B737 MAX & MCAS

B737 MAX & MCAS

Để cạnh tranh với dòng A320 NEO với động cơ mới tiết kiệm nhiên liệu, Boeing đã thiết kế B737 MAX trang bị động cơ mới LEAP-1B Engine với tính năng tiết kiệm nhiên liệu (dựa trên khung sườn B737, tất nhiên với vài cải tiến về khí động, thay vì phải thiết kế 1 dòng hoàn toàn mới nhằm tiết kiệm thời gian & chi phí). 
Động cơ mới có đường kính cánh quạt lớn hơn (bypass ratio lớn hơn, 9:1 so với 5.1: 1 của động cơ CFM56) nên tiết kiệm nhiên liệu hơn. Điều này làm cho đông cơ phải đặt cao hơn và hướng về phía trước hơn (để tránh quá sát mặt đất, ground clearance). 

Chiều cao càng mb A320 (trái) so với B737 (phải)

Vì càng cao hơn nên còn không gian để lắp động cơ có đường kính lớn hơn (A320 NEO, trái). Còn B737 (phải) không thể lắp động cơ có đường kính lớn hơn được.

B737 MAX lắp động cơ mới cao hơn và hướng về phía trước hơn

Vị trí mới này gây ra lực nâng nhỏ trên động cơ khi máy bay ở góc tấn cao (high AoA, Angle of Attack). Và do xa trọng tâm C of G, lực nâng này (trước trọng tâm) gây hiệu ứng làm máy bay hơi ngóc đầu (pitch-up), từ đó làm góc tấn lớn hơn nữa, có thể khiến máy bay tiến gần trạng  thái thất tốc (stall, tức AoA cao, lực nâng đột ngột giảm so với trọng lượng và máy báy sẽ rơi) ⁽¹⁾. Để tránh hiện tượng thất tốc xảy ra, Boeing đã thiết kế hệ thống MCAS (Maneuvering Characteristics Augmentation System) đối với dòng máy bay này.

Cảm biến góc tấn AoA. Lá cánh cảm biến xuôi theo dòng khí từ đó biết được giá trị góc tấn.

Đồ thị giữa góc tấn & hệ số lực nâng. Góc tấn AoA càng lớn, lực nâng trên cánh càng lớn. Góc tấn lớn đến ngưỡng (stall), lực nâng đột ngột giảm, mb sẽ rơi.

MCAS hoạt động ra sao?

Cảm biến góc tấn (AoA sensor) sẽ gửi tín hiệu về máy tính điều khiển FCC (Flight Control Computer). Một khi tín hiệu AoA lớn tới ngưỡng, FCC sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến thăng bằng ngang phía sau đuôi (horizontal stabilizer) đề làm cho máy bay chúc đầu xuống (nose down), tức làm giảm AoA.

Thay đổi góc Stabilizer sẽ thay đổi góc chúc ngóc của mb. Stabilizer xoay lên, làm giảm lực hướng xuống ở đuôi và làm mb nose down

Có 2 hệ hống như vậy: 2 cảm biến, 2 máy tính FCC. Chỉ 1 hệ thống làm việc trong chuyến bay, hệ thống kia sẽ làm việc trong chặng sau, và cứ thế. Điều đáng nói là mỗi máy tính FCC chỉ nhận tín hiệu từ 1 cảm biến, khi cảm biến này bị sai, FCC sẽ có hành động sai (ở những hệ thống quan trọng, máy tính sẽ nhận 2 hoặc 3 tín hiệu đầu vào rồi so sánh, nếu giống nhau máy tính sẽ ra tín hiệu điều khiển; nếu khác nhau, máy tính sẽ gửi cảnh báo đến người lái, lúc này người lái sẽ quyết định).

MCAS được kích hoạt TỰ ĐỘNG khi thỏa cả 3 điều kiện sau: góc tấn AoA cao + hệ thống tự động lái AP ngắt (Auto Pilot not engaged) + cánh tà thu lên (flap up). 
Hệ thống này chỉ làm cho máy bay chúc đầu xuống khi AoA cao & điều khiển bằng tay (manual control) & flap up (tức giai đoạn lấy độ cao, bay bằng hoặc hạ độ cao; còn giai đoạn cất & hạ cánh, ht sẽ không hoạt động vì flap down). Như vậy, MCAS nằm ngoài hệ thống tự động lái AP ⁽²⁾.

