2025
低空产研记录
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原作：Alex Scerri，翻译：格言，排版：LAIR
译者导读：
Vertical的 Alex Scerri 通过梳理最终事故报告和详细描述 Joby 2022 年 eVTOL 事故的相关文件， 近期撰写了一篇专栏文章，回顾了该事件以及业界可以从中吸取的教训。值得一读！
在航空航天工程领域，技术和边界不断被推向极限，飞行测试项目中发生异常事件的可能性始终存在。虽然最初的集体震惊，加上标题党的标题的夸大，可能看起来像是一个重大挫折，但它可以成为一种宝贵的催化剂，催生更稳健的设计，并为如何改进飞行测试流程本身提供宝贵的见解。
虽然内部经验教训是必然的，但将这些知识与更广泛的社区分享的媒介是通过事故报告，例如2022年2月在加利福尼亚州乔隆发生的Joby JAS4-2事故的报告。美国国家运输安全委员会（NTSB）在今年早些时候（事故发生两年后）发布的最终报告中提供了一些宝贵的见解。
此次审查基于国家运输安全委员会的报告和相关案卷中的文件，其中一些内容已被删节。
事件
2022 年 2 月 16 日，Joby 按计划对 JAS4-2 飞机进行遥控空速和高度包线扩展飞行测试。根据Joby 提交的NTSB 表格 6120.1，在第二次试飞期间，飞机在 11,000 英尺（3,350 米）的高度完成了三分钟、175 节指示空速 (KIAS)（201 英里每小时）的测试点。从数据读数来看，完成该测试点约 90 秒后，飞机开始俯冲测试。当它在约 8,900 英尺（2,712 米）的高度达到 181 KIAS（208 英里每小时）的最大俯冲速度时，3 号推进站（位于右翼内侧）的螺旋桨叶片在叶根附近发生弯曲故障，导致螺旋桨叶片脱落。
图 1：Joby JAS 4-2 布局（来自 NTSB 报告的 Joby 图像）
脱落的叶片撞击了4号推进器（位于右翼外侧）的螺旋桨，随后导致受损叶片脱落。最初的飞行中叶片故障引发了连锁反应，包括多个推进电机/螺旋桨组件分离以及遥控飞行员失去对飞机的控制。飞机脱离了可控飞行，坠毁在地面。
对事故发生时的高分辨率记录仪 (HRR) 数据进行检查后发现，3 号站的可变螺距执行器在叶片释放时正处于典型的巡航螺距状态，而视频证据则表明，在叶片首次释放之前，部分叶片的螺距变化较大。3 号站的加速度计数据显示，在达到事故飞行测试条件后，在叶片首次释放之前，振动迅速增加。3 号站的倾斜执行器位置值此时也出现了振荡。
图 2：编辑后的视频帧显示，4 号站台受到 3 号站台释放的叶片撞击后离开飞机（Joby 视频，来自 NTSB 报告）
Joby 检查了之前的飞行测试数据，发现尽管镜像设计相同，但 2 号站和 3 号站之间始终存在不对称行为。在巡航模式下，与 2 号站相比，3 号站的倾斜执行器在所有飞行条件下都表现出更高的活动性。3 号站的倾斜执行器连杆负载也更高，这可能表示倾斜机构存在异常行为。3 号站对此螺旋桨模式交叉的共振响应也始终强于 2 号站，表示与异常倾斜机构存在耦合相互作用。虽然之前的飞行在过渡飞行中激发了螺旋桨模式，但并未预测到巡航中的强烈激发。事故后分析显示，这种强烈激发是由于气动相互作用引起的，只有当空速超出飞机的预期运行条件时，这种相互作用才会变得显著。
飞行测试期间，飞机俯冲速度达到181节空速（208英里/小时），加之3号推进站螺旋桨倾斜系统异常，可能导致了意外的气动相互作用，从而激发了螺旋桨模式，导致桨距不均匀增加，超出了设计极限。这很可能导致了载荷超标，最终导致桨叶初始失效。
