重地分析其中關鍵的因素，將事故原因分為管理類和技術類，文章將簡要歸納灣流項目管理上存在的諸多問題，深度分析主要的兩個技術問題即起飛安全速度過小和失速告警迎角設置過大。

表1 事故主要原因及分類

2 項目管理問題分析

灣流G650項目管理存在諸多問題，總結起來包括技術規(guī)劃與監(jiān)管不力、計劃管理過于激進、風險管理不到位三個方面。

第一個方面技術規(guī)劃與監(jiān)管問題，其主要表現(xiàn)在試飛人員職責分工不明。為了加快任務完成效率灣流人為將試飛計劃、任務執(zhí)行和分析報告分開，而在G650試飛時各項職責又交叉在一起，為了趕項目節(jié)點試飛工程師(FTE1)未能及時完成最終的起飛關鍵數(shù)據(jù)分析。事故發(fā)生時現(xiàn)場人員分工不明確，事故架次時登機試飛工程師(FTE2)責任不明確，沒有工程師負責監(jiān)控關鍵參數(shù)。

計劃管理方面，灣流制定了過于激進項目計劃導致出現(xiàn)多次計劃推遲。節(jié)點的壓力導致一系列盲目決策和失誤：1)決定通過更改試飛員操作技術繼續(xù)進行試飛，未仔細分析V2超限原因；2)直接更改起飛目標俯仰角忽略了此更改對起飛速度的影響；3)建立了俯仰角限制卻沒有把它寫到試飛任務單；4)安全管理人員沒有對此前兩次試飛中出現(xiàn)的非指令滾轉事件進行調查。

在風險管理方面灣流具有FAA所接受的試飛風險評估程序，但沒有考慮繼續(xù)起飛科目存在的失速相關潛在風險。此外灣流的安全保障工作存在欠缺，高風險試飛科目并沒有通知機場、急救和消防人員。

3 技術問題分析

3.1 失速告警迎角設置過高

研究發(fā)現(xiàn)地效影響下升力線斜率增加，且地效影響隨著高度增加非線性地迅速減弱，在貼近地面時最顯著，高度大于翼展長后基本可忽略，以下依據(jù)仿真及測試記錄數(shù)據(jù)[2]分析地效的影響，地效模型如下：

式中：CL,IGE為地效影響下的升力系數(shù)；kh為地效修正系數(shù)，是關于高度的非線性函數(shù)；CL,OGE為無地效的升力系數(shù)；α為攻角；α0為零升攻角，假定其不受地效影響。

在發(fā)生事故的試飛架次前灣流的試飛工程師根據(jù)VMU試驗結果將Δαstall,IGE從-2°調整為-1.6°過程中引入假設CLmax,IGE=CLmax,OGE。灣流試飛工程師估計方法存在兩個錯誤，一是采用VMU升力系數(shù)，而所有VMU試飛數(shù)據(jù)點升力系數(shù)均小于最大升力系數(shù)；二是假設最大升力系數(shù)地效影響不變，如圖3所示。以下對這兩個問題造成的誤差進行分析計算以確定正確的失速攻角修正量Δαstall,IGE。

圖3 地效對失速攻角影響[2]

首先假定最大升力系數(shù)相等，失速攻角修正量等于：

根據(jù)G650起飛數(shù)據(jù)，當起落架接觸地面時kh約等于1.18，對于襟翼10°構型，α0=-1.25°，αstall,OGE=14.7°以上數(shù)據(jù)代入式(2)得到Δα1=-2.5°。

然后考慮最大升力系數(shù)減小的影響：

設CLmax,IGE=kCLCLmax,OGE,對G650飛機CFD分析表明kCL=0.95，代入式(3)得到Δα2=-0.7°，因此總的失速攻角變化量為：

Δαstall,IGE=Δα1+Δα2=-3.1°

(4)

遠大于事故發(fā)生時設定的-1.6°，這也是為什么機組在發(fā)生失速時沒能獲得任何提示或警告的原因。

3.2 目標起飛安全速度過小

FAA在2002年發(fā)布了最終修正案25-108[3]定義了失速參考速度VSR即1-g失速速度，修正案指出如果使用VSR定義有關速度，對應比例系數(shù)會縮小，最小容許V2要不小于1.13VSR(1.2VS)。灣流公司在2007年做出技術決定,G650的V2取法規(guī)所允許最小值即1.13VSR，這是導致V2速度過低的主要原因。

