民用航空，安全与风险的角力史

　　民用航空的历史，远比军用航空更长。1903年完成首次有动力可控持续飞行的莱特兄弟，就是民间人士身份。莱特兄弟也同样经历了历史上首次致命空难：1908年9月10日，奥维尔·莱特驾驶的飞机在弗吉尼亚州迈尔堡坠毁，机上乘客托马斯·塞尔弗莱齐中尉丧生。用今天的眼光审视，这起事故的调查异常草率：身为飞行员的奥维尔·莱特自己充当了事故调查人员——他同时也是设计这架飞机的工程师，且没有飞行驾照，飞机也没有适航证书（那时候根本还没有适航概念），当时更无专业的事故调查机构，也没有航空管理法规，更没有政府质询。所幸事故的原因不难查明，断裂的螺旋桨是罪魁祸首，这样的故障当在那个时代太多了，那时飞行人员的荣耀与他们面临的风险一样巨大。
　　1908年9月10日发生了人类航空史上首次致命航空事故，飞行员奥维尔·莱特受伤，乘客塞尔弗莱齐中尉丧生。
　　我们的飞机适于飞行么？
　　民用航空运输发展初期，大多数人认为飞行的风险是巨大的。1920年，英国民用航空部的报告指出：关于飞行存在固有危险的说法没有足够的事实依据。自一战结束以来，英国每进行40 000英里的民用航空运输，才会发生一起致命航空事故，报告认为事故发生率在不久的将来会得到显著改善。这一时期，人们开始认识到，不是所有飞机都能满足安全运输的要求。民用航空器必须满足一定的设计和维护要求，并为此建立相关法律法规，这就是适航规范的由来。1926年，美国颁布航空商业法案，是世界上最早规范民用航空的法律法规。法案规定飞行员和飞机必须接受测试，并取得相应的认证资质，同时规定对于航空事故要依据法定程序进行调查，建立了飞机安全规范和导航准则。此后，所有参与航空活动的专业人员，都要接收正规培训并取得合法资质。今天美国联邦航空管理局负责对美国民用飞机、飞行人员、机场和相关维护人员进行资质认证，欧洲和其他国家也建立了相应的航空管理机构。
　　1925年，英国民用航空部发布报告，对影响航空安全的基本要素进行了总结。基于这份报告，各国开始认真考虑从飞机适航性、飞行员训练，以及空中管理等方面加强安全控制，防范安全风险。报告指出，飞机空中解体、操纵问题、火灾以及发动机故障是重要事故原因，并由此提出，飞机结构应简化设计，重要结构部件必须能够方便检查和维修。民用飞机应采用全金属结构，结构疲劳问题应予以重视。报告还提出，飞机的操纵系统应力求简便，并加强检修。禁止乘客进入驾驶舱，排除外部因素对驾驶人员操作行为的干扰。对于火灾问题，报告要求飞机采用防火隔舱设计。关于发动机故障，当时人们尚无太多手段提高发动机可靠性，于是报告建议民用飞机采用三发动机设计，因为双发飞机任何一台发动机出现故障都难以保持飞行。实际上今天双发飞机的单发航行性能已经大为改善，这也是为什么今天双发飞机能够普遍采用的重要原因。
　　报告对于人为错误也非常关注，认为解决人为判断错误可以从两方面入手。其一是认真选择飞行人员，通过优化飞行规范和管理制度避免判断错误；其二是采取双人机组配置。从1926年1月1日起，英国要求全部载客10人以上的民用飞机都采用双人机组，紧急情况下第二名机组应能代替飞行员完成操作。
　　恶劣气候也是事故重要诱因，报告建议采用可靠的动力装置和有效的无线电导航设备来克服夜间飞行和大雾问题。降雪问题可以通过采用防雪进气口加以防范。报告还特别提出对于雷电防护问题需要加以研究。报告还关注到了空中相撞问题——晴朗天气下这一问题容易解决，但随着夜间飞行的增多，需要采用自动接近警报装置。但当时的自动化技术仍较为落后，当时英国在低云和大雾环境下，更多地采用增加进近航路的方式来避免飞机危险接近的方式。