 

Khi thỏa mãn cả 3 điều kiện trên, MCAS sẽ kích hoạt trong tối đa 9.26 giây rồi tạm dừng, sau 5 giây nếu các điều kiện trên còn thỏa mãn, MCAS lại tiếp tục kích hoạt cho nose down. Nếu người lái cố điều khiển cho nose up bằng nút “electric pitch trim” ở cần lái, MCAS chỉ tạm dừng. Sau khi ngưng “trim” (tinh chỉnh) 5 giây, MCAS lại tiếp tục kích hoạt nếu các điều kiện còn thỏa mãn. Nếu muốn vô hiệu hóa MCAS, người lái phải ngắt nút “STAB TRIM CUTOUT” và điều khiển trực tiếp bằng cách xoay stabilizer trim wheel ⁽³⁾. (xem hình bên dưới)

3 bộ phận được đề cập trong bài viết

Trường hợp Lion Air & Ethiopian Airlines

Lion Air
29/10/18, chuyến bay JT-610 của Lion Air sau khi cất cánh thì cần điều khiển bay bên trái rung lên (control column stick shaker activated) tức cảnh báo máy bay gần trạng thái stall (thực tế là cảm biến AoA 2 bên lệch nhau, bên trái cao hơn bên phải 20⁰, dữ liệu từ FDR), đồng thời xuất hiện cảnh báo về tốc độ, độ cao 2 bên của phi công lệch nhau (IAS DISAGREE, ALT DISAGREE). Sau khi thu cánh tà (flap up), (lúc này xuất hiện nhiều cảnh báo, tổ lái đã ngắt tự động lái AP & chiếm quyền điều khiển bằng tay) --> thỏa cả 3 điều kiện nêu trên --> MCAS được kích hoạt làm cho máy bay chúc đầu xuống. Tổ lái cố điều khiển cho máy bay nose up, sau đó, mb lại chúc đầu xuống… việc tranh chấp này diễn ra đến khi mb rơi (vì cảm biến bên trái vẫn đưa tín hiệu AoA cao nên MCAS vẫn liên tục điều khiển). Nhưng chuyến bay trước đó, JT-043, 28/10/18, tổ lái cũng gặp tình trạng tương tự và đã xử lý bằng cách ngắt nút “STAB TRIM” sang vị trí CUT OUT (tức ngắt hoạt động của MCAS) và phải điều khiển trực tiếp trim wheel đến hết chuyến bay (sau khi CUT OUT lần thứ 1 & kiềm soát được tình hình, tổ lái đã bật lại STAB TRIM nhưng MCAS lại tiếp tục hoạt động nên tổ lái đã ngắt lần thứ 2 và điều khiển bằng trim wheel "During the execution of the non-normal-checklist, the Captain reengaged the Stabilizer Trim Cut-out switch, but it resulted in the aircraft to pitching down, consequently Stabilizer Trim Cut-out was returned to cut-out position and the flight crew resumed flying with manual trim")

Theo báo cáo điều tra cuối cùng (công bố 25/10/19), có nhiều nguyên nhân được nêu ra, 4 trong số đó là:
(1) mb đã không trang bị cảnh báo AOA DISAGREE (cảnh báo AoA 2 bên lệch nhau) làm tổ lái mất thời gian để nhận ra cái gốc của vấn đề mà chỉ chú tâm vào những cảnh báo khác "misaligned resolvers, from the AOA resulted in several fault messages (IAS DISAGREE, ALT DISAGREE on the PFDs, and Feel Differential Pressure light) that affected the flight crew’s understanding and awareness of the situation". Cái này là OPTION, tức hãng hàng không có chọn trang bị cho mb hay không. Lion Air đã không trang bị cái này (để tiết kiệm chi phí) --> vấn đề này cũng gây khó khăn trong công tác bảo dưỡng, việc bảo dưỡng hơi bị lệch hướng sang vấn đề khác (giống trong y học, chẩn đoán sai sẽ đưa ra hướng điều trị sai) "The AOA sensor bias would have been detected by the IFIM task “AOA DISAGREE” which requires checking the AOA values. The inhibited AOA DISAGREE message contributed to the inability of the engineer to rectify the failure of the AOA sensor." 
(2) Sự thiếu kinh nghiệm của tổ lái trong việc phối hợp xử lý tình huống (không thấy sử dụng đến nút STAB TRIM để ngắt MCAS như tổ lái chuyến bay trước). 
(3) MCAS của dòng mới này bị “ẩn”, không được mô tả trong các tài liệu cho người lái, phi công cũng không được huấn luyện về tình huống này. 
(4) Cảm biến AoA thay mới ở bên trái có thể không được hiệu chuẩn một cách hợp lý tại cơ sở bảo dưỡng thiết bị Xtra Aerospace khi được bảo dưỡng ở đó, đã gây ra vấn đề ở 2 chuyến bay cuối cùng "This immediate 21° delta indicated that the AOA sensor was most likely improperly calibrated at Xtra Aerospace."  

