AW | 2020 04 09 18:12 | INDUSTRY / AVIATION SAFETY

Los peligros de solucionar un problema de hardware con software

Un nuevo Boeing 737 MAX se construyó en sólo nueve días. En ese momento, un equipo de 12.000 personas convierte un conjunto suelto de piezas en un avión terminado de US$ 120 millones con una tecnología verdaderamente de vanguardia: alerones basados ​​en los diseñados por la NASA, motores que cuentan con el primer ventilador de álabes de fibra de carbono del mundo y computadoras con la misma potencia de procesamiento que el Super Nintendo.

El 737 MAX está conectado a tierra desde Marzo 2019, después de que un software mal programado ha causado dos bloqueos en dos aeronaves produciendo dos accidentes aéreos con un saldo de 346 personas fallecidas. En el transcurso de este tiempo, Boeing ha recibido mucho escrutinio desde la puesta en tierra de su aeronave best seller.

Cada Boeing 737 MAX tiene dos computadoras de control de vuelo. Esto quita parte de la carga de trabajo de los pilotos, ya sea a través de la automatización completa (como el piloto automático) o mediante ajustes de control precisos durante el vuelo manual. Estas computadoras pueden volar literalmente el avión, tienen autoridad sobre las principales superficies de control y estranguladores, lo que significa que cualquier mal funcionamiento podría volverse catastrófico rápidamente. Por lo tanto, es más importante que los fabricantes elijan hardware que sea seguro, en lugar de ejecutar una flota de aviones con tecnología de punta con errores que aún no se han resuelto.

Boeing tuvo incorporado en el 737 MAX el mantener los Sistemas Collins Aeroespacial serie FCC-730, que fue construido en 1996. Cada equipo cuenta con un par de un solo núcleo, los procesadores de 16 bits que se ejecutan de forma independiente el uno del otro, lo que reduce la potencia de cálculo pero también evita que un procesador defectuoso destruya todo el sistema. Incluso para los estándares de tecnología de consumo de finales de los 90, los FCC-730 estaban detrás de la curva. Cuando salieron al mercado, Nintendo ya había reemplazado su consola SNES de 16 bits con la Nintendo 64, e IBM había creado la primera consola dual de procesador de núcleo del mundo.

Por supuesto, lo antiguo y lo lento no siempre es peor: la serie 737 Next Generation es el avión de cuerpo estrecho más seguro jamás fabricado, en parte debido a estas computadoras confiables, aunque poco espectaculares. Para mantener bajos los costos, Boeing también quería reutilizarlos en la próxima versión del 737. El 737 MAX aún podría estar volando hoy si esas computadoras simplemente tuvieran que realizar las mismas tareas que tuvieron durante casi 30 años. Pero Boeing necesitaba que hicieran mucho más, pero se trataba de acelerar el trabajo urgente frente a la competitividad del mercado europeo. En 2010, el único rival de Boeing, Airbus, presentó el A320NEO, un competidor directo de la 737 Next Generation que podría volar más lejos con menos combustible y con menos emisiones que cualquier otro avión de cuerpo estrecho. Boeing fue tomado por sorpresa: mientras Airbus había desarrollado la tercer generación del A320 en secreto, los ingenieros de Boeing habían pasado cinco años debatiendo si diseñar una nueva aeronave de reemplazo del legendario 737 o simplemente actualizar el fuselaje. El A320NEO cambió eso en cuestión de meses.

Pero para ofrecer su propio producto nuevo cuando salió el nuevo Airbus, Boeing tendría que sacar el avión por la puerta en solo cinco años, menos tiempo del que llevó desarrollar el 777 o el 787. El principal punto de venta del nuevo 737 era claro, presentar la variante MAX con nuevos motores que aumentarían la eficiencia de combustible y el alcance del avión. Pero para alcanzar esa ambiciosa fecha de lanzamiento, Boeing tendría que tomar atajos en casi todo lo demás. Los nuevos motores, que eran más grandes y pesados ​​que los de la próxima generación, hicieron que el 737 MAX fuera tan eficiente en combustible como su rival. Pero también interrumpieron el flujo de aire alrededor de las alas y las superficies de control del avión de una manera muy específica. Durante los ascensos en ángulos altos, esta interrupción causaría que las columnas de control en el avión se aflojen repentinamente, lo que podría causar que los pilotos pierdan el control del avión durante una maniobra peligrosa.

Boeing podría haber solucionado esta anomalía aerodinámica con un cambio de hardware de superficies adaptativas en la carcasa del motor, alas reestructuradas, o incluso simplemente agregando un Empujador de Palanca a los controles que presionarían mecánicamente la columna de control en el momento justo. Pero los cambios de hardware agregaron tiempo, costo y escrutinio regulatorio al proceso de desarrollo. La gestión de Boeing tenía un objetivo: evitar cambios, evitar reguladores, cumplir con el cronograma de período para su rollout.

