电池问题如何导致787梦想客机全线停飞？

liufu · 发表于 2013-4-21 22:17:37

摘要: 波音公司的787梦想客机的停飞目前已经波及到全世界。现在所有拥有这个型号飞机的国家都已经效仿美国联邦航空管理局（FAA），对787客机进行全线停飞处理，直到机载锂离子电池被证明足够安全为止。

图片来源：Jason Paur/《连线》

　　波音公司的787梦想客机的停飞目前已经波及到全世界。现在所有拥有这个型号飞机的国家都已经效仿美国联邦航空管理局（FAA），对787客机进行全线停飞处理，直到机载锂离子电池被证明足够安全为止。
　　自从一年多前787客机服役以来，在一系列影响波音旗舰机型的事故中，这是最新并且最严重的事故。其他一些问题，包括漏油、风挡破裂以及读数错误的探测器都被归结为“初次遇到的小问题”，这种问题在所有刚开始服役的新客机上都会出现。但现在的电池故障已经不再是简单的小痛小痒，而是已经导致了自1979年以来首次针对商业客机机队的停飞处理，这将动摇人们对梦想客机的信心，同时也会对波音公司本身产生怀疑。
　　机队被停飞的起因是在波士顿一架梦想客机机上发生火灾，事后发现火灾是由飞机尾部的电池引起的，此外周三早上一架日本航空公司的787客机紧急迫降，原因是飞行员在驾驶舱中闻到了烟雾的味道，同时告警灯也显示位于飞机前部的电池出现了问题。在这两起事故中没有人受伤，但周三晚些时候FAA签发了一份紧急适航指令（pdf），要求所有美国本土的787客机不得起飞。从周三晚上到周四，日本、印度、埃塞俄比亚、智利、欧洲以及卡塔尔的航空官员也先后禁止梦想客机起飞。
　　波音公司CEO兼董事长吉姆·迈克纳尼（Jim McNerney）在周三晚些时候发出一则声明，表示乘客和机组人员的安全是波音公司的首要考虑。
　　“波音一直支持FAA作出的决定，并将会尽快找出问题所在。”迈克纳尼说道，“我们确信787是安全的，我们是它总体出色的坚实后盾。”他又表示公司正夜以继日地和航空公司以及监管机构合作，并且公司对所有因停飞而受到影响的乘客感到“深深的遗憾”。
　　十年前的这个月波音公司提出了787客机的设计，据《西雅图时报》报道波音公司一共花了超过300亿美元在研发上，这其中大部分的经费都被用来建造这家如今最节油的客机所需要的许多创新设计。
　　787客机被喻为“未来客机”，它的机身绝大部分由复合材料制成，并史无前例地使用了大量电力来驱动机上的各个系统。梦想客机通常被认为是首架复合材料客机，但人们也可以简单地称它为有史以来最电子化的客机。
　　在过去的几十年里，“飞机更电子化”（MEAs）的趋势就一直存在着。包括空客A380和洛克希德马丁公司的F-35联合攻击机都是电子化飞机，它们用电力驱动的机载系统比过去的飞机更多。顶着“更电子化的飞机”的名号，787客机几乎完全是依靠电力来驱动机上的各个系统，而非用液压或气动装置。
　　梦想客机上绝大部分电力来自于六台发电机，每个引擎上各有一台，飞机尾部辅助动力单元也有两台。一般来说，波音公司的客机只用得上三台发电机。这些发电机为飞机提供电力的方式和你家汽车上的交流发电机类似，不过不同的是787上发电机发出来的电可比家用卡车的要多多了。
　　梦想客机的电力系统能发出将近1.5兆瓦的电力，这足够几百户人家使用了。由于电力需求如此之高，787客机就需要能量密度更大的电池作为紧急后备电源，但机上使用的高密度锂离子电池也正是导致787机队紧急迫降的罪魁祸首。
　　机上所有的电力都靠远离式配电单元分化到飞机上的不同部分中去了，并且787客机的电力系统由235伏高压交流电系统控制，而非一般的115伏直流电系统。

