积冰的客机美鹰4148号航班事故——空难改变航空史23

2015-02-05 21:55阅读：3,818

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2015年2月4日，复兴航空一架从台北飞往进门的客机，于当日上午11时在台北市南港撞击高架桥后坠入河道，导致多名乘客遇难。在整个复兴航空史上，ATR-72200型客机发生过多次空难事件，比如1995年1月30日，一架复兴航空ATR-72型客机在台湾林口失事（航班编号GE510A，飞机编号B-22717），4名机组遇难。事故原因：飞机在下雨的夜间向台北松山机场目视进近时，飞机撞在机场以南20公里的山上，飞机没有发出紧急呼叫。当时飞机应该在2100~2500英尺高度飞行，而飞机撞山点仅有1000英尺高。2002年12月21日，一架复兴航空ATR-72型客机执飞台湾桃园机场至澳门之间的货运航班，在飞行途中机翼遭遇严重结冰从而导致坠海事件，地点位于台湾澎湖县马公市西南约17公里处。2名机组成员遇难。2014年7月23日，一架复兴航空ATR-72500型客机从台湾高雄机场飞往澎湖马公机场，准备降落时因天气原因决定复飞，但遭失败在澎湖西乡西溪村失事，造成48人遇难，10人重伤（完整空难报告尚未公布）。2015年2月4日，一架复兴航空ATR-72600型客机从松山机场起飞，坠入附近河道……