(link tham khảo: knkt.dephub.go.id/knkt/ntsc_aviation/baru/2018%20-%20035%20-%20PK-LQP%20Final%20Report.pdf)

Dữ liệu từ FDR_ Flight Data Recorder (hộp đen) cho thấy tranh chấp điều khiển Up & Down liên tục

Ethiopian Airlines
10/03/19, chuyến bay ET-302 của Ethiopian Airlines sau khi cất cánh thì cần điều khiển bay bên trái rung lên, đồng thời xuất hiện cảnh báo về tốc độ, độ cao 2 bên lệch nhau (thực tế là cảm biến AoA 2 bên lệch nhau, bên trái 74⁰, bên phải 15⁰, dữ liệu từ FDR, nên cần lái bên trái rung lên báo gần trạng thái stall). Sau khi chế độ Auto Pilot ngắt, MCAS bắt đầu hoạt động trong 9 giây làm máy báy nose down, tương tự vụ Lion Air. Tổ lái cố lấy lại trạng thái nose up bằng nút điều khiển “electric pitch trim” ở cần lái. 5 giây sau, MCAS tiếp tục làm mb nose down. Tổ lái lại dùng “electric pitch trim” để nose up lần 2, tuy nhiên, mb vẫn chưa đạt cân bằng (level flight), mũi vẫn còn hơi chúc xuống, tổ lái đã ngắt STAB TRIM. Máy bay mất dần độ cao, không thấy tổ lái dùng trim wheel để điều khiển mà bật lại STAB TRIM để dùng electric pitch trim lần 3 để lấy lại độ cao, 5 giây sau đó, MCAS lại tự động làm mb nose down. Lần này mb đã va chạm mặt đất. (theo báo cáo ban đầu, chưa có báo cáo cuối cùng)

 

Tín hiệu AoA bên trái quá cao

Khắc phục của Boeing (đến hiện tại)

Cập nhật phần mềm: 1. Máy tính FCC sẽ lấy tín hiệu từ 2 cảm biến AoA (thay vì 1 như trước kia) rồi so sánh, nếu lệch quá 5.5⁰, MCAS sẽ không kích hoạt. 2. MCAS sẽ chỉ kích hoạt 1 lần duy nhất trong chuyến bay thay vì có thể kích hoạt nhiều lần. 3. Chỉ cần dùng nút “electric pitch trim” hoặc tác động lực vào cần lái control column thì có thể chiếm quyền MCAS thay vì phải ngắt nút “STAB TRIM” + điều khiển bằng “trim wheel". 

Cảnh báo AOA DISAGREE sẽ được đưa vào loại này thay vì là OPTION như trước.

Huấn luyện phi công. Thông thường, khi chuyển sang lái loại mb mới, người lái sẽ được huấn luyện chuyển loại. Boeing đã thiết kế hệ thống điều khiển giống các dòng cũ (chỉ cải tiến phần mềm điều khiển bay - MCAS - mà theo Boeing, phi công không cần thiết phải biết về hệ thống mới này) nên người lái các dòng trước đây có thể sang lái ngay nhằm tiết kiệm thời gian và chi phí cho hãng hàng không! Sau vụ Lion Air, Boeing đã cập nhật các thông tin của ht mới này vào các tài liệu của người lái (Airplane Flight Manual­_AFM, Flight Crew Operations Manual_FCOM, Quick Reference Handbook_QRH).  

Cập nhật tài liệu bảo dưỡng AMM_ Aircraft Maintenance Manual, FIM _Fault Isonlation Manual.

KS.VTH
------ ------- ------- --------- --------- ---------

Chú thích:

     (1)   Về cơ bản thì hơi khác 1 ít, lực nâng nhỏ ở động cơ làm mb có xu hướng ngóc đầu, điều này gây ra lực cần thiết để kéo control column về phía sau (điều khiển pitch up) nhẹ đi; người lái có thể vô tình kéo quá đà về phía sau (do lực kéo nhẹ) và khiến mb tiến gần trạng thái stall, đặc biệt là lúc “quẹo gắt” (steep turn). “As the nacelle is ahead of the C of G, this lift causes a slight pitch-up effect (ie a reducing stick force) which could lead the pilot to inadvertently pull the yoke further aft than intended bringing the aircraft closer towards the stall.” 

    (2)  Nói chút ít về ht tự động lái AP. Không giống như điều khiển xe máy hay ô tô, ta phải giữ tay ga hay chân ga kết hợp điều khiển hướng, AP cùng với ht tự động lực đẩy A/THR (Auto Thrust) sẽ duy trì (và tự điều khiển theo chương trình) hướng bay, độ cao bay, vận tốc máy bay, trạng thái chúc ngóc… mà phi công không cần phải giữ tay ga hoặc cầm lái. Điều này làm giảm tải cho người lái vì có rất nhiều thông số & hệ thống phải theo dõi, cũng như rảnh tay để xử lý khi có tình huống bất thường. 

   (3) Trim wheel điều khiển trực tiếp thăng bằng ngang phía sau đuôi (horizontal stabilizer) bằng cáp. Vì trọng tâm của máy bay luôn thay đổi (như hành khách di chuyển, nhiên liệu cạn dần trong quá trình bay...), thăng bằng ngang này (cùng với elevator) có tác dụng làm cho trạng thái máy bay được thăng bằng, không quá chúc ngóc bằng cách xoay để tăng hoặc giảm lực ở đuôi. Việc giúp cân bằng do Auto Pilot điều khiển. Nếu phải điều khiển trực tiếp bằng tay (manual control) sẽ tăng tải đáng kể cho người lái. 

 

Tài liệu tham khảo: http://www.b737.org.uk/mcas.htm.