Por que forçar o nariz do 737 Max em primeiro lugar?

A principal coisa a evitar na estabilidade e controle do avião é um momento aerodinâmico do nariz para cima que não é comandado pelo piloto. O momento não solicitado do nariz para cima não se auto-estabiliza, mas rapidamente aumenta progressivamente com o aumento do ângulo de ataque e foge para um avião parado.

Durante a certificação de um avião de passageiros, muitos testes são realizados para verificar se a estrutura da aeronave não começa a ter uma ideia própria.

• Se o piloto não fornecer uma entrada de controle, a estrutura da aeronave deverá retornar à posição aparada.
• As forças e entradas para afastar o avião da posição aparada devem ser tais que exista uma força cada vez maior necessária para alcançar uma posição cada vez maior do nariz para cima. A posição do nariz para cima sempre deve ser comandada pelas superfícies de controle de vôo, elevador e estabilizador, de maneira previsível.

Um dos testes a serem realizados durante a certificação é a força da vara por g. Coloque o avião no banco e comece a girar enquanto puxa o manche para manter a altitude. Depois, recue mais e recue mais, em curvas cada vez mais apertadas. Deve ser progressivamente mais difícil puxar o manche para manter a altitude, nunca mais fácil.

Foi durante essa virada de corda que, devido à configuração do motor do MAX, apareceu um momento aerodinâmico do nariz para cima, que faria com que a força do pitch stick se tornasse repentinamente menor do que o esperado. Não é tão ruim quanto um arremesso, mas ainda é uma situação indesejável quando o piloto ainda está se esforçando para manter a manobra. Essa é a situação para a qual o MCAS foi projetado originalmente, para compensar automaticamente apenas essa situação. O avião deve sempre se estabilizar e o modo de controle deve ser previsível e dentro dos tempos de reação dos seres humanos.

Mais informações nos links em a esta pergunta, artigos muito interessantes que ilustram como o design do MCAS saiu do escopo original, sob pressão de tempo.

Contra-intuitivamente, abaixar o nariz de uma aeronave não é feito com o objetivo de "descer". A subida / descida é gerenciada com acelerador e a velocidade é gerenciada com a coluna / manípulo de controle. A lógica disso faz sentido quando você considera que subir ou descer envolve a adição ou remoção de energia potencial proveniente dos motores e afundada.

Puxe a coluna / vara e você aumentará o ângulo de inclinação, o que aumenta o ângulo de ataque, o que aumenta a sustentação. Isso faz com que a aeronave suba, sim, mas a subida requer energia extra que vem imediatamente do movimento para frente da aeronave - ela diminui a velocidade. À medida que diminui, o elevador diminui e (idealmente), o equilíbrio é restaurado com uma velocidade do ar mais baixa e maior ângulo de ataque.

A mesma coisa no sentido inverso - avance e você vai mais rápido.

Devido à maneira como os novos motores foram montados no 737 Max 8, ele adquiriu um problema de manuseio no qual o nariz podia se levantar inesperadamente; se não for corrigido, esse lançamento poderá induzir uma paralisação. O MCAS tinha como objetivo compensar esse pouco de mau comportamento, detectando sua ocorrência e empurrando o nariz automaticamente para baixo para manter a atitude esperada e evitar uma paralisação. Os acidentes revelaram tragicamente pontos de falha no MCAS; nesses casos, o MCAS respondeu a uma condição de alto ângulo de ataque falsamente indicada.

Um bastante longo artigo foi publicado recentemente no The Verge, que detalha a história da evolução do 737 no Max 8. O artigo descreve o motivo pelo qual o MCAS existe e por que ele faz o que faz (nominal e erroneamente), além de um breve histórico de uma das aeronaves de acidentes que antecederam seus momentos finais. Não tenho certeza de quão autoritário é o artigo, mas acredito que todos os fatos declarados estão corretos.

Para adicionar um pouco às respostas existentes, a razão do inesperado momento de afinação no 737 MAX, até onde eu entendi, tinha a ver com a parte achatada na parte inferior da capota do motor.

A raiz do problema é que o 737 foi projetado na época dos turbofans de baixo desvio (especificamente, o Pratt & Whitney JT8D.) Devido à baixa taxa de derivação em volta do núcleo, esses motores tinham diâmetros muito menores do que os atuais turbofans de alta derivação. O JT8D tinha um diâmetro de ventoinha de apenas polegadas 49, enquanto o LEAP-1B no 737 MAX possui um diâmetro de ventoinha de polegadas 69 (e mesmo isso notavelmente menor do que o diâmetro de polegada 78 no LEAP-1As da série A320neo. )

Devido ao aumento maciço do diâmetro do motor com a troca para turbofan de bypass alto, a distância ao solo tornou-se um problema, pois a altura do trem de pouso foi projetada com motores muito menores em mente. Então, você verá até na série 737 NG que existe uma parte achatada no fundo da capota do motor para melhorar um pouco a distância ao solo, enquanto ainda permite que o trem de pouso se encaixe nos poços da roda. Como os motores LEAP no MAX são ainda maiores que os CFM56 no NG, a parte achatada tornou-se maior para encaixar os novos motores sob a asa.