积冰的客机 <wbr>

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ATR-72型客机
当日我们今天讲的故事跟复兴航空无关，而是大洋彼岸的美鹰航空4148号航班。
美鹰航空4184号班机是一班从印第安纳州印第安纳波利斯前往芝加哥的美鹰航空班机。1994年10月31日午后，班机在芝加哥奥黑尔国际机场(O'Hare International Airport)外盘旋等待降落时，由于机身结冰导致飞机失速并往右倾斜，最终飞机连续翻滚并坠毁于罗斯蓝的一处农地上，机上68人全部罹难。
ATR-72型客机是由法国和意大利合资的飞机制造商ATR制造的双发涡轮螺旋桨短程支线客机，为ATR-42型的加长版。采用直线形上单翼，后掠式双梁T型垂直尾翼和直线形水平尾翼的设计。执飞此航班的机长为年仅29岁的奥兰多（音）但是其总飞行小时已累计达7867小时，其中ATR机型1548小时。副驾驶杰夫（音）也拥有5176小时飞行经验，其中ATR机型3657小时。飞机起飞不久后便遭遇乱流，因此机组人员和空管机型沟通并上升到16000英尺高度，随后副驾驶杰夫设定了自动驾驶仪爬升至预定的高度。在美鹰航空4148号航班快要抵达芝加哥机场时，机组成员将高度下降至1万英尺的高度，而根据天气影响产生了流量控制，机组被批准加入在1万英尺高度进行等待（这也成为整个悲剧的一个注脚）。美鹰4148号航班被安排在印第安纳州州西北方向飞环形圈盘旋，等待空管员给予的降落许可（图2）。终于美鹰4148号得到了下降至8千英尺高度的指令，当飞机在下降时，他们保持了175节的表速，襟翼保持在15°直到表速达到180节，襟翼超速警报发出响声，这表明飞机在襟翼放出状态下飞行速度过快，于是副驾驶杰夫决定收回襟翼，不过却传来机身颤动的声音。飞机的操纵杆突然向右急转方向，使飞机翻转了一圈半，最后成翻转状态。飞行员试图矫正过来，效果并未奏效。飞机急速向地面俯冲而去，此时机腹翻转向上，以65°夹角，425英里的时速撞向罗斯兰附近的农田上。机上没有幸存者，而美鹰4148号航班也注定成为航空史上里程碑式的案例。
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图2：视频截图排队等待降落的美鹰4148号航班
在事故发生的次日早晨，美国国家运输安全委员会（NTSB,National Transportation Safety Board.）便派遣调查员赶赴失事现场。飞机残骸混杂着航空煤油和飞机液压油呈扇形散落在农田上，调查员通过线索判断，两边机翼外侧10英尺的部分和水平尾翼在机体撞击地面之前就已经分离了，在飞机撞击地面之前的瞬间过载已达到了5.2。飞机的两个“黑匣子”并没有收到严重破坏，它们被送往NTSB的实验室进行分析。在解析“黑匣子”数据的同时，调查员也在搜寻飞机其他重要部位的残骸，通常情况下调查员能通过机头，尾翼和机翼两端的残骸位置推断出飞机是否在飞行员的掌控之下。证据显示，飞机的这几个重要部件相距甚远，机头和驾驶舱遭到毁灭性撞击，因此调查员得知飞机是以头部先着地的形式坠毁。调查员也搜寻到了飞机的部分仪器设备，包括姿态指示仪（attitude director indicator），这是显示飞机是否处于水平飞行的关键仪器，这个一起发生故障的话会误导飞行员做出更加严重的动作。调查员通过仔细的观察发现飞机的姿态指示仪并没有问题，而且最终的仪表显示飞机已经处于开始拉平的状态，这个数据也和飞机实际撞击地面的位置相契合，表明当时飞行员很清楚飞机会撞向地面。调查员进一步了解飞机失事前的状态，航管中心的记录表明由于流量控制，飞机在坠毁前曾在芝加哥东南方向等待约39分钟。接着调查员开始关注飞机在等待区域的天气情况，当天不仅仅是美鹰4148号因为流量控制而盘旋等待，但是其他等待的客机最终都平安降落了。调查员通过询问其他飞机的飞行员得到了一个重要的线索——在当时的气候条件下飞机会不断地结冰，有的甚至厚达3/4英寸。专业的气象学家表示，飞机上的积冰是飞行安全的重要隐患，冰如果附着在飞机上会改变机翼的形状，增加阻力并降低升力，从而引发其他更加严重的问题。气象记录也显示，当时一个低气压中心覆盖了印第安纳州中西部地区，有雨，云底低于1000英尺，能见度小于3英里。同时有一条中等强度冷锋自低气压中心向西南方向延伸，一条中等强度的静止锋也自低气压中心向东延伸，降水伴随着该系统在静止锋以北和冷锋以西演变为中雨和阵雨。这是一个结冰程度为轻度到中度的环境特点。大型客机可以很轻松的飞到足够安全的高度，但是作为支线客机的ATR-72没有那样的条件，调查员判断美鹰4148号航班是在结冰条件的环境中待了太长时间从而导致机体结冰。驾驶舱话音记录器(Cockpit Voice Recorder)也显示飞行员在坠毁前9分钟时发现了飞机开始结冰，在坠毁前2分钟时还有飞行员关于飞机结冰的讨论，这证明飞行员很清楚飞机结冰的事实，调查员想要搞清楚飞行员采取了何种操作方式来应对。
ATR-72机型拥有一套复杂的除冰系统，飞行数据记录器(FlightData Recorder)显示，飞机在坠毁前17分钟，有什么东西引起了报警信号。可能是结冰感应探头检查到了飞机正在结冰，记录也显示在报警信号响起不久后，奥兰多机长便将飞机除冰系统调整到最强模式。飞机在启动除冰系统不久后，奥兰多机长也加大了油门以提高飞机的速度，进而提升空气流过机翼的速度，这能缓解飞机结冰的情况。除冰系统是否正常的工作也决定着除冰效果，调查员带着除冰系统的碎片赶赴它的生产地——位于法国的工厂，经过工程师的检测飞机的除冰系统没有问题。调查组只能另辟蹊径。
