黑匣子

王潔

摘 要：在世界各國民航條例的強(qiáng)制下，無論是貨運(yùn)飛機(jī)、客運(yùn)飛機(jī)、還是直升飛機(jī)都必須安裝飛行數(shù)據(jù)記錄器（F1ight Data Recorder簡稱FDR，即通常所說的“黑匣子”），其主要用于飛機(jī)的日常飛行訓(xùn)練，考核飛行員駕駛水平，監(jiān)控各個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，更主要的目的是用于對事故原因進(jìn)行分析。本文主要對飛行數(shù)據(jù)記錄器的功能，發(fā)展歷程、搜尋技術(shù)以及未來的發(fā)展趨勢等方面進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：黑匣子；水下定位信標(biāo)；拋放式；ACARS；北斗導(dǎo)航系統(tǒng)

自20世紀(jì)初飛機(jī)誕生以來，世界航空業(yè)已取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展?？稍谶@個過程中，飛行事故也一直伴隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展。每一次事故或者空難，人類付出的代價是慘痛的。因此在事故發(fā)生后，對事故原因進(jìn)行調(diào)查就顯得極其必要。通過對飛行事故進(jìn)行調(diào)查和分析，可以暴露飛機(jī)在設(shè)計、制造、使用、管理等方面存在的缺陷，避免同類事故再次發(fā)生，并且可以促使航空技術(shù)的不斷改進(jìn)和管理工作的進(jìn)步，進(jìn)而推動航空科技水平的持續(xù)發(fā)展和安全性水平的提高。可是造成事故或空難的原因，往往是很難找到的。人們希望有一種設(shè)備能夠?qū)崟r記錄飛行器在飛行過程中、事故發(fā)生前的一段時間乃至事故發(fā)生的時刻某些飛行技術(shù)數(shù)據(jù)，為事故調(diào)查提供科學(xué)的依據(jù)和參考價值。因此，一個被稱作“黑匣子”的儀器誕生了。

1 功能介紹

“黑匣子” 由飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)（Flight Data Recorder System， 簡稱FDRS）和座艙音頻記錄系統(tǒng)（Cockpit Voice Recorder ，簡稱CVR）組成，簡稱為“飛參”。因?yàn)樵谝恍┦鹿手杏涗浧鹘?jīng)過火燒后變成了黑色，且事故的記錄器存儲的數(shù)據(jù)非常關(guān)鍵和神秘，所以人們將飛參記錄器稱為“黑匣子”。而橙色是電磁波的可視光部分中長波部分，波長大約為590-610nm，易于被人類的肉眼識別，且一些大型海洋生物對橙色較敏感，不易對其產(chǎn)生攻擊，因此“飛參”被設(shè)計為橙色。為了方便夜間搜尋，其表面還往往貼有反光標(biāo)識。

1.1 座艙話音記錄儀

話音的記錄是通過座艙話音記錄儀（CVR）實(shí)現(xiàn)的。它類似于一個無線電通話記錄器，可以記錄飛機(jī)上的各種通話，目前的記錄時間為兩個小時。這一儀器上的4條音軌分別記錄飛行員與地面指揮機(jī)構(gòu)的通話，正、副駕駛員之間的對話，機(jī)長、空中小姐對乘客的講話.以及駕駛艙內(nèi)的各種聲音。由于空難一般發(fā)生在短暫的瞬間，有時飛行員和全部乘務(wù)員同時遇難，調(diào)查事故的原因會有很大困難，而CVR能幫助人們根據(jù)機(jī)上人員的各種對話分析事故原因，以便對事故作出正確的結(jié)論。

1.2 飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)

飛行數(shù)據(jù)的記錄通過與飛機(jī)各機(jī)械部位和電子儀器儀表都裝有傳感器相連的飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)（FDRS）來實(shí)現(xiàn)。它可以將飛行高度、速度、航向、爬升率、下降率、加速情況、耗油量、起落架放收、格林尼治時間、還有飛機(jī)系統(tǒng)工作狀況和發(fā)動機(jī)工作參數(shù)等飛行參數(shù)都記錄下來，并且這些數(shù)據(jù)可被保留25個小時。當(dāng)超過這個時間時，數(shù)據(jù)記錄儀就自動吐故納新，舊數(shù)據(jù)被新數(shù)據(jù)覆蓋。當(dāng)需要時可以把所記錄的內(nèi)容進(jìn)行解碼。

