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?東航墜毀真實原因 東航MU5735航班高空垂直驟降八千米墜毀失事原因技術性分析

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東航墜毀真實原因 東航MU5735航班高空垂直驟降八千米墜毀失事原因技術性分析
公元2022年3月21日北京時間下午2點22分，東航MU5735航班（昆明至廣州航段），以接近音速的速度和近乎垂直的角度，高速俯沖地面墜毀 。

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墜毀位置位于廣西省梧州市埌南鎮莫埌村神塘表附近的山林中，墜毀前，該航班并未掛出“7700”緊急代碼 。
北京時間下午1點16分，MU5735航班順利起飛，并在升空的十分鐘后飛行至海拔7500米左右的高度 。此后，這架航班以每小時830公里左右的飛行速度途徑云南百色市、廣西南寧市和玉林市的上空 ， 前往廣州 。
MU5735航班在持續飛行近63分鐘后，其航行高度突然從海拔約8870米的高度下降至約2770米，時長約持續了2分15秒 。當時 ， 這架飛機依然以每小時約842公里的速度飛行 。此后的一分鐘，這架波音737-800客機的飛行高度持續下降，系統最后捕捉到的是其在海拔983米的高度以每小時696公里的速度飛行時留下的記錄 。
該航班機型為波音737-800(NG) ， 機齡6.8年，編號為B1791 ， 波音737-800是由美國波音公司設計并且研發的 ， 其長39.5米 ， 高12.5米，翼展35.79米，可選高達2.60米的翼尖小翼，最大可搭載189名乘客，機艙內逃生門每邊2扇 。
飛行數據從該航班的高度表可以看出，這架飛機最后墜毀的時候，數據并不正常，它從8000多米高空極快地墜落，幾乎可以被理解為飛機完全失去了上升的可能性 ， 機頭垂直向下，完全沒有拉起 。
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監控畫面可見，當飛機墜落的時候，它的狀態還是完整的，不是變成一堆部件掉下來的 。那么這種狀況下，如果飛行員對飛機還有控制的話，其通過調整飛機的各個控制面 ， 比如說機翼、副翼或者升降舵，飛機不應該是這樣下落的，它至少應該是以一個滑翔或者說是斜角度的俯沖來接近地面的 。如果說頭下尾上，直直地沖下來的話，我們可以認為飛行員已經沒有辦法再控制飛機的控制面，飛行員的操縱動作不能改變飛機的姿態 。
軟件因素既然，飛行員無法有效地控制飛機，可能有什么原因導致這種現象呢？飛行器中的計算機軟件控制系統可能是誘因之一 。
公元2019年3月10日，埃塞俄比亞航空一架波音737 MAX 8型客機（注冊編號：ET-AVJ）載有157人從亞的斯亞貝巴飛往內羅畢的航班途中，于起飛后6分鐘，同樣近乎垂直角度高速墜毀于距離機場62千米外的小鎮德布雷塞特，機上人員全部遇難 。涉事飛機于2018年10月30日首飛，同年11月15日交付，機齡僅4個月 。初步調查報告指出飛行員已完全遵從波音及美國聯邦航空管理局發出的建議和指引去處理緊急情況，但仍無法修正控制系統持續壓低機頭，降低攻角的情況 。
噴氣式飛機之所以能在空中飛行，是因為飛行過程中，機翼在不斷“攻擊”前方的空氣 。顧名思義，攻角（Angle of Attack，AOA）就是指機翼弦線與相對風向之間的夾角 。在一定的范圍內，攻角越大 ， 氣流對機翼“推動”作用向上的分量也就越大 ， 從而飛機的升力越大 。
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但是，如果攻角過大，升力就會急劇下降，從而發生失速 。這個達到最大升力但即將失速的攻角稱為臨界攻角，閾值區間一般是十幾到二十幾度 。
說白了就是 ， 飛機頭抬的越高 ， 飛機的升力越大，飛的越高，但是你不能無限抬機頭，一旦機頭抬起的角度過大 ， 飛機形態變成近垂直 ， 飛機會直接失去速度，從空中“掉”下來 。
那么，既然飛機攻角過大會導致失速，為防止失速，飛機安裝了MCAS系統，也就是在飛機的攻角傳感器檢測到攻角超過臨界攻角時，自動轉動水平安定面，下壓機頭 。也就是說，軟件系統會對飛行姿態進行校正，校正指標就是攻角 。
說白了就是，MCAS系統會以攻角大小作為判別標準，如果系統覺得攻角過大，就會不停的下壓機頭進行校正，而機頭越低，飛機的俯沖力就越大，會一直往下“扎”下去 ， 所以這套系統致命的問題是沒有考慮到，萬一攻角檢測是錯的怎么辦？