Entonces, el equipo de desarrollo atacó el problema de hardware con el software. Además del paquete de software estándar en las dos computadoras del 737 MAX, Boeing cargó otra rutina llamada Sistema de Aumento de las Características de Maniobra (MCAS). El sistema actuaría esperando que el avión entrara en una subida de alto ángulo, entonces actuaría, girando el estabilizador horizontal del avión para contrarrestar las fuerzas aerodinámicas cambiantes. Sobre el papel, parecía lo suficientemente elegante. También tenía un beneficio secundario: la Administración Federal de Aviación (FAA) no analiza el software tan duro como lo hace cualquier cambio físico en la célula. Entonces MCAS fue aprobado con una revisión mínima, computadoras obsoletas y todo.

Pero el acceso directo de software de Boeing tenía un problema grave. Bajo ciertas circunstancias, se activó erróneamente, enviando al avión a un bucle infinito de inmersiones de nariz. A menos que los pilotos puedan, en menos de cuatro segundos, diagnosticar correctamente el error, accionar un interruptor de emergencia específico y comenzar las maniobras de recuperación, perderán el control del avión y se estrellarán, que es exactamente lo que sucedió en el caso del vuelo JT-610 de Lion Air y el vuelo ET-302 de Ethiopian Airlines.

Con el segundo accidente el Boeing 737 MAX fue aterrizado en todo el mundo. Desde entonces, Boeing ha estado trabajando para solucionar el problema del software y lograr que el avión sea aprobado por los reguladores, pero las fiscalizaciones han sido lentas.

En Junio 2019, Boeing presentó una solución de software a la FAA para su aprobación, pero las pruebas de estrés posteriores de las computadoras del 737 MAX revelaron más fallas. Son vulnerables a los errores de un solo bit que podrían deshabilitar sistemas de control completos o lanzar el avión a una inmersión no ordenada. No se inician correctamente, incluso pueden congelarse en el modo de piloto automático, incluso cuando el avión está en una parada, lo que podría dificultar los esfuerzos de recuperación en medio de una emergencia en vuelo. A pesar de todo esto, Boeing insiste en que puede arreglar todo con software. Boeing ha optado por no ir con una computadora nueva y más potente o agregar más de ellos a los dos que ya están allí, para distribuir mejor la carga de trabajo. A modo de comparación, el A320NEO de Airbus tiene computadoras de época similar, pero tiene siete de ellas. Boeing está “dedicando todos los recursos necesarios para garantizar que las mejoras al 737 MAX sean exhaustivas y se prueben a fondo. No anticipamos cambios en el hardware”, dijo un portavoz.

Hasta ahora, la FAA está de acuerdo: completó su revisión del software a principios de este año, y parece estar de acuerdo con las correcciones de software propuestas. Pero devolver el 737 MAX al servicio no es tan simple como obtener la aprobación de la agencia para el software. Debido a que Boeing esencialmente intimidó a la FAA para que certifique al 737 MAX en primer lugar, la agencia está ansiosa por demostrar que sabe lo que está haciendo ahora. Sus inspectores están escudriñando el avión con menos presión para precipitarse, y han encontrado varios problemas nuevos con el avión: cableado defectuoso, escombros en los tanques de combustible y componentes del ala que no cumplen con los estándares de la FAA.

Aun así, la reputación de la FAA ya está arruinada. Durante décadas, los reguladores de la aviación se han basado en acuerdos recíprocos para acelerar el proceso de certificación de aviones en otros países: si un avión es aprobado por un regulador, casi siempre lo aprueban todos. Ahora, sin embargo, Europa, China e India quieren certificar el avión de forma independiente, lo que agregará meses a la línea de tiempo.

Una vez que el Boeing 737 MAX obtenga la luz verde reglamentaria, aún pasarán varios meses antes de que pueda transportar pasajeros nuevamente. En Enero 2020, Boeing anunció que para obtener la certificación para volar el 737 MAX, los pilotos tendrán que pasar por un entrenamiento de simulador de movimiento completo actualizado. Este es un retiro completo de uno de los puntos originales del avión: que los pilotos solo necesitaban una lección de iPad de una hora para volar el nuevo modelo 737.

El problema es que simplemente no hay tantos simuladores para todos. Solo hay 34 en todo el mundo, con solo dos compañías aprobadas para hacer entrenamientos. Para poner esto en perspectiva, un ejemplo es el hogar de dos aerolíneas con base en Dallas-Fort Worth. Tanto Southwest Airlines y American Airlines tienen 13.000 pilotos formados en Boeing 737 y solo un simulador 737 MAX. Asumiendo cuatro horas de simulador por piloto y ejecutando los simuladores las 24 horas del día, los siete días de la semana, a ambas aerolíneas les tomaría unos seis años obtener la aprobación de todos para volar el 737 MAX. Aunque hay que realizar la salvedad de que no todos volarán al mismo tiempo las nuevas unidades incorporadas por ambas compañías. El mismo ejemplo se reproduce a nivel mundial donde unas cincuenta aerolíneas con aeronaves 737 MAX en sus flotas necesitarían entrenamiento.