起飛決斷速度V1、抬前輪速度VR、起飛離地速度VLOF和V2的確定需要依據(jù)最小離地速度VMU的試飛結果，然而灣流公司依據(jù)GIV飛機項目的經(jīng)驗，即基于VMU得到的V2會小于1.2VS，進而導致起飛速度的重新定義。最后灣流在GIV的做法是先選擇滿足符合法規(guī)要求(V2≤1.2VS)的最小值，即V2取1.2VS，然后減去對應速度差得到VLOF及VR。G650項目也采用這種從后往前的倒推法，不同點是V2=1.13VSR。灣流公司做了關鍵性的錯誤假設，即G650以VMU出發(fā)來確定V2將會小于法規(guī)允許值(GIV的經(jīng)驗)，并且在完成VMU測試后灣流也沒對該假設進行確認，調查人員分析發(fā)現(xiàn),如果灣流分析VMU數(shù)據(jù)很可能會發(fā)現(xiàn)目標V2過小的問題。此外，在計算起飛速度時使用的V2-VLOF與V2-VR速度差量值并不是基于G650試飛數(shù)據(jù)，而是采用G550的數(shù)據(jù)，事后研究發(fā)現(xiàn)G650速度差量值要大于G550[1]。由此可見灣流G650起飛速度試飛沒有遵循試飛程序，而是盲目采取了G550上的做法。

另一方面，事故架次試飛人員將目標俯仰角由10°降為9°，而速度卻維持不變，這導致實現(xiàn)目標V2的任務更加困難。灣流飛機性能主管工程師和FTE1以及整個G650項目有關人員都沒能意識到降低目標俯仰角必須重新調整目標速度，如果意識到這個問題進行有關分析很可能會發(fā)現(xiàn)V2過小的問題。事后分析發(fā)現(xiàn)目標俯仰角從10°調整到9°，離地速度會增加4 knot。事故之后灣流重新修改試飛程序和方法，新的V2比事故時大15 knot，見表2。

表2 起飛速度調整前后對比

4 事故啟示與思考

G650試飛事故對灣流公司影響深遠，灣流公司根據(jù)NTSB的要求，采取了一系列措施。首先對試飛機進行了諸多安全性改裝，增加了座艙防火系統(tǒng)、應急出口、機上應急設備、飛機外部切口標示等。改進管理流程，包括在運行部門設置安全主管、組建獨立的安全審查團隊、建立更完善的試飛事件調查程序等。開發(fā)了新的起飛速度計算、評估及驗證方法。

灣流G650試飛事故是由管理和技術共同導致的典型案例，至少有以下幾個方面值得試飛管理者和技術人員吸取經(jīng)驗、思考總結：

1)正確處理項目進度和試飛安全之間的關系。灣流公司試飛團隊在進度的壓力下，過于關注如何讓項目推進，沒有重視在試飛時出現(xiàn)的飛機異常響應，一系列盲目決策和失誤，最終導致事故發(fā)生。試飛計劃應科學合理不能過于偏離實際，當進度和安全發(fā)生矛盾應以保安全為首要目標。

2)第三方獨立安全審查有助于提高試飛安全水平，預防事故發(fā)生。聘請安全專家開展獨立審查和評估，查找安全管理方面的缺陷，完善和改進安全管理體系。

3)試飛員和試飛工程師應嚴格按照標準操作程序執(zhí)行試飛任務，不能試圖通過改變本來正確的試飛操作程序得到滿意的“數(shù)據(jù)”，應客觀評價飛機性能。飛行后對任何試飛中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象都應仔細分析。

4)加強高風險試飛科目安全保障。灣流G650事故也暴露出灣流試飛安全保障工作的不足，調查發(fā)現(xiàn)機上人員并非由于撞擊致死，而是因起火未能成功逃離。在進行高風險試飛時應加強與地面消防支援的協(xié)調，確保有足夠的飛機救援和滅火資源，做好應急預案。

5)型號之間的經(jīng)驗借鑒不能取代必要試飛流程。灣流G650起飛速度研發(fā)沒有遵循本來的試飛流程，而是直接借鑒了G550的經(jīng)驗。隨著公司新型號的發(fā)展，型號之間的經(jīng)驗傳承固然重要，但不可盲目直接采取其他型號某些做法而不進行嚴密論證和及時確認，試飛方案應考慮每個型號的特點并遵循科學的試飛流程。