普通客机与787客机发电及电力分布的区别。图片来源：波音公司。

　　在一家普通的客机内，“引擎引气”被用来驱动气动装置以及贯穿大部分机身的液压系统，这些引气其实来自于涡轮发动机中的高压空气，这些空气为飞机提供了推力。一本来说引擎产生的推力中的一部分会被拿来当作气动动力源，这种动力源十分易用，但是引气产生的能量通常大于机载系统所需要的能量，因而多余的那部分能量就直接被排放到机外去了。气动系统同时还需要遍布机身的几百磅重的导管以及单向阀。
　　通过减少这些使用引擎引气的气动及液压系统的使用，并用电力系统取而代之，飞机设计师能够减轻飞机重量，并大大降低设计的复杂程度。由于电力的发出和使用过程更加节能，驱动相同数量的机载系统所需要消耗的油料也变少了。结果就是使用电力替代气动和液压装置的787客机比一般的客机能干更多的事，也比其他飞机更加节能。
　　在787客机上电力还被用来启动引擎、给客舱增压、维持空调系统运转、给机翼除冰，电力甚至被用来驱动刹车装置。机上仅剩的几个仍然使用引气的系统是引擎进风口除冰以及液压增压系统。787客机和传统的客机一样拥有三套独立的液压控制系统（左中右），它们主要用于驱动机翼、尾翼以及起落架上的飞行操纵系统。但在787客机上，中央液压系统是用电动马达而非涡轮空气泵驱动的，这种做法同样也减轻了重量并节省了能量源。
　　波音公司估计使用电力系统替代引气能够减少3%的燃油消耗。总体来说，787客机和一架体型更小的飞机比起来要节省20%的燃油。
　　在电力系统创新中最麻烦的要数电池了。梦想客机是第一种使用锂离子电池作为主备份电源的商业客机。空客A380虽然也使用锂离子电池，但它体积更小，而且也只是用作照明系统的备用电源。除此而外，787客机上的锂离子电池中的化学成分与智能手机或混合动力汽车中所使用的电池化学成分并不相同。787客机上的电池是由日本汤浅电池生产，使用的是二氧化钴（CoO2），因为它的能量密度最高，但它也十分容易受到“热事件”（比如说火）的影响。并且电池在燃烧后会释放出氧气，这意味着电池十分容易就会持续燃烧。
　　787客机上安装的两个电池各重63磅，体积是车用电池的约两倍大。在上周波士顿一架787客机着火之后，就有关于电池安全性的忧虑，但波音公司表示相对较轻的锂离子电池产生的高能量密度用在机上是“正确的选择”，并力挺这种用法。

图片来源：波音公司

　　华盛顿大学化学工程专业教授埃里克·史提维图（Eric Stuve）表示锂离子电池有安全隐患早已是人尽皆知。很多个人电子产品制造商都有过电池召回记录，这其中就包括苹果公司，而索尼也召回了数百万块电池，因为制造过程中的一点污染让其中几块着了火。
　　“这些电池里有可燃成分，这大家都知道。”史提维图说道，“因而大家对这其中的化学反应都敬畏有加。”但史提维图同时补充道，电池带来的危险可以通过设计手段避免，正如高度易燃的航空燃油带来的危险也是通过设计手段消除的。
　　事实上，波音在设计过程中就对锂离子电池带来的危险十分了解。电池作为完整飞机的一部分已经经历过了民航史上最严苛的飞行测试认证，在经过数年的测试之后，787客机上锂离子电池的使用于2007年被FAA批准。
　　电池上有四个控制器用来控制功率、温度和压强，以防止出现“热失效”问题，但很显然这些安全措施还不够。机尾和机鼻安装电池的部位都经过特殊设计，即使发生火灾也能将火焰及危害限制在其中，保护并防止机上其他关键系统受到影响。
　　美国联邦航空管理局希望波音公司能够证明电池不会对787客机再造成危害，这样他们才能允许787再次上天。调查人员将会进行调查，以查明是飞机设计出了问题，还是制造商或者飞机本身出了问题。
　　蒂尔集团（Teal Group）的航空分析专家理查德·阿布拉菲（Richard Aboulafia）倾向于认为这是由制造问题引起的。
　　“不太可能是工艺本身除了致命问题。”阿布拉菲说道，“问题在于在FAA认证完成前有许多飞机的制造出现了问题，这有可能导致了缺陷的产生。”
　　许多787客机，包括周三被迫紧急迫降的那架全日空梦想客机都是在认证本身完成之前就建造完成了（全日空的那架飞机是生产线上下来的第九架飞机）。所有早期制造完成的飞机要在下线之后交付之前重新进行改造。去年波音加快了787的生产速度，于是就有人担忧生产速度的提高会牺牲飞机的质量。
　　FAA和波音公司的调查结果可能导致飞机设计的进一步改变，或者是制造流程会产生一些变化。
　　787客机何时再能飞上蓝天还不得而知。只要波音公司能够证明电池是安全地，那么FAA就会允许它继续服役。波音公司可能会对现有问题做一些阶段性改进以期能让50架被停飞的飞机重新飞上蓝天，类似举动也在其他飞机获得适航指令过程中发生过。不过如果要等最终解决方案面世的话，很有可能要等上好几个月了。