　　1919年，在茫茫大洋上飞行16小时后，英国维克斯·维梅双发飞机完成了首次跨大西洋飞行。与其说这是一次民航史开创性的行动，倒不如说这是一次大胆的冒险——当时的活塞航空发动机可靠性不足，远离大陆飞行被视为风险极高。当时民航业认为，要进行远程飞行，特别是跨越无人区或海洋，需要使用安装3台或更多发动机的飞机。我们知道今天远程喷气式飞机可以不着陆越洋飞行，而这在80年前绝对不可想象。
　　鉴于早期活塞发动机糟糕的可靠性，美国联邦航空管理局（FAA）在1953年强制规定，双发民航飞机航路上任意点距离最近的着陆场不得超过60分钟航程，这称为双发延程飞行规则（ETOPS）。这意味着民航飞机航线只能踯躅蛇行于各个着陆场之间，没法选择那些沿途缺少着陆场的航线，而后者原本可能更加经济。上世纪五六十年代民用涡轮喷气发动机的推力和可靠性显著提高，但安装两台喷气发动机的民用客机却没法摆脱60分钟ETOPS的死规定。为了挣脱这一束缚，洛克希德L-1011＂三星＂和道格拉斯DC-10等宽体远程3发洲际客机开始出现，并曾繁盛一时。直到后来，FAA和ICAO（国际民航组织）终于意识到设计得当的双发飞机完全能够胜任远程飞行，才在1985年将ETOPS规定扩大到120分钟，这样许多航线经济性明显提高，此举也给空客A300创造了巨大的市场空间。1988年，FAA再度将ETOPS扩大到180分钟，波音737-700成为这一政策的最早受益者。自此远程3发飞机也开始逐渐丧失市场潜力，连4发飞机的市场地位也开始动摇。波音与麦道合并后，果断停掉MD-11项目，并缩减波音747的生产规模，就是出于此种政策与市场考虑。
　　1957年首飞的波音707不在60分钟ETOPS的限制范围内，比早期双发飞机更具市场优势。图为德国汉莎航空上世纪60年代使用的波音707。
　　2007年，FAA更进一步，规定在美注册的双发飞机运营商申请突破180分钟限制的ETOPS认证。2009年，空客A330最早成为获得240分钟ETOPS认证的飞机，空客还计划为A350XWB申请350分钟ETOPS认证，而波音则打算让787取得330分钟ETOPS资质。ETOPS的逐步扩展，并不仅仅是时间限制的变化，其背后真正的推动力，是民用航空发动机可靠性和性能的持续攀升。
　　从结构疲劳到内饰玄机
　　1952年，英国德哈维兰公司＂彗星＂喷气客机投入运营，作为世界上最早投入运营的喷气式客机，＂彗星＂一时间称为媒体竞相报道的对象。但在1954年，先后有两架＂彗星＂在爬升到巡航高度过程中发生解体事故，全部＂彗星＂停飞。英国人为了查明问题原因，建造了全尺寸测试飞机，进行重复增压和减压试验，在巨大的水槽中重复增压减压1825个循环后，客舱前部逃生舱门一角出现了疲劳裂纹，对解体＂彗星＂残骸的检查也发现某个舷窗边角存在疲劳裂纹。自此，人们开始认真研究金属结构疲劳问题，引入了损坏-安全设计概念，并对载荷传递路径进行优化，防止失效结构。
　　1977年5月14日，英国DanAir航空一架波音707-321C在降落过程中整个右水平尾翼脱落，事后查明该尾翼后梁上部发生疲劳损伤，最终扩散导致尾翼脱落。1963年出厂，飞行时间47 621小时，起落16 723次，而设计寿命是60 000飞行小时和20年。1988年4月28日，美国阿罗哈243航班波音737-200在爬升过程中客舱爆裂，一块5.5米的蒙皮和支持结构脱落，所幸迫降成功。这架飞机1969年出厂，已接近使用寿命。这两次事故让人们对疲劳裂纹发展模式的研究更加深入，同时开始认真关注老旧飞机的问题，虽然这些飞机还没有到寿，但疲劳问题可能已经发生，必须通过特殊检查加以防范。