NTSB 的可能原因和调查结果
美国国家运输安全委员会 (NTSB) 认定，此次事故的可能原因是在扩展飞行测试期间，一个螺旋桨叶片脱落，引发了连锁反应，包括多个推进电机/螺旋桨组件脱落，以及遥控飞行员失去对飞机的控制。导致事故发生的原因是3号推进站的倾转旋翼机作动器连杆机构，该机构导致一些螺旋桨叶片的角度比指令角度更大。
事件回顾
此次事件最显著的积极意义在于，尽可能在高风险级别测试中进行无人飞行测试，其优势不可估量。NASA飞行测试安全数据库将俯冲速度测试归类为载人飞机测试。虽然飞机坠毁，但并未造成人员伤亡，机组人员或第三方也未受伤。除了不会对家人或同事造成不利影响这一主要优势之外，此次无人飞行测试无疑也使得飞行测试项目能够更快地恢复。
录音设备和视频证据
安装在驾驶舱内的GoPro 360度摄像机为该报告提供了非常宝贵的信息。案卷文件中包含的一段视频研究展示了如何结合图像与计算机辅助设计（CAD）模型叠加来确定叶片的实际俯仰角与叶片释放前的指令值之间的对比。
然而，由于该设备并非防坠毁设计，记录的数据最终得以恢复实属幸运。这无疑可以为未来的飞行测试项目提供参考，或者作为替代方案，将视频数据传输到地面站并进行实时记录。
机载飞行测试仪表数据采集模块用于记录遥测信息（例如振动和应变计信息），但该模块并未提供任何可能对调查有用的数据。至于视频数据，可以考虑在飞行过程中将这些信息上传至下行链路。
电池供电的飞行测试挑战
2022年初，也就是此次事故发生之前，我与国际试飞员学校加拿大有限公司（ITPS）总裁乔治·克莱门蒂（Giorgio Clementi）进行了交谈。我问他，他认为eVTOL飞行测试可能面临的具体挑战是什么。他提到的一点是，电池供电的eVTOL飞行器的续航能力有限，这可能会压缩进行测试的时间。
对于Joby事件，飞机在任务开始时似乎电池电量低于100%，尽管从现有数据读数来看尚不清楚。第一个测试点，即175节（201英里/小时）的三分钟平飞，相对而言应该相当耗电。到飞行过程中，电池电量似乎在不到15分钟的总飞行时间内下降到约50%。
两次测试之间大约有 90 秒的间隔，人们可以考虑这是否足以审查第一次测试的数据，这可能会发现一些异常，进而导致推迟随后的高风险潜水测试。
图 3：编辑后的数据图（来自 NTSB 文件）
螺旋桨故障分析
根据Joby在美国国家运输安全委员会（NTSB）6120.1表格中的内部建议，低保真气动分析可能无法预测高速巡航飞行中的高次谐波螺旋桨载荷。除了数值气动分析外，Joby可能还在邦尼杜恩环形跑道上进行了相当全面的螺旋桨测试。然而，目前尚不清楚该装置是否能够完全模拟高速巡航飞行条件。事故发生仅一年后，即2023年2月，Joby在美国宇航局艾姆斯研究中心的国家全尺寸气动综合设施（NFAC）进行了一次测试，这可能为该飞行模式提供了有用的补充数据。
NTSB 的报告还指出，3 号站最初故障的叶片上蒙皮部分粘合剂粘合区域存在不规则现象，与胺染现象相符。Joby 可能会调查螺旋桨子部件的生产、质量和检验流程。对故障叶片的计算机断层扫描 (CT) 扫描显示，翼梁内表面存在微小异常，可能影响单层板。然而，对该异常进行时间对比后发现，该特征不符合停用叶片的标准，不太可能是事故的因素。
连锁故障
虽然分布式电力推进 (DEP) 通过冗余带来了一定的安全保障，但在设计和认证阶段需要考虑连锁故障的可能性，特别是由推进系统故障产生的高能碎片导致的故障。
欧洲航空安全局 (EASA) 的MOC VTOL.2240 (d) 高能碎片 - 特定风险分析包含详细的指导。对于增强型飞机，首次故障不应造成灾难性后果。如果首次故障可能导致升力/推力装置再次发生故障，则应考虑首次故障发生的概率和连锁反应的概率来评估再次发生故障的概率。
