揭秘黑匣子：空难事故调查的关键设备
揭秘黑匣子：空难事故调查的关键设备
黑匣子是飞机上的重要设备，被誉为“空难见证人”，在空难事故调查中发挥着至关重要的作用。它不仅能记录飞行数据，还能记录驾驶舱内的各种声音，为事故原因分析提供重要线索。本文将为您详细介绍黑匣子的方方面面。
基本信息
黑匣子，学名为航空飞行记录器，由澳大利亚工程师戴维·沃伦于1958年发明。它能将飞机的高度、速度、航向、爬升率、下降率、加速情况、耗油量、起落架收放、格林尼治时间，以及飞机系统工作状况和发动机工作参数等飞行参数都记录下来。
黑匣子通常包括两种类型：一种是飞行数据记录仪（FDR），另一种是座舱话音记录仪（CVR）。为了承受飞机坠毁时的猛烈撞击和高温烈焰，黑匣子的外壳具有很厚的钢板和许多层绝热防冲击保护材料。而且为了尽可能的安全，黑匣子通常安装在飞机尾部最安全的部位，也就是失事时最不易损坏的部位。
外形与种类发展
黑匣子外壳坚实，为长方体，约等于四、五块砖头垒在一起一般大小。内部净是些电气器件，实质上是一台收发信机。在飞机飞行过程中，它能将机内传感器所收集到的各种信息及时接收下来，并自动转换成相应的数字信号连续进行记录；当飞机失事时，依靠黑匣子的紧急定位发射机自动向四面八方发射出特定频率（例如37．5千赫），类似心跳般有规律的无线电信号，“宣告”自己所处的方位，以便搜寻者溯波寻找。
黑匣子实际上却被漆成明亮的桔红色。这种明亮显眼的颜色，以及记录仪外部的反射条带，都使得事故调查员们可以在飞机失事后很快的找到记录仪，特别是当飞机坠落在水上时。
根据欧洲的标准，黑匣子必须能够抵受2.25吨的撞击力，在1100℃高温下10小时仍不会受损。要符合以上的标准。黑匣子通常是用铁金属和一些高性能的耐热材料做成。具有极强的抗火、耐压、耐冲击振动、耐海水（或煤油）浸泡、抗磁干扰等能力，即便飞机已完全损坏黑匣子里甚的记录数据也能完好保存。
黑匣子伴随着飞行安全的迫切需求以及飞机制造水平的不断进步而快速发展，一般行业内比较认同将黑匣子从诞生到眼下发展分为四代：
第一代黑匣子：诞生于上世纪50年代初，是在飞机设计试飞记录设备的基础上改进而来的，其工作原理为通过在金属箔带上用针留下划痕来反映数据变化曲线，仅能记录航向、高度、空速、垂直过载和时间等5个飞行参数。
第二代黑匣子：出现于上世纪50年代末，其工作原理类似于普通磁带机，但在磁带机外面加装了具有抗冲击、耐火烧等能力的保护外壳，按照美国联邦航空局当时颁布的第一个黑匣子标准TSO-C51，要求黑匣子能够承受100g（重力加速度）、持续11ms的冲击，以及1100℃、30分钟的火烧。1966年标准更新为TSO-C51a，将抗强冲击指标提高到1000g，并增加了抗穿透、静态挤压、耐海水浸泡、耐腐蚀液体浸泡等要求。第二代黑匣子一般可以记录几十个参数，并同时出现了座舱音频记录器。
第三代黑匣子：出现于上世纪90年代。随着微电子技术的突飞猛进，黑匣子开始采用半导体存储器记录数据，随着对飞机坠毁时黑匣子破坏情况的不断深入认识，黑匣子的抗坠毁能力标准更新为TSO-C124，抗强冲击指标提高到3400g，1100℃高温火烧时间提高到60分钟，耐海水浸泡时间由36小时增加到30天，增加了耐6000米深海压力要求。1996年，美国联邦航空局发布了TSO-C124a标准，增加了抗260℃、10小时的火烧要求。第三代黑匣子记录参数一般在几百个，功能已从飞行事故调查，逐渐延伸到日常飞行员监控、飞机故障诊断与维护。