Los atajos que Boeing ha realizado para llevar al 737 MAX a la producción ahora lo mantienen en el suelo. Alguna vez fue el avión más vendido en la historia. Ahora, los pedidos de estas aeronaves se han detenido. La compañía recibió solo 18 pedidos nuevos, una disminución del 80% en comparación con 2019. Su competidor, Airbus, registró 296 nuevas órdenes.

Perspectivas del 737 MAX

A pesar de la disminución de la popularidad del Boeing 737 MAX, Boeing sigue siendo optimista sobre las perspectivas futuras de la variante más moderna de la línea 737. “Nuestra estimación para devolver la flota 737 MAX al servicio sigue siendo a mediados de 2020”, dijo el portavoz de Boeing.

Parece que nada impulsará a la FAA a enviar este diseño en particular de nuevo a la mesa de los tableros de dibujo. En cambio, Boeing intentará nuevamente compensar una falla de hardware en el 737 MAX con un software ligeramente reescrito. Es la misma filosofía de diseño que creó esta catástrofe para Boeing en primer lugar, y es la misma filosofía que hasta ahora no ha logrado producir un avión seguro y confiable.

Boeing chasing fly 737 MAX

The dangers of solving a hardware problem with software

A new Boeing 737 MAX was built in just nine days. At the time, a team of 12,000 people turns a loose set of parts into a US$ 120 million finished aircraft with truly cutting-edge technology: spoilers based on those designed by NASA, engines that feature the world’s first fan. The world’s carbon fiber blades and computers with the same processing power as the Super Nintendo.

The 737 MAX has been grounded since March 2019, after poorly programmed software has caused two crashes on two aircraft resulting in two plane crashes with a balance of 346 people killed. Over the course of this time, Boeing has received a lot of scrutiny since the grounding of its best-selling aircraft.

Each Boeing 737 MAX has two flight control computers. This takes some of the pilots’ workload off, either through full automation (like the autopilot) or through fine-tuning control adjustments during manual flight. These computers can literally fly the plane, they have authority over major throttles and control surfaces, meaning that any malfunction could quickly become catastrophic. Therefore, it is more important for manufacturers to choose hardware that is secure, rather than running a fleet of high-tech aircraft with bugs that have yet to be resolved.

Boeing had built into the 737 MAX maintaining the Collins Aerospace Systems FCC-730 series, which was built in 1996. Each team has a pair of single-core, 16-bit processors that run independently of each other. This reduces computing power but also prevents a faulty processor from destroying the entire system. Even by the consumer technology standards of the late 1990s, the FCC-730s were behind the curve. When they were released, Nintendo had already replaced its 16-bit SNES console with the Nintendo 64, and IBM had created the world’s first dual-core processor console.

Of course, the old and the slow is not always worse: the 737 Next Generation series is the safest narrow-body aircraft ever made, in part because of these reliable, if unspectacular, computers. To keep costs down, Boeing also wanted to reuse them in the next version of the 737. The 737 MAX could still be flying today if those computers simply had to do the same tasks they had for nearly 30 years. But Boeing needed them to do much more, but it was about speeding up the urgent work against the competitiveness of the European market. In 2010, Boeing’s only rival, Airbus, introduced the A320NEO, a direct competitor to the 737 Next Generation that could fly further with less fuel and lower emissions than any other narrow-body aircraft. Boeing was caught off guard: While Airbus had secretly developed the third-generation A320, Boeing engineers had spent five years debating whether to design a new replacement aircraft for the legendary 737 or simply upgrade the fuselage. The A320NEO changed that in a matter of months.

But to offer its own new product when the new Airbus came out, Boeing would have to get the plane out the door in just five years, less time than it took to develop the 777 or 787. The main selling point of the new 737 was clear, Introducing the MAX variant with new engines that would increase the fuel efficiency and range of the aircraft. But to reach that ambitious launch date, Boeing would have to take shortcuts on almost everything else. The new engines, which were bigger and heavier than the next generation, made the 737 MAX as fuel-efficient as its rival. But they also disrupted air-flow around the plane’s wings and control surfaces in a very specific way. During high angle ascents, this disruption would cause the control columns on the plane to suddenly loosen, which could cause pilots to lose control of the plane during a dangerous maneuver.

Boeing could have fixed this aerodynamic anomaly with a hardware change of adaptive surfaces on the engine case, restructured wings, or even simply adding a Lever Pusher to the controls that would mechanically press the control column at the right time. But the hardware changes added time, cost, and regulatory scrutiny to the development process. Boeing’s management had one goal: to avoid changes, to avoid regulators, to meet the timeline for its rollout.