如果总概率低于每飞行小时10-9 ，则可以认为危险已被最小化，分析可以就此结束。如果概率更高，则应考虑第二次故障的影响，但不应造成灾难性的后果。然后应评估第三次故障的概率，并继续进行，直到下一次故障的总概率低于每飞行小时1 x 10-9 ，或所有升力/推力单元都已评估完毕。
图 4：EASA 针对增强型飞机的级联故障评估方法
2022 年 10 月发布的EUROCAE ED-306《垂直起降飞机免受非包容性高能碎片和持续不平衡影响的设计考虑》中也提供了更详细的指导。
Joby S4 将根据美国联邦航空管理局 (FAA)针对 Joby JAS4-1 动力升力飞机的特殊适航标准进行认证。该标准已于 2024 年 3 月 8 日更新，并采纳了行业反馈。多位评论者要求 FAA 将 JS4.2240(c) 与 EASA SC–VTOL.2240(d) 进行协调。
美国联邦航空管理局 (FAA) 的评论是，JS4.2240(c) 与 SC–VTOL.2240(d) 类似，尽管 SC–VTOL.2240(d) 指的是“升力/推力装置”而不是“发动机”。EASA 术语“升力/推力装置”包括发动机和螺旋桨或旋翼组件。该主题正在与外国认证机构进行持续讨论。对于 JAS4-1，系统内除螺旋桨叶片或旋翼外的其他旋转部件应使用典型的旋翼爆破方法进行评估，包括在可行的情况下进行屏蔽。
可以理解的是，重新设计可能不是目前最理想或最实用的途径，达到所需安全水平的其他途径还可以包括提高组件可靠性和更频繁的在役检查，包括预测性维护。
NTSB报告时间表
该事件的最终报告是在事件发生约两年后发布的。对于如此复杂和详细程度的报告来说，这并不意外，尤其是考虑到这是一种新型飞机设计以及 NTSB 的整体工作量。对于任何处于测试阶段的新技术而言，此类事件并非完全出乎意料，而像 eVTOL 这样新兴且快速发展的行业将受益于更快的周转。一个想法是采用法国模式，原型飞机的事故由一个单独的实体——法国国家航空安全事故调查局(BEA-É) 进行调查。这是一个军事组织，仅调查国家飞机的事故，而 BEA 则调查所有商用和通用航空事故。
结论
这项调查和报告是对透明度和信息共享理念的重要印证，这对于生态系统的共同发展至关重要。我们必须确保该系统秉持持续改进的文化。经验教训必须公开、及时地分享，以免在后续服务中再次发生任何可避免的事件，从而对行业造成负面影响。
结尾的话——
在撰写本文期间，原文作者联系了 Joby，该公司的回复如下：
“我们相信，我们所采取的措施，包括设计变更、增加仪器和测试，可以消除导致此次事故的情况。
自事故发生以来，我们对设计和测试方法进行了一系列改进，其中许多改进已经计划好了，我们的第二架预生产原型机已经飞行了近 25,000 英里，其中包括机上飞行员驾驶的 100 多次飞行以及在纽约市进行的表演飞行。
实验飞行测试程序旨在确定飞机性能的极限，并在此过程中提供支持飞机安全运行的关键见解和经验，并为最终设计要素提供信息。
我们将继续与美国联邦航空局合作，确保型号认证流程反映我们的经验教训，并且我们致力于与其他 eVTOL 公司分享相关经验教训，以进一步支持整个行业的安全。
我们还生产、试飞并交付了我们的第一架生产原型机。与我们的预生产原型机相比，这架飞机进行了多项升级，目前驻扎在爱德华兹空军基地，与美国空军和美国国家航空航天局一起进行飞行测试。
（全文终）
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