　　飞行中的英国海外航空公司（BOAC）＂彗星＂1，注册号G-ALYP。1954年1月10日，该机在执飞罗马–伦敦的781航班途中解体坠毁，无人生还。事后调查发现这是典型的疲劳裂纹所致。疲劳问题导致的接连失事，让该机丧失了攫取市场的最佳时机。
　　无论你是否注意到，一个不争的事实是，过去90年间，民用航空的事故率呈大坡度下降态势。别的不说，单是看看飞机的内部设施，就能感受到人们对于适航性的不懈追求。今天，人们对于飞机内部设施的安全性主要集中在抗撞击性能、防火性能和撤离性能等三个方面。
　　飞机座椅在很大程度上决定着乘客的生存概率。飞机座椅的设计要求座椅在撞击时不能发生位移，同时能够吸收撞击能量，提高乘客生存概率。此外，座椅后部设计还要考虑到保护后方乘客的头部不要因撞击受到重创。上世纪30年代，客机座椅可以承受6g的撞击力，这一水平和汽车相近。自上世纪50年代起，商用喷气客机的座椅防撞能力从6g提升到9g。而今天的民航客机座椅，防撞要求早已提升到16g，能够抵御垂直向下和水平向前的巨大冲击力。为防止撞击过程中乘客头部与前方座椅发生碰撞造成伤害，FAA还专门制定了头部损伤防范规定，要求座椅设计应该使得乘客头部与座椅相撞时，撞击力度不应超过头部损伤标准。这些规定并非停留在纸面上，座椅需要在火箭滑橇上利用仿真人进行测试，符合规定方可装机运营。
　　＂彗星＂（注册号G-ALYP）顶部导航窗口边角疲劳断裂示意图。
　　今天飞机内饰的防火标准也异常严格。1985年，FAA颁布的规定要求机内大面积板材——顶板、侧板、顶部行李舱和隔板材料在燃烧时释放的热量和烟雾不得超标，在封闭空间内要延迟跳火发生。按照规定，每平方米材料燃烧时每分钟释放热量峰值不得超过65千瓦，烟雾浓度不得超过200PPM。就连客舱内的地毯，也要具备阻燃性能，能在一定时间内隔绝下部油火燃烧，为乘客逃生赢得安全时间。
　　要在紧急状态下撤离客机，就必须在逃生通道和逃生舱门上做文章。今天，任何一架投入运营的民航客机，必须满足能让全机乘客在90秒内撤离飞机的硬指标。而且在飞机起火时，地板上必须安装逃生指示灯清晰标定逃生舱门位置。
　　逃生滑道发展至今，已走过了70多年的历程。上世纪40年代，客机上开始采用手持式织物滑道，用于乘客紧急离机。随着喷气式客机投入使用，充气式逃生滑道开始成为主流。由于尺寸过大，这种滑道只能安装飞机顶部舱室，使用时需要先从上部取下再安装就位，打开舱门后还需要完成5个步骤，才能完成充气准备。整个过程最多需要38秒，可能丧失撤离时机。1960年时，逃生滑道开始采用新型材料和充气技术，重量和尺寸大幅度缩小，不必再置于顶部，可直接安装在舱门内壁，包括打开舱门在内只需要18～24秒就能启动。到1966年，进一步改进的充气系统让滑道仅需6秒就能完成充气，而且连接机构可以拆卸，滑道结合了救生艇设计特点，能变身为充气救生艇。到1970年，逃生滑道开始采用自动充气系统，未经训练的乘客也能轻松操作，如今这已经成为民用客机的标配。今天，逃生滑道的材料也必须满足防火阻燃要求，而且要能适应各种飞机迫降姿态，每条滑道每分钟能让60名乘客安全离机，同时还要能在25节风速环境下正常使用。
　　上世纪60年代美国联合航空公司DC-8客机安全指南册页，右侧部分表现了早期充气式逃生滑道的操作步骤。可见该滑道放置于顶部舱室，操作繁琐，费时费力，今天早已消失。
　　导航，相撞与空管