新一代黑匣子可以记录视频信息，记录的参数数量也多达几千个，并且能够通过卫星等数据链定期传输黑匣子的关键数据。但由于通讯带宽和信号盲点以及气象环境等影响，数据实时传输方式无法完全取代传统黑匣子的作用。此外，新型抛放式黑匣子也已经出现，它能够在飞机坠毁时自动与机体分离，并具备水上漂浮和无线电、卫星定位功能。
历史由来
黑匣子是一位澳大利亚工程师在1958年发明的。1908年，美国发生了第一起军用飞机事故。此后，随着飞行事故不断发生，需要有一种追忆事故发生过程原因的仪器。二战期间，飞行记录装备仪器在军用飞机上应用，后来又用到民航飞机上。飞行记录仪之所以被称为“黑匣子”可追溯到1954年，当时飞机内所有的电子仪器都是放置在大小、形状都统一的黑色方盒里。
由于现代电子技术飞速发展，对于飞机而言，人们开始主张直接通过向地面无线传输数据信号并记录，而不再使用飞行记录仪，因此今后黑匣子的名字将回到地面。例如汽车数据黑匣子。1987年，挪威上空一架军用飞机发生爆炸，飞机坠毁，飞行员身亡。挪威当局赶到出事现场，从飞机残骸和飞行员的尸体中，辨认出这是一架前苏联的军用侦察机。挪威向前苏联提出抗议，前苏联矢口否认。后来，挪威找到了飞机上的黑匣子，从黑匣子记录的数据进行分析，揭露了真相。前苏联在铁的证据面前只好认错。
信息记录
怀特兄弟公司曾第一次使用L-3通讯公司的这种黑匣子仪器来记录飞机螺旋桨的旋转。然而，直到第二次世界大战以后，航空记录仪才得到更为广泛的使用。从那以后，为得到更多的关于飞机工作的信息，黑匣子的记录媒介得到了很大发展。大多数的飞机黑匣子使用两种记录媒介，一种是磁带，发明于20世纪60年代；另一种是电晶存储板，发明于90年代。磁带工作起来就像是磁带录音机。聚酯薄膜磁带牵引电磁头，磁头在磁带上记录数据。由于航空公司开始全面转向电子技术，黑匣子制造商已不再制造磁带记录仪。
黑匣子制造商Honeywell的发言人Ron Crotty表示，电子记录仪的可靠性要远远高于磁带记录仪。电子记录仪使用堆叠排列的内存芯片，所以它们没有任何的可移动装置，这样也就减少了日常的维护工作和事故发生过程中突然中断的几率。
CVR和FDR采集的数据都记录在坠毁生存记忆单元（CSMU）中的堆叠内存片中。根据L-3通讯公司制造的记录仪，CSMU呈圆柱体。堆叠内存片直径大约1.75 英寸(4.45cm)，高1英寸(2.54cm)。
内存片具有足够的数字存储空间来记录CVR提供的2小时的音频信息和FDR提供的25小时的飞行数据。
飞机上安装了采集数据的传感器。这些传感器探测飞机的加速度、空速、海拔高度、机翼设置、外界温度、机舱温度和压力、发动机性能等等。磁带记录仪可以追踪大约100个参数，而电子记录仪则可以记录更大的飞机上超过700个参数。
所有这些传感器采集来的数据都被送到飞机前端的飞行数据获取单元（FDAU）。这一仪器常常安放在驾驶员座舱下的电子设备隔离舱中。飞行数据获取单元在整个数据记录过程中起到中间管理者的作用，也就是从传感器获取信息，然后送往黑匣子。
黑匣子一般由一到两个从发动机引擎获取能源的动力发生器驱动。一个是28伏特的直流电源，另一个是115伏特、400赫兹的交流电源。L-3通讯公司的工程主管Frank Doran表示，这些都是标准的飞机电源配置。
记录仪器
CVR
座舱话音记录仪（CVR）实际上就是一个无线电通话记录器，可以记录飞机上的各种通话。这一仪器上的4条音轨分别记录飞行员与地面指挥机构的通话，正、副驾驶员之间的对话，机长、空中小姐对乘客的讲话．威胁、爆炸、发动机声音异常，以及驾驶舱内各种声音。黑匣子能够向调查者提供飞机出事故前各系统的运转情况。因为空难发生在短暂的瞬间，有时飞行员和全部乘务员同时遇难，调查事故的原因会有很大困难，座舱语言记录仪能帮助人们根据机上人员的各种对话分析事故原因，以便对事故作出正确的结论。