美鹰4148号航班事故一个月后，飞行员们也表达了对ATR型客机适航性的抗议，并有飞行员拒绝执行ATR型客机的飞行任务，航空公司被迫取消了一批航班。愈演愈烈的抗议让调查员重新审视了ATR型客机结冰的问题，调查员特意赶赴ATR的母公司进一步了解ATR型客机的问题，记录显示ATR-42、ATR-72（ATR-42的加长版）的飞行安全记录堪忧，历史上有5起飞行事故和美鹰4148号航班类似。其中一起发生在1988年12月，美鹰航空4295航班的一架ATR-42型客机在降落时遭遇了严重结冰的环境，飞行员并未发现飞机机翼上有结冰情况，突然飞行员听到机尾传来异响并陷入失速的状态。最终飞行员将发动机调至最大输出状态，他们才将飞机改出失速状态，此时飞机距离地面不足1千2百英尺。
这会不会是飞机设计的问题？
调查员通过走访得知飞机的工程师很清楚结冰对飞机的影响，并清晰的标示除了飞机容易结冰的位置——除冰罩后方的位置。调查员也开始了解结冰对飞行造成的影响，机翼的积冰让气流无法平顺的流过机翼，如果结冰的位置在除冰罩后方，飞行员就没有办法清除掉它们。调查员发现美鹰4148号航班在LUCIT路点进行盘旋等待时，碰上了过冷云团和水滴，机身上产生了混合的毛冰和明冰。当时该区域的过冷水滴直径大于1百微米，有些甚至达到了2千微米，也就是“过冷大水滴”。过冷大水滴约比雨滴小一百倍，它们形成于风暴云内部温度接近冰点，碰到固体水滴便会结冰。
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图3：视频截图：除冰罩后方的结冰示意图
ATR厂商提出异议，认为是当时飞行员的操作不当而不是飞机本身的设计原因。调查员决定进一步深入研究ATR型客机的问题，根据之前飞行事故的飞行数据记录器记载，他们发现美鹰4148号和之前事故中飞机副翼倾斜的角度都相同。不是飞行员操纵的副翼移动而是积冰产生的多余动作。这也解释了为什么美鹰4148号航班会突然向右偏转，机翼上的乱流强度也大到足以抬动副翼，进而导致飞机进入翻转姿态。ATR型客机的设计是操纵杆和副翼通过线索连接在一起的，副翼的移动也牵引着操纵杆向右方向偏转。拉扯副翼的乱流的气动力高达250磅（113千克），更糟糕的是ATR型客机并未设计助力装置，也就是说这些力直接传导到了飞行员手上，两名飞行员联手也无法修正飞机的姿态。
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图4：ATR-72 防冰系统 NTSB
NASA研究中心科学家也参与了针对ATR-72型飞机翼型的结冰生成特性进行了相关实验（图4），他们确认了美鹰4148号航班所遇到的所有结冰情况。科学家们发现在9分钟内一块在机翼外侧类似“双角”形状的积冰迅速生成，积冰的堆积发展的也非常严重，机翼上表面居然发生了严重的气流分离效应，在低迎角时可能导致操纵面翻转的情况发生。研究结果表明在温度升高时，飞机的积冰会向后移动，而且当降水水珠尺寸变大时，附着的积冰也会向后方移动（图:5、6、7）。
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图5：前方为加油机模拟制造大量过冷大水滴后方为ATR-72型客机 NTSB
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图6：模拟喷出大量过冷大水滴 NTSB
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图7：NASA对ATR客机进行的结冰测试NTSB
调查员发现飞行员一个看似改善飞机舒适度的举动，也许才是太平洋彼岸的那只蝴蝶翅膀。美鹰4184号航班在盘旋等待时，奥兰多机长发现飞机机头过高，他明白这种姿态会让乘客处于不舒服的位置，所以他决定打开襟翼的角度以降低机头的姿态。调查员决定在测试样机上重复这一动作，他们发现这大大影响了冰在机翼形成的位置，并加重了结冰的程度，此时机翼上的积冰已经累计达到了1厘米的厚度。不过积冰并未对飞机的飞行造成影响，直到空管员要求美鹰4148号航班下降到8千英尺的高度，下降时的姿态提高了飞机空速，并引发了报警器。提醒飞行员在襟翼打开时的飞行速度过快，副驾驶杰夫决定收回襟翼，这一动作再度抬起了机头。穿越积冰机翼的气流因为机头的抬升收到了扰动，这个扰动的力随即拉动了副翼，让飞机陷入了翻转的困境。调查员也分析如果此时美鹰4148号航班的高度在增加2~3千英尺的高度，飞行员应该可以改出失速的状态。可惜，空难没有如果……
根据调查员的推断，ATR-72型客机的机翼设计出现缺陷，从而较容易受到此类型的威胁。美国联邦航空管理局（FAA，Federal Aviation Administration）也发布公告要求此类型的客机禁止进入易结冰的环境，美鹰4184号航班也让大众产生了对ATR型客机安全的担忧。ATR客机的制造商给出的解决方案是加宽客机机翼的除冰罩，并重新修订了飞机的操作程序，禁止飞行员在进入积冰环境时使用襟翼或者采用自动驾驶模式。多数航空公司采取的方案是，将ATR型客机放在温暖的南部使用（北半球适用）。
美鹰4184号航班更具深远意义的地方在于，让更多人开始关注飞机结冰以及结冰环境的问题。有专门的机构开始应用预测天气的新技术，让飞行员获取更多有利的气象资料。可惜的是2014年7月23日，“复兴航空”的一架ATR-72型客机准备降落时，因天气原因复飞时失事，造成48人罹难的事故。在尚未公布空难报告的2015年2月4日又酿惨案，现在事故的搜救工作仍未结束。
本文无意指责“复兴航空”或者ATR客机的生产商，毕竟没有人愿意看到空难的发生。空难改变了航空史，但没有改变复兴航空GE235航班的命运，计划当日12点降落在金门机场的客机，将最后的记忆留在了挽救更多无辜民众和坠毁在冰冷的基隆河里。
参考资料：National Geographic、Wikipedia、NTSB报告

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