事實上，埃航這次機毀人亡的事故原因就是飛機的攻角傳感器出了問題，而計算機MCAS系統又只以攻角為唯一的判定標準，一直在下壓機頭，導致飛機近垂直角度俯沖地面墜毀 。
容錯機制計算機系統中有個著名的拜占庭將軍問題，就是幾個軍官之間在通信不可靠、軍官中還可能有叛徒的情況下 ， 如何保證忠誠的軍官之間能達成一致的協議 。拜占庭將軍問題提出后，有很多的算法被提出用于解決這個問題 。這類算法統稱拜占庭容錯算法（BFT: Byzantine Fault Tolerance） 。簡略來說，拜占庭容錯（BFT）不是某一個具體算法，而是能夠抵抗拜占庭將軍問題導致的一系列失利的系統特點 。這意味著即使某些節點出現缺點或惡意行為，拜占庭容錯系統也能夠繼續運轉 。本質上來說，拜占庭容錯方案就是少數服從多數 。
說白了就是，不能以一個單一指標來判定系統行為 。回到生活中來，相對于航空領域，我們顯然更加熟悉汽車行業，現在越來越多的主機廠都以“配置高”為賣車的噱頭，特別是“主動安全系統” ， 簡直人手一套：
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所謂“主動安全系統”，就是在系統通過某些數值判定與前車距離是否過小，如果距離過小，系統會主動進行“校正”動作，也就是幫你踩剎車的一種行為 。殊不知 ， 如果這套系統沒有做好容錯機制，沒有通過大量的算法指標來進行短時間判定，可能會造成一種“反行為”：跟車距離正常的情況下，紅外線雷達或者納米波雷達出了問題 ， 它突然給你來一腳剎車，還是踩死的那種 ， 這樣，后車完全可能會因為你突然急剎 ， 來不及反應而追尾你 。
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本來“主動安全系統”是為了防止追尾，結果偏偏會導致“反向”追尾，根本原因就是沒有做好容錯機制，除了雷達距離 ， 系統還應該有別的參照物作為算法依據來判定行為，所以，有計劃買車的朋友最好不要一味追求“主動安全系統”等高配置，因為這種系統需要海量的數據作為參照，同時構建模型針對測試數據進行機器學習和訓練，而沒有大量累積過相關經驗的主機廠很難將系統設計的平衡 。
同理，埃航飛機所搭載的MCAS系統本來是為了防止攻角過大導致失速墜毀，反而因為傳感器故障，導致一味地壓低機頭而墜毀 ， 顯然不符合飛控系統的容錯性要求 。在此次事故后的軟件更新中，波音的飛控系統將會比較攻角傳感器的輸入，如果相差超過5.5度就不會觸發MCAS系統 ， 這才解決了問題 。
系統設計實際上，帶有容錯機制的系統設計比比皆是，比如之前的一篇文章：基于Docker-compose搭建Redis高可用集群-哨兵模式（Redis-Sentinel），sentinel（哨兵）系統可以監視一個或者多個redis master服務 ， 以及這些master服務的所有從服務；當某個master服務下線時，自動將該master下的某個從服務升級為master服務替代已下線的master服務繼續處理請求 。
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然而，這套系統的核心其實是，到底系統怎么判定主機“下線了”？事實上，哨兵會把“下線”分為兩種狀態 。
主觀下線：一個哨兵如果自己覺得一個 master 下線了，那么就是主觀下線 。
客觀下線：如果一定數量的哨兵都覺得一個 master 下線了，那么就是客觀下線，客觀下線即真實下線 。
主觀下線達成的條件很簡單，如果一個哨兵 ping 一個 master ， 超過了指定的斷開毫秒數之后，就主觀認為 master 下線 。如果一個哨兵在指定時間內，收到了一定指定數量的其他哨兵也認為那個 master 是 主觀下線 ， 那么就認為是客觀下線了，客觀認為 master 宕機，所以立刻切換主機 。
這樣采用少數服從多數的拜占庭容錯算法系統 ， 就可以大概率避免由于系統判斷錯誤導致的主庫突然進行切換 ， 從而產生兩個“主庫”的問題 。
回到飛行系統上，無論是“攻角”問題，還是“失速”問題，或者是一些其他的什么問題，都應該搭配一套完備的拜占庭容錯算法系統 ， 即飛行過程中，無論出現了什么異常情況，判別標準不應該是死的 ， 或者是某一方的主觀認定，而是通過少數服從多數的“民主”判定方法，比如飛行系統會給出判定，機長也可以給出自己的判定，副機長同樣可以給出判定，遵循少數服從多數原則，從而避免誤操作行為 。