座舱话音记录器主要记录机组人员和地面人员的通话、机组人员之间的对话以及驾驶舱内出现的各种声音（包括飞机发动机的运转声音）等。它的工作原理类似普通磁带录音机，磁带周而复始运行不停地洗旧录新，总是录留下最后半小时的各种声音。一次飞行通常要经历8个阶段（起飞、初始爬升、爬升、巡航、下降、开始进场、最后进场、着陆），每一阶段的情况，都逃不过黑匣子的“耳朵”。
FDR
飞行数据记录仪（FDR）主要记录飞机的各种飞行数据，包括飞行姿态、飞行轨迹（航迹）、飞行速度、加速度、经纬度、航向以及作用在飞机上的各种外力，如阻力、升力、推力等，共约200多种数据，可保留20多小时的飞行参数。超过这个时间，数据记录仪就自动吐故纳新，旧数据被新数据覆盖。
飞行数据记录仪可以向人们提供飞机失事瞬间和失事前一段时间里，飞机的飞行状况、机上设备的工作情况等。它能将飞机的高度、速度、航向、爬升率、下降率、加速情况、耗油量、起落架放收、格林威治时间，还有飞机系统工作状况和发动机工作参数等飞行参数都记录下来。
记录飞机系统的运转数据。传感器从不同的区域连接到飞行数据获取单元，再连接到FDR。当一个开关动作时，都将被FDR记录下来。电子记录仪由于数据传输快，从而比磁带记录仪记录更多的参数。电子FDR可以记录25小时的飞行数据。每一个FDR记录的附加参数都可能提供调查员们事故的更多的线索。
在美国，联邦航空管理局（FAA）要求商用航空公司根据飞机的大小，至少记录11-29种参数。磁带记录仪可以记录100个参数，而电子记录仪可以记录超过700个参数。1997年7月17日，FAA出版了联邦标准，标准要求在2002年8月19日以后制造的飞机至少要记录88个参数。
功能应用
按照黑匣子的用途，它被形象地称为“法官”、“教官”和“医生”。所谓法官，是基于飞行事故调查的用途，事故发生后通过找回黑匣子，对数据译码分析，可以判定事故真正原因，避免同类事故再次发生；所谓教官，是指在飞行员监控方面的功能，通过日常分析黑匣子的数据，纠正飞行员不良驾驶习惯，预防事故发生；所谓医生，则是在飞机故障诊断与维护方面的作用，通过对黑匣子数据进行日常分析，监控、预测飞机主要部件的健康状态，排查故障隐患，防止故障发展为事故。
为了事故调查时获取客观、全面的信息，黑匣子记录数据的种类和数量不断增加。数据种类从最初的飞行、音频数据，拓展到了视频和数据链数据；参数数量从最初的五个逐步发展到几百个甚至上千个。飞行数据一般包括飞机和发动机运行状态、飞行员操纵情况、飞机外部信息等；音频数据一般包括正、副驾驶员的通话、飞机与地面的通话、机组之间的通话以及驾驶舱环境声音等；视频数据一般包括驾驶舱仪表显示、飞行员动作、飞机前方视景、起落架收放状态等。通过专用数据回放软件，可用黑匣子数据直观真实地再现飞机飞行过程，自动分析飞机可能存在的故障隐患和人员操作异常，预防故障或事故发生，极大地提高了航空飞行安全水平。
标准制定
纵观黑匣子几十年来的发展历程，其国际标准更新和产品换代，总是在汲取每起事故调查经验和教训的基础上不断进步的。2009年法航事故和2014年马航事故，已经暴露出海上航空事故后应急定位功能缺失、传统黑匣子定位和打捞技术手段不足、周期长、耗资巨大等问题。黑匣子如何满足类似事故救援和调查的需要，成为当前行业内研究的重要课题。在2012年召开的国际民航组织会议上，飞行记录器专家组建议在长距离跨海运营的飞机上安装具有应急定位功能的抛放式黑匣子。相关适航标准已经颁布，国际主要民机制造商已启动实施该项工作。
安装位置