So the development team attacked the hardware issue with the software. In addition to the standard software package on the two 737 MAX computers, Boeing loaded another routine called the Maneuvering Characteristics Enhancement System (MCAS). The system would act by waiting for the plane to enter a high-angle climb, then it would act, rotating the plane’s horizontal stabilizer to counter the changing aerodynamic forces. On paper, it looked elegant enough. It also had a side benefit: The Federal Aviation Administration (FAA) doesn’t scan software as hard as any physical change in the cell does. So MCAS was approved with minimal revision, outdated computers, and everything.

But Boeing’s software shortcut had a serious problem. Under certain circumstances, it was mistakenly activated, sending the plane into an endless loop of nose dives. Unless pilots can, in less than four seconds, correctly diagnose the error, flip a dedicated emergency switch, and begin recovery maneuvers, they will lose control of the plane and crash, which is exactly what happened in the case of the Lion Air flight JT-610 and Ethiopian Airlines flight ET-302.

With the second accident of the Boeing 737 MAX was landed worldwide. Since then, Boeing has been working to fix the software problem and get the plane approved by regulators, but audits have been slow.

In June 2019, Boeing submitted a software solution to the FAA for approval, but subsequent stress tests of the 737 MAX computers revealed more flaws. They are vulnerable to single-bit errors that could disable complete control systems or launch the plane into an unstructured dive. They don’t start correctly, they can even freeze in autopilot mode, even when the plane is at a stop, which could hinder recovery efforts in the midst of an in-flight emergency. Despite all this, Boeing insists that it can fix everything with software. Boeing has chosen not to go with a new, more powerful computer, or add more of them to the two already there, to better distribute the workload. For comparison, the Airbus A320NEO has similar vintage computers, but it has seven of them. Boeing is “dedicating all necessary resources to ensure that the improvements to the 737 MAX are comprehensive and thoroughly tested. We do not anticipate changes in hardware”, a spokesperson said.

So far, the FAA agrees: It completed its review of the software earlier this year and appears to agree with the proposed software fixes. But returning the 737 MAX to service is not as simple as getting agency approval for the software. Because Boeing essentially bullied the FAA into certifying the 737 MAX in the first place, the agency is eager to demonstrate that it knows what it is doing now. Its inspectors are scrutinizing the plane with less pressure to rush, and have found several new problems with the plane: faulty wiring, debris in fuel tanks, and wing components that do not meet FAA standards.

Still, the FAA’s reputation is already ruined. For decades, aviation regulators have relied on reciprocal agreements to speed up the aircraft certification process in other countries: if an aircraft is approved by a regulator, it is almost always approved by all. Now, however, Europe, China, and India want to independently certify the plane, which will add months to the timeline.

Once the Boeing 737 MAX gets the regulatory green light, it will still be several months before it can transport passengers again. In January 2020, Boeing announced that to obtain certification to fly the 737 MAX, pilots will have to go through an updated full-motion simulator training. This is a complete recall of one of the plane’s original highlights: that the pilots only needed an hour-long iPad lesson to fly the new 737.

The problem is that there simply are not so many simulators for everyone. There are only 34 worldwide, with only two companies approved for training. To put this in perspective, one example is the home of two Dallas-Fort Worth-based airlines. Both Southwest Airlines and American Airlines have 13,000 pilots trained in Boeing 737 and only one 737 MAX simulator. Assuming four hours of simulator per pilot and running the simulators 24 hours a day, seven days a week, it would take both airlines about six years to get everyone’s approval to fly the 737 MAX. Although it is necessary to realize that not all will fly at the same time the new units incorporated by both companies. The same example is replicated globally where some fifty airlines with 737 MAX aircraft in their fleets would need training.

The shortcuts Boeing has made to get the 737 MAX into production now keep it on the ground. It was once the best-selling aircraft in history. Now, orders for these aircraft have stopped. The company received only 18 new orders, a decrease of 80% compared to 2019. Its competitor, Airbus, registered 296 new orders.

737 MAX Insights

Despite the decline in popularity of the Boeing 737 MAX, Boeing remains optimistic about the future prospects for the more modern variant of the 737 line. “Our estimate for returning the 737 MAX fleet to service remains in mid-2020”, Boeing spokesman said.

It looks like nothing will prompt the FAA to send this particular design back to the drawing board table. Instead, Boeing will again try to compensate for a hardware failure in the 737 MAX with slightly rewritten software. It is the same design philosophy that created this catastrophe for Boeing in the first place, and it is the same philosophy that has so far failed to produce a safe and reliable aircraft.

 

 

 

 

 

 

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SOURCE: Airgways.com
DBk: Boeing.com / Faa.gov / Theverge.com / Airgways.com
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