當然了，此次墜毀事故中，東航的波音737-800和埃航的737 MAX并不是同一機型，737-800也并未搭載波音的MCAS系統，但是我們也不能因此就排除軟件系統故障的原因，畢竟，隨著物聯網、自動駕駛、工業自動化和工業互聯網的普及，越來越多重要甚至生命攸關的系統將使用軟件進行自動控制 。
機械故障除了軟件因素，硬件層面的機械故障也可能是誘因之一 。
根據東航MU5735的高度曲線，和阿拉斯加航空261號航班事故很相像，公元2000年1月31日當地時間下午4點20分，失事飛機為一架MD-83(麥克唐納-道格拉斯（McDonnell Douglas），一般簡稱為麥道) ， 在經歷了災難性的俯仰失控之后，飛機墜毀于加利福尼亞州安那卡帕島以北4.3公里的太平洋里 。飛機上的2名飛行員、3名乘務員以及83位乘客全部遇難 。
事后調查查明飛機機件維修不足導致過度磨損，并在飛行過程中引發了飛行控制系統災難性故障 。空難的可能原因是“因飛行途中水平尾翼平衡調節系統起重螺桿頂部螺母的螺紋失效而造成俯仰失控 。螺母螺紋的失效歸因于阿拉斯加航空對其所裝配起重螺桿裝備潤滑不足導致的過度磨損 。”
說白了就是，飛機的水平尾翼(horizontal tail)壞了 ， 水平尾翼的工作原理很簡單：當我們需要操縱飛機抬頭或低頭時，水平尾翼中的升降舵就會發生作用 。升降舵是水平尾翼中可操縱的翼面部分，其作用是對飛機進行俯仰操縱 。當需要飛機抬頭向上飛行時，駕駛員就會操縱升降舵向上偏轉，此時升降舵所受到的氣動力就會產生一個抬頭的力矩，飛機就抬頭向上了 ， 同理，當水平尾翼向下偏轉的時候氣動力就會產生一個壓頭的力矩，讓飛機壓低機頭向下飛，水平尾翼向下角度越大，飛機越往下“扎”：
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而阿拉斯加航空261號就是水平尾翼故障，一直向下偏轉，導致機頭一直下壓，沒有辦法把飛機拉起來，隨后也是近乎垂直的俯沖到了海面上，發生墜毀 。
水平翻轉有人說 ， 出現這種器質性的機械損壞故障，就只能認命，沒有任何補救方案了嗎？別太篤定，2012年由丹澤爾·華盛頓主演的《迫降航班》給了我們答案 。
飛行員在水平尾翼升降舵卡死的情況下把飛機翻轉了180度，在近地面機腹向上飛行了一段時間 ， 飛機的橫滾倒飛有效抑制了高速俯沖，同時給迫降提供了時間:
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原理就是，升力的產生不僅和機翼形狀有關系，還和機翼相對飛行方向的角度（即上文提到的攻角）有關系 。比如飛機正常飛行時，拼命壓頭的話，機翼受到氣流的力就有可能是朝下了；同樣的道理，倒飛時也有可能產生向上的升力，只不過這是非常規的操作 ， 飛行手冊上并未記載該解決方案 。
但這種操作也需要一些客觀條件，比如飛機要有足夠高的高度和足夠快的速度，還要剩有足夠的動力，影片中機長在近地面2100米高度，幾秒內馬上要墜毀的情況下 ， 冷靜的丟棄備用油箱減輕重量，收起襟翼和起落架減少風阻，同時加大油門 ， 果斷橫滾翻轉，終于在近地面550米高度，扶大廈于將傾，挽狂瀾于既倒 。
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不要認為這都是電影的演繹，早在1955年，波音707客機的原型機試飛，波音試飛員Tex Johnston在沒有預先告知公司高層的情況下 ， 擅自駕機完成了一個橫滾翻轉動作，技驚四座:
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回到東航MU5735航班事故上 ， 當時飛機以每小時842公里的速度從海拔約8870米的高度壓頭俯沖，整個機組成員只有不到半分鐘的反應時間，在這半分鐘內，正副機長需要達成一致，果斷進行橫滾翻轉動作，過程中飛機引擎必須持續提供高動力輸出，同時737的機身強度還得保證不在空中解體 ， 毫無疑問，這是個不可能完成的任務 ， 再不事先預知的情況下，再優秀的飛行員也無力回天 。
結語：【?東航墜毀真實原因 東航MU5735航班高空垂直驟降八千米墜毀失事原因技術性分析】德國人帕布斯·海恩提出一個在航空界關于飛行安全的法則 ， 海恩法則指出: 每一起嚴重事故的背后，必然有29次輕微事故和300次未遂先兆以及1000次事故隱患 。法則強調兩點：一是事故的發生是量的積累的結果；二是再好的技術 ， 再完美的系統，在實際操作層面，也無法取代人自身的素質和責任心 。無論是飛機軟件控制的問題，還是硬件機械的問題，我們都希望 ， 東航MU5735的悲劇，不再重演 。