　　1919年前后，为了方便导航——当时飞机导航设备还相当简陋，英国民用航空多采用沿铁路线飞行的方式，许多铁路沿线的火车站，屋顶上用特大号字书写了站名，这样飞行员从空中也能知道自己身处何地。按照这个思路，在开通阿曼到伊拉克拉马迪航线时，英国甚至决定在没有铁路的沙漠地带开掘一条470英里长的壕沟，以便让飞行员能够像参照铁路线一样循着壕沟飞往目的地。英国民用航空部还专门联系英国皇家空军，探讨在民用航空中使用信鸽导航的可行性。英国飞机制造商协会（SBAC）认为使用信鸽过于复杂且成本高昂，建议选用有效的无线电设备进行导航。实践证明，无线电导航比鸽子更靠谱。
　　1922年，航空史上发生了首次空中相撞事故。事故发生在巴黎北部的博韦——当时两架在伦敦-巴黎航线上运行的飞机在糟糕的天气中相向飞行。那时航空安全事故非常多。用了几个月时间，人们就＂解决＂了空中相撞问题，当时空中防撞很大程度上依靠目视观察，为此规定飞行员必须保持在作为导航标记的公路或铁路的左侧行驶——和大英帝国的公路交通一样。这样就避免了同一航线上两架飞机迎头相撞，这只是操作方式的变化，并非技术解决方案，对于危险接近仍然防范不足。
　　上世纪二三十年代，民用航空在有效性和安全性方面出现了不少改进。飞机与地面间开始使用无线电话，无线空管技术开始出现。当时许多机场也开始建立管制区概念。第二次世界大战带来了更多的变化与改进，原本用于军事航空的许多技术扩散到民用航空领域。空管系统概念出现，空中管制员被视为重要的交通安全决策者。他们通过无线电话与飞行人员联络，他们负责制定飞行计划并与飞行人员取得一致；他们负责监控二次雷达数据。这些数据与管制空域、和空管规范一起，来监控飞机之间的最小距离。
　　管制人员能够从飞机上装载的二次雷达应答机传输的信号中，根据屏幕显示装置获悉相关飞机的标记点、呼号和高度等信息。应答机不仅可以向地面发送信息，而且可以接受地面发送的短信息。
　　二战带来的另一个重大技术进步是导航技术方面。此后，导航技术从单纯的无线电信标过渡到更精密的GPS卫星导航。在无线电导航和GPS导航技术开始应用后，原来简单地＂沿铁路或公路左侧＂飞行的方式显然不再奏效，于是人们开始在高度差上做文章，随着高度表和空管技术的进步，飞机航路的高度差也在发生变化。最终，飞行在29 000英尺以上飞机的航路高度差从2 000英尺降低到了1000英尺，这一距离已经足以保证飞机不发生空中相撞。
　　今天飞机上都装有空中防撞系统（TCAS），它能准确告诉飞行员如何避让危险接近的其它飞机。TCAS系统基于二次雷达应答机信号工作，通过监控本机周围的空域，及时发现那些装备主动应答机的飞机，如果发现有其它飞机进入本机周围空域，会及时向飞行员发出预警。按照ICAO规定，所有起飞重量超过5700千克，或载客超过19人的飞机，必须安装TCAS系统。在现代玻璃座舱飞机上，TCAS可以通过导航显示器或电子水平仪显示信息，在所有安装二次雷达应答机的飞机间实现信息交互，每架飞机都会以1 030MHz频率向一定距离内所有飞机发出询问信号，所有其它飞机会将位置信息传给本机，每秒钟可以完成多次交互询问。TCAS依据这些信息，建立一个三维地图，把所有接收到的飞机距离、高度和方位信息加入其中，然后通过推算当前距离和高度差等方式，来预测是否存在碰撞可能。如果存在碰撞风险，TCAS还会自动设定避让方案，并通过显示和语音提示飞行员，建议后者改变飞机高度和爬升/下降速度来避免碰撞。
　　民航业界正在积极推广下一代空管监测技术ADS-B（自动独立监视-广播系统），这种技术更为先进，未来将取代二次雷达成为主要管制方式。ADS-B能让飞机以每秒一次的频率通过机载发射机广播发送本机身份、位置、高度和速度信息，同时接收其他飞机的ADS-B数据，这些信息将显示在空管人员的显示系统上，让所有飞机变得实时可见。让空管人员能够凭借这些更为及时精确的信息进行指挥，将显著推进民航空管技术的进步。