737NG com capotas achatadas do motor (fonte)

Acontece que essa parte achatada pode criar uma quantidade significativa de sustentação (e, devido ao seu posicionamento, momento do nariz para cima) em altos ângulos de ataque. Isso faz com que a aeronave queira aumentar ainda mais a AoA alto, o que é ruim pelas razões que Koyovis já explicou bem. Assim, o MCAS foi projetado para impedir essa tendência de o AoA continuar aumentos não solicitados no AoA alto, empurrando intencionalmente o nariz para baixo se o AoA ficar muito alto.

A idéia em si não é necessariamente ruim e existem sistemas com propósitos semelhantes (empurrar o nariz para baixo para impedir que o AoA fique muito alto) em quase todos os aviões da Airbus que ainda voam e também em outros projetos mais recentes da Boeing. O problema estava na implementação do MCAS, que aparentemente não cruzava as entradas da palheta AoA entre si ou fazia uma verificação de sanidade suficiente nas entradas das palhetas AoA antes de agir em uma das entradas da palheta AoA para empurrar o nariz para baixo sem o comando dos pilotos. No caso do acidente na Etiópia, informações preliminares dos investigadores indicam que a paleta AoA que o MCAS estava usando como entrada era provavelmente completamente cortado da aeronave, possivelmente durante uma greve de pássaros ou evento similar de FOD durante a decolagem. Devido ao contrapeso da palheta ainda estar anexado, isso indicava uma AoA extremamente alta, que por sua vez acionava o MCAS.

O MCAS força o nariz do 737 MAX para baixo porque, em algumas circunstâncias, o nariz da aeronave pode se inclinar e isso pode resultar em um estol.

A partir de Wikipedia:

The Maneuvering Characteristics Augmentation System (MCAS) is a flight control software system developed for the Boeing 737 MAX to provide handling qualities similar to the Boeing 737 NG, especially in low-speed and high angle of attack (AoA) flight. It lowers the nose without pilot action when it determines the aircraft is too nose-high, based on input from airspeed, altitude and angle of attack sensors. However, it is susceptible to erroneous activation, as evidenced in the deadly crashes of Lion Air Flight 610 and Ethiopian Airlines Flight 302. The 737 MAX is indefinitely grounded until regulators decide the aircraft is airworthy, pending software and instrumentation updates and revisions to information for flight crews. They may also be required to undergo MCAS training sessions in flight simulators.

IIRC, as modificações no 737 (incluindo os novos motores alimentados que ele) entendem-se os motores tinha de ser posicionado mais à frente e mais elevado. (Este foi um caso semelhante, quando os dois trocaram de os "charutos" originais ao CFM-56). E sob algumas condições de vôo, isso resultou em arremesso up automático da aeronave.

MCAS foi projetado para contrariar esta tendência, para evitar pilotos constantemente ter que fazer as correções. Desde que era um comportamento inerente do novo design, que foi implementado de tal forma que os pilotos não tinham a intenção de sequer sabem tal sistema existia em suas aeronaves, para todos os efeitos, foi voando "assim como os outros fizeram" .

Para o vôo estável todas as forças e momentos devem estar em equilíbrio. Para uma determinada velocidade de impulso e há uma janela de ângulos aceitáveis ​​de ataque (AoA) quando a asa produz elevação suficiente. Se o ângulo de ataque é demasiado elevado, as bancas de asa e avião perde levantar abruptamente. A AoA crítica pode ser alcançada por qualquer passo-se excessiva para uma dada velocidade ou abrandamento para um dado campo.

O Boeing 737 projeto remonta a 1964 e as últimas 737s são evoluções do que design. Os mais aparentes diferenças no desenho dos planos agora fundamentadas são:

• comprimento do casco
• Envergadura
• propulsão do motor

Se você comparar posições motor e o fato de que o impulso dobrou ao longo do tempo você pode ver claramente onde o tom não intencional se está vindo.

Este passo até pode levar à estagnação e afinação para baixo contramovimento deve ser realizada para evitar tal situação, porque power-up levará a um maior movimento afinação para cima.

Observe também que o MCAS intervenção levou a uma disater apenas duas vezes; em todos os outros casos não vale a pena ser documentado funcionou como se pretendia. A questão, que fez toda 737-MAX fundamentada, não é sobre aquele tal sistema foi implementd mas como foi implementado e como foi documentado - que é uma história comletely diferente. Além disso, note que não é o primeiro caso de anti-estol mau funcionamento do sistema de segurança não-bem documentado levando a consequências desastrosas.