黑匣子通常安装在机尾。因为，科学家通过对多起飞行事故分析，发现飞行器的机尾部分不容易损坏，所以黑匣子安装在这里。
保存方法
在大多数的空难中，可以保存下来的装置是飞行数据记录仪和座舱声音记录仪的坠毁生存记录单元（CSMU）。通常的，记录仪底盘和内部装置的其它部分都被撕裂了。CSMU是紧固在记录仪的平台部分的一个巨大的圆柱体。这种装置能够承受很高的压力，非常大的撞击和成吨的压力。在老式的磁带记录仪中，CSMU安放在一个长方形的匣子中。
电子黑匣子的CSMU使用三层材料将存储数字信息的内存片隔离和保存起来。下面我们来讨论一下，先来从内到外看一下保护内存的材料。
铝壳，环绕内存卡有一铝薄层。高温绝缘体，1英寸（2.54cm）的干石英材料提供高温保护。其保护内存片防止事故后的火灾。不锈钢外壳，高温绝缘体安放在0.25英(0.64cm)厚的不锈钢外壳中，通常用钛合金制成。
为了确保黑匣子的质量和生存能力，制造厂商对CSMU进行了彻底的测试。记住，在空难中只有CSMU可以生存下来——如果事故调查员能够得到它，就可以获得他们所希望得到的信息。为了测试CSMU，工程师们将数据存储于CSMU的内存中。L-3通讯公司使用随机模型将数据存储于每一块内存片中。这一模型可以由读出器读出以确定在坠毁后的冲击，火灾和压力下数据是否被损坏。
水下信标
除了颜料和反射条带外，记录仪还装备了水下信标（ULB）。在盒体的一端有一个小的，圆柱体的物体。它看起来是黑匣子把手的两倍大，实际上它就是信标。
当飞机坠入水中时，信标开始发送人耳听不到的超声波脉冲，这种脉冲可以被声纳和声学定位仪探测到。在信标的一端有像公牛眼一样的水下传感器。当水接触到传感器，信标就会被激活而发出超声波脉冲。
信标通常发送37.5kHz的脉冲信号，并能从深为14000英尺（4267m）的水下传递声音。一旦信标开始工作，它会每秒发送一次信号并持续30天。信标由可以连续工作6年的电池驱动。在十分罕见的情况下，信标才可能被强大的力量冲击而折断。
在美国，当事故调查员们找到黑匣子后，它被立即送到NTSB的计算机实验室中。为了避免对记录媒介的任何损坏，在运输过程中这种装置受到特殊的保护。在发生水下事故时，记录仪会被保存在冷水中以防止烘干。
“所作的一切都是为了保存记录仪的状态直到其被妥善的处理，”Daron说，“把记录仪放置在一桶水中，通常是冷水，也就是保持黑匣子被找到的地方的环境，直到被送达可以充分分析黑匣子的地方。”
中国研发
中国的飞机黑匣子技术虽然起步较晚，但紧跟国际民航标准，产品发展也历经了四代。中国已经建有国家级飞机黑匣子坠毁防护性能验证试验室，1978年研制了中国第一台磁带式黑匣子；1990年研制出了中国第一台采用半导体记录介质的黑匣子；1991年取得中国第一个机载设备适航证；2000年成功研制了紧跟TSO-C124a标准的黑匣子；2012年成功研制了抗飞机高速坠毁的黑匣子，超出TSO-C124b标准要求。研发的新型抛放式黑匣子，具备水上漂浮、无线电和卫星定位功能。
中国在抛放式黑匣子领域紧跟国际发展。根据最新国际标准，已研制出相关产品，具备坠毁前抛放功能，离机后能抗一定的冲击和火烧，具有漂浮功能，内部装有无线电定位信标、北斗卫星定位信标，可在复杂海况下工作。特别是内置的北斗卫星定位信标，可以坠毁后立即定位，性能优于通用的国际救援卫星系统，后者有平均1小时的定位延迟时间，还可以通过短报文功能直接向地面指挥中心发送报警和定位数据，以便第一时间准确定位和搜救打捞，提高了事故救援效率，缩短了事故调查时间。该系统的北斗短报文功能也可配置为正常飞行过程中飞机关键信息的定期报告。