【床邊漫談】737：拒絕長腿的驚異之子

2022年3月，一架中國東方航空的波音737-800 NG (new generation)在廣西墜毀；2019年3月，隸屬於衣索比亞航空的737 MAX 於起飛後不久墜毀；2018年10月，一架印尼獅航的737 MAX起飛13分鐘後即墜毀。這些事故是否是因人為的失誤而產生，還是新一代的737本身就有設計缺陷呢?

這就要從737系列開始談起。

我們先來比較最一開始的737與最新的737有什麼不一樣。

經過了近50年的發展，737用上了複合材料減輕重量、加上了各種不同型態的翼尖小翼以減少油耗，當然，操作系統也從純機械控制引入越來越多的電子系統。

不過，我們要聚焦在飛機的引擎上。

客機的引擎，精確一點來說，稱為渦輪扇葉發動機(以下簡稱渦扇發動機)。
明明同樣是渦扇發動機，為什麼737-100的細細長長的，737 MAX的卻胖胖短短的呢?

這就要來向你介紹「旁通比(又稱涵道比)」這個名詞。

我們一起來看看渦扇發動機的構造。

雖然看起來很複雜，但我們只要關注兩個地方就好了：「外涵道」跟「內涵道」。

內涵道是渦扇發動機的核心部分，帶動整個發動機運作，也帶著前面的大風扇轉動。那麼是內涵道產生的推力大，還是外涵道產生的推力大呢?

其實外涵道出了主要的力呀。

回到「旁通比」，「旁通比」指的是外涵道與內涵道的空氣流量比值。既然外涵道出了主要的力，那麼相同的內涵道大小，外涵道越大，推力就越大，也就越省油。

737-100採用的普惠JT8D旁通比只有1.74：1，而737 MAX使用的CFM Leap 的旁通比卻高達10:1，燃油效率相差甚遠。那為什麼737一開始不使用高旁通比的發動機呢?

粗略來說，當時的材料不夠先進。當風扇在轉的時候，相同角速度下，靠內側的部分比較慢，靠外側的速度比較快，當風扇轉速提高時，內側還在亞音速的範圍內，外側卻已經達到了音速。扇葉的直徑越大，葉尖的速度越大，越有可能超過音速。

達到音速會發生什麼事呢？我們要先來介紹超音速所造成的「空氣牆」。
想像你在空中飛行，你其實是在推著空氣走；一旦你飛得太快，就會把你面前的空氣壓得非常緊密，就像一道牆一樣，造成非常大的阻力。

回到發動機的扇葉上，扇葉的尖端如果無法承受過大的阻力，就會受到損害，嚴重影響飛行安全。當時的材料技術無法讓葉片承受這麼大的阻力，只好縮小葉片直徑，讓發動機看起來細細長長的，有點像戰鬥機使用的渦輪噴射發動機，雖然推力大，但是比較耗油。

直到近代，在材料與結構上的突破才讓扇葉越來越大，包含使用鈦合金或樹脂、玻璃纖維的複合材料，增強扇葉對抗阻力的能力；還有將扇葉進行複雜的彎曲，以降低內外的速度差。如今已經能造出很胖很胖的發動機了，通用電器的GE9X發動機(用於777x）的直徑甚至比737客艙直徑還大呢！

早期的737和現今的737發動機差這麼多，起落架卻沒有什麼重大的改變。

增加了強度，提升可靠度，卻沒有增長長度。737的主起落架是出名的短，我們拿空中巴士(AirBus)相同定位的雙引擎窄體客機A320與737比較，就可以發現737的起落架是真的短。

早期的737，發動機比較細長，短短的起落架不是甚麼太大的問題，反而方便進行檢查與維修。但是，隨著引擎越來越胖，起降過程中引擎就很有可能和大地母親來一次親密接觸了!

可是，737 MAX為了與新型的A320搶同一塊大餅，吸引航空公司購買，需要換裝更省油的引擎，也就是旁通比更大的引擎，畢竟，燃油成本可是佔了航空公司三成以上的成本啊！

為了在機翼下放進新的引擎，波音不得不要求引擎製造商稍微縮小直徑，並透過拉高轉速彌補推力，還將部分零件移到引擎的兩側，形成737特殊的「平底」引擎。

737的平底橢圓引擎儘管做了這麼多的努力，737的起落架還是太短了，修改過的引擎還是放不下。那為什麼不要加長起落架呢?比修改引擎省事多了嘛！

非不想也，實不能也。

我們來看看737的起落架與其他客機有甚麼不同。
不看輪胎數目，不看煞車機構，我們來看起落架的艙門。

737根本就沒有起落架的艙門。

輪子往內折疊後收在機腹的凹槽內，外圈輪子的外側與機腹切齊。

為什麼不能完整收進去呢？沒辦法，空間實在是太小了嘛。從737-100到737 MAX，留給起落架的空間沒什麼進步。起落架啊起落架，留給你一個洞就很勉強了，別奢望再長高啦。

既然主起落架的長度不能改，引擎也不能更動，波音的工程師靈機一動，那我把引擎稍微挪移下總可以了吧！於是，737 MAX的引擎被往前移了一點，然後在往上移了一點。

但是，移動引擎位置是有代價的。

向上移的引擎，最高點其實超過了機翼的上表面，有時會遮擋引擎後機翼上的氣流，導致升力損失。

將引擎往前移，機頭上仰，向上爬升的時候，引擎會造成更大的上仰力矩，導致迎角進一步增大。

過大的迎角，會導致失速，讓飛機徹底失去控制。

工程師們為了解決這個問題，在737 MAX上增加了MCAS系統(Maneuvering Characteristics Augmentation System，操控特性增益系統 ) ，在飛機迎角過大並符合一系列條件時，會強制水平尾翼運動，強行將機頭下壓。

為了避免迎角感測器故障而引起的錯誤運動，機組人員是可以手動將MCAS關閉的。然而，737 MAX上，機師與電腦系統的權限關系非常複雜，當MCAS出錯時，需要不斷手動關閉電門以爭奪控制權。另外，飛機遇上異常狀況時，駕駛桿會劇烈抖動以提醒駕駛，駕駛就必須在這樣的狀況下與系統搏鬥。

但是，首批737 MAX交付時 ，手冊並沒有關於MCAS的描述，機組人員也沒有為MCAS做額外的訓練。

2018年10月，印尼獅航的737 MAX墜機事件，就是被推估迎角感射器未被校正，MCAS系統一直接收到不正確的數據，強行將機頭下壓，飛行員又沒有受過相關的訓練，一連串的錯誤之下，才導致憾事。

737-MAX 的問題，在於她的小短腿、胖引擎和不夠成熟的MCAS系統。737 MAX 無疑是先進的飛機，處在時代的先端，期待波音的工程師們能夠完善整套系統，讓她重回藍天，所有飛機本該屬於的地方。