I don't understand why any aircraft manufacturer, engineer, software developer, would make a device that forces the nose of the plane down.

Porque a história tem provado que os pilotos em si não sempre fazê-lo.
Eu o reconhecimento da engenheiros pensou que iria melhorar a segurança.
Olhando para o Vôo Air France 447, Se (a trabalhadora) MCAS estava no lugar que provavelmente teria guardado o avião.

Em suma, o primeiro oficial parado o plano para a água.

First officer Robert said to himself, "climb" four times. Bonin heard this and replied, "But I've been at maximum nose-up for a while!" Captain Dubois realized Bonin was causing the stall, causing him to shout, "No no no, don't climb!"

Este é apenas um acidente onde abaixar o nariz teria salvo do avião.
Não estou culpando a tripulação de ar, é "contra-senso" para diminuir o nariz e uma vez que seu cérebro réptil está no comando é difícil voltar no controle de sua mente.

Aviões voam com velocidade. Se eles não têm velocidade suficiente, eles caem como tijolos.

Nariz para baixo comercializa altitude para a velocidade. Você está perdendo altitude, mas você está "voando mais".

nariz para cima sobras ao comércio de velocidade para altitude. Na melhor das hipóteses, você está ganhando altitude, mas você está "voando menos". Na pior das hipóteses, você não está ganhando nada, você está apenas deslizar para baixo ao olhar para cima. Isto é como Air France vôo 447 caiu: co-piloto continuou puxando para cima e eles perderam tudo altitude apenas por isso.

737 MAX, devido à sua dimensão não planejada motor, tem tendência natural de puxar o nariz para cima, que é super-perigoso por causa das razões acima. Empurrando-o para baixo é uma maneira de manter esse perigo na baía. O problema não está na empurrando o nariz para baixo em si, mas empurrando-a para baixo demasiado frequentemente e muito. Eles substituíram o grande perigo pelo menor - o que, infelizmente, provou ser projetado ainda pior do que os motores de grandes dimensões.

O verdadeiro problema não é que o elevador a partir das naceles proporcionar um momento de pitching para cima. A questão é por quê. Estabilidade exige que o centro de sustentação do avião total de ser ré do centro de gravidade. A elevação total vem de várias fontes, a asa, alguma contribuição da fuselagem, contribuição devido ao ângulo de impulso do motor em relação ao ângulo de ataque e contribuição da nacele do motor. No alto ângulo de ataque a contribuição nacele do motor torna-se significativo. Adicione todas essas fontes e o resultado é que o centro de sustentação do avião totais avança com alto ângulo de ataque. Como o ângulo de ataque é aumentado o centro do elevador se move para a frente resultando num passo acima. Como o ângulo de ataque é progressivamente aumentada do centro do elevador se move para a frente do centro de gravidade e potencialmente descontrolada passo acima ocorre.

Eu li um artigo sobre isso que me ajudou a entender isso muito bem.

Os motores construídos para o 737 Max são muito poderosos.

Pense em você andar de moto ou de carro. O que acontece com o nível do nariz do carro quando você começa em um ritmo rápido? A frente se move para cima. E quando a abrandar rápido? A frente se move para baixo. Direito?

Devido a este problema de acordo com os engenheiros, algo necessário para controlar o nível do plano que é o que o MCAS foi projetado para. Para ajudar a estabilizar o avião durante esses eventos movimentos rápidos acelerando ou desacelerando rapidamente.

Com os dados corretos alimentado para MCAS, ele funciona muito bem estabilizar o avião durante o vôo que o piloto pode pilotar o avião como um 737 como ele foi projetado para ser.

Sem MCAS, o piloto terá um tempo difícil manter o avião estabilizado quando a velocidade das mudanças de avião. Piloto não pode se concentrar em muitas coisas acontecendo sem MCAS.

Que em poucas palavras fez muito sentido para mim. Qualquer avião com motores potentes vai precisar de um tipo MCAS de sistema por este motivo. E foi concebido para ser executado em segundo plano.

Dirigindo nossos carros, muitos dispositivos estão no trabalho no fundo o que nos permite conduzir e concentrar-se na estrada. Mesmo princípio aqui para o piloto por causa dos novos motores potentes.

Acho que a questão da Boeing era o risco de ficar para trás Airbus em vendas. Então eles modifed a 737 usando motores muito maiores que, por causa da distância ao solo limitada tiveram que ser montado de tal forma que aumentou o risco de tenda durante a descolagem. Assim, com um avião que não é tão aerodinâmico como deveria ser Boeing montado um sistema para superar as falhas aerodinâmicas, MCAS. Parece estranho para produzir conscientemente um plano que não é tão aerodinâmico como o seu antecessor, mas em seu desespero para manter-se com a Airbus, a Boeing fez exatamente isso.