　　打开全部充气逃生滑道加以展示的波音747-8I，滑道设计的合理性和使用效率都非旧时可比。
　　事故刻骨，经验宝贵
　　我们为每一起航空事故悲痛，但同时也正是这些事故成为至关重要的经验范本，迫使人们不断发现民航安全技术的不足，找出改进办法，推动民用航空不断朝着更安全、更经济、更舒适、更便捷发展。
　　随手翻阅民航安全史，你都能发现那些典型事故对于航空安全的强力推动：
　　1978年12月28日，美国联合航空173班机在降落过程中因机组忙于处理故障没有注意燃油耗尽最终导致坠毁，此后美国开始推行机组资源管理（CRM）的训练理念，强调机组之间的协调配合、对警报信息的关注，消除误判隐患。
　　1983年6月2日，加拿大航空797航班一架DC-9在飞行中洗手间起火，浓烟在舱室蔓延，火情烧断了许多线缆，许多设备失灵。迫降后开门又造成氧气输入酿成闪火，导致多人遇难。此后在FAA强制要求下，洗手间烟雾传感器和应急地板逃生指示灯成为民航飞机的标配。飞机内饰阻燃材料的技术要求也变得愈加严苛。
　　1983年9月1日，原苏联战机误击韩国波音747——当时该机严重偏航，误入苏联领空，掠过军事重镇，此事促使美国向全球开放民用GPS信号，航空器开始享受精准的GPS导航服务。
　　1985年8月2日，达美航空191号航班一架洛克希德L-1011在雷雨中降落时遭遇风切变坠毁，此次空难促使NASA和FAA进行了长达7年的研究，最终机载气象雷达和风切变探测的预警系统称为民航客机的必备设备。
　　1989年7月19日，联合航空公司执飞232航班的DC-10-10（N1819U）在飞行中2号发动机故障，飞机在试图迫降过程中坠毁，一名空乘和110名乘客丧生。事故原因认定为二号发动机风扇叶片断裂。这起事故直接促成了荧光渗透检测技术的推广（FPI），它能在无损部件的前提下发现飞机和发动机部件的微小内部裂纹，以便作出正确的质量评估。
　　1990年12月3日，西北航空公司执飞1482航班的DC-9（N3313L）在底特律韦恩郡机场跑道交汇点与西北航空另一架波音727相撞，造成8人遇难。事故原因是DC-9机组协调性不足，而地面空管人员的疏导工作也存在漏洞。此后，美国开始大力推进ADS-B技术研究，以期让飞行员和空管人员能以前所未有的精度和及时性形象感知空中飞机的交通状况。如今这项技术已经成为下一代空管技术中的关键要素。
　　1995年12月20日，美利坚航空执飞965航班的波音757-223（N651AA）在夜间目视条件下在哥伦比亚撞山坠毁，机上163人只有4人幸存。事故原因是机组没有正确规划和执行进近路线。事后美国开始采用地形注意报警系统（TAWS），该系统能为飞行人员提供有效信息，提醒后者发现潜在的危险地形，让他们采取有效措施防止飞机可控触地（CFIT）。
　　1996年7月17日，环球航空800航班一架波音747-100音油箱爆炸失事，机上全体人员罹难，历时4年的艰苦调查显示，事故的罪魁祸首是油箱内的油气混和物被线路短路火花点燃。事后民航客机油箱系统开始采用充氮惰化技术，同时对所有线路采用安全性设计。
　　民用航空的历史，就是航空科技与飞行风险较量的历史。你可以不相信技术，但你不能不相信智慧，正是凭着对人类智慧的自信，我们才能飞上蓝天，虽然经历了无数磨难，目睹了太多惨痛，我们需要相信，人类的智慧一定能让我们飞行得更加安然。
　　1985年8月2日因风切变坠毁的达美航空191航班洛克希德L-1011尾段残骸，事故造成137人丧生，此后机载气象雷达和风切变探测预警系统遂成大型客机标配。