由于黑匣子在記錄信息時采用的是循環(huán)記錄的方式，一旦達(dá)到存儲容限，之前記錄的信息就會被沖刷掉。為防止飛機(jī)在遭遇事故后，黑匣子繼續(xù)記錄無效的數(shù)據(jù)和語音信息，造成有效信息被沖洗掉。它在設(shè)計時與飛機(jī)發(fā)動機(jī)相連，當(dāng)最后一臺發(fā)動機(jī)關(guān)車10分鐘后，它就立即停止工作，但在空中時，若雙發(fā)同時停車，它仍然能夠正常的記錄數(shù)據(jù)和語音信息。

1.3 安裝位置

黑匣子作為一種事關(guān)飛行安全的重要航空電子設(shè)備，具有抗強(qiáng)沖擊、抗穿透、抗高溫火燒、抗深海壓力、耐海水浸泡、耐腐蝕性液體浸泡等特種防護(hù)能力，能在各種飛機(jī)事故中保存其內(nèi)部存儲的信息。為了使飛機(jī)墜毀時對其的破壞降到最低，一般來說，飛行數(shù)據(jù)黑匣子安裝在飛機(jī)尾部。為了更好的采集和記錄語音信號，座艙音頻黑匣子安裝在飛機(jī)前部?！昂谙蛔印边B接飛機(jī)應(yīng)急供電電源，確保其能工作到最后時刻。

2 發(fā)展概況及工作原理

黑匣子伴隨著飛行安全的迫切需求以及飛機(jī)制造水平的不斷進(jìn)步而快速發(fā)展，在上世紀(jì)50年代初，經(jīng)過對飛機(jī)設(shè)計試飛記錄設(shè)備的改裝，第一代黑匣子誕生了，其通過在金屬箔帶上用針留下劃痕來反映數(shù)據(jù)變化曲線，僅能記錄航向、高度、空速、垂直過載和時間等5個飛行參數(shù)。在上世紀(jì)50年代末，出現(xiàn)了類似于普通磁帶機(jī)的黑匣子，為了保障數(shù)據(jù)的安全性，在磁帶機(jī)外面加裝了具有抗沖擊、耐火燒等能力的保護(hù)外殼，黑匣子一般可以記錄幾十個參數(shù)，與此同時還出現(xiàn)了座艙音頻記錄器，使其在記錄數(shù)據(jù)的同時也能夠采集音頻信息。

隨著微電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，從上世紀(jì)90年代起，黑匣子開始采用半導(dǎo)體存儲器記錄數(shù)據(jù)，其記錄參數(shù)也上升到了幾百個，功能已從飛行事故調(diào)查，逐漸延伸到日常飛行員監(jiān)控、飛機(jī)故障診斷與維護(hù)等方面。相比于磁帶機(jī)式的記錄方式，半導(dǎo)體存儲器對數(shù)據(jù)和信息的保護(hù)力更強(qiáng)。

航空事業(yè)的不斷進(jìn)步也帶動著黑匣子的發(fā)展，新一代黑匣子可以記錄視頻信息，記錄的參數(shù)數(shù)量也多達(dá)幾千個，并且能夠通過衛(wèi)星等數(shù)據(jù)鏈定期傳輸黑匣子的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。但由于通訊帶寬和信號盲點(diǎn)以及氣象環(huán)境等影響，數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸方式無法完全取代傳統(tǒng)黑匣子的作用。

3 記錄儀搜尋

3.1 地面搜尋

為了高效的對事故原因進(jìn)行調(diào)查，事故發(fā)生后的第一步就是回收記錄儀。此時飛行事故調(diào)查中心會派出飛行記錄儀專家與調(diào)查組一起去現(xiàn)場，這樣有助于隨后的記錄數(shù)據(jù)分析與保護(hù)。到了現(xiàn)場查看殘骸，找到記錄儀并將其取回。若記錄儀已從飛機(jī)上甩出，則需要根據(jù)飛機(jī)接地姿態(tài)，推導(dǎo)出飛機(jī)在碰撞過程中的運(yùn)動，通過分析事故航跡圖，事故現(xiàn)場圖和殘骸分布圖大致確定黑匣子的具體位置，黑匣子外表明亮、獨(dú)特的顏色和反光標(biāo)識使搜尋難度大大減小。若黑匣子墜入地下，則應(yīng)備好除積水和流沙的工具設(shè)備，分層挖掘并詳細(xì)記錄殘骸分布的位置及破壞情況。在找到黑匣子后，應(yīng)注意不能現(xiàn)場拆卸，因?yàn)橛涗泝x在遭受撞擊后，其內(nèi)部機(jī)件可能變形，若操作不當(dāng)可能會導(dǎo)致記錄數(shù)據(jù)被損壞。

3.2 水中搜尋

根據(jù)空氣動力學(xué)的原理，飛行升力的獲得主要依靠機(jī)翼上下表面的靜壓差，且飛機(jī)上升，偏航，滾轉(zhuǎn)等姿態(tài)的實(shí)現(xiàn)也是通過舵面的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。而海洋上空氣流不穩(wěn)定，且惡劣天氣情況較多，而此時又沒有可以使飛機(jī)降落的跑道，若飛機(jī)失去控制，唯一的后果就是墜洋。

當(dāng)墜洋事件發(fā)生后，事件調(diào)查組會對飛機(jī)殘骸進(jìn)行打撈，此時對于黑匣子的打撈是工作的重中之重。相比于地面回收，水中回收難度加大許多。黑匣子在水下定位主要依靠水下定位信標(biāo)（Underwater Locator Beacon 簡稱ULB）。它是一個電池供電的水下超聲波脈沖發(fā)生器，牢固地安裝在黑匣子外部。一旦黑匣子入水，信標(biāo)上的水敏開關(guān)啟動信標(biāo)工作，通過信標(biāo)的金屬外殼把頻率為37.5kHz的超聲波信號發(fā)射到周圍水域，每秒一個脈沖。當(dāng)水下定位信標(biāo)發(fā)出信號時，可以通過專用聲吶探測儀進(jìn)行定位。由于信標(biāo)信號的可探測范圍相對于大海而言極其有限，一般先要進(jìn)行殘骸大致范圍定位，然后再通過拖曳式聲吶縮小定位范圍，最后再使用可以定位信號來源方向的水聽器，定位黑匣子的方位。此種水下信標(biāo)可以在6096米的深度內(nèi)發(fā)出超聲波，但信號必須在距離信標(biāo)1800—3600米的范圍內(nèi)才能夠被儀器探測到，且海水的狀態(tài)、周圍的船只、海洋動物、石油管道以及其他因素造成的周圍噪音都會影響信標(biāo)的被探測范圍。由于電池容量有限，其一般只能連續(xù)工作30天，30天后隨著電量逐漸耗盡，超聲波信號將越來越微弱直至停止工作。當(dāng)信號發(fā)生器停止工作后，對黑匣子的搜尋無異于大海撈針。不過隨著航空儀表設(shè)備技術(shù)的不斷發(fā)展，蓄電量更大的黑匣子將在不久的將來誕生，而這也為高難度的水下搜尋爭取了更多的時間。

如果黑匣子沉入淺海，可由潛水員進(jìn)行打撈。當(dāng)黑匣子沉入深海，且超過人工潛水深度時，則需要使用專門的搜索、打撈設(shè)備，一般可使用輪船放下水下線控機(jī)器人，操作人員在船上通過綜合顯示控制臺，控制機(jī)器人攜帶的海底聲吶掃描設(shè)備、信標(biāo)方位定位器、深海攝像頭定位黑匣子，通過機(jī)械手打撈黑匣子。

4 黑匣子的未來

黑匣子雖帶有水下定位信標(biāo)，但由于信標(biāo)作用距離僅為幾千米，墜毀時可能與黑匣子分離，且電量有限，一旦定位信號消失，將很難對黑匣子進(jìn)行定位。即使定位成功，深海打撈也存在難度大、時間長、費(fèi)用高，甚至無法打撈等問題。據(jù)統(tǒng)計，1970—2009年，大型民用航空器在公海墜毀的36起事故中有4起未找到飛機(jī)殘骸、9起未找到黑匣子，反映出水下定位信標(biāo)定位方式存在一定的局限性。

除了黑匣子能夠在飛機(jī)事故后發(fā)出定位信號，民航規(guī)章要求載客19人以上的飛機(jī)必須至少裝備一臺應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)（Emergency Locator Transmitter，簡稱ELT），其在事故后通過無線電和衛(wèi)星方式發(fā)送定位信號。但如果在水面失事時幸存人員來不及攜帶和打開ELT，或ELT與殘骸一同沉入水下，其就會失去作用。

4.1 “拋放式”黑匣子

為了解決發(fā)生水上事故后定位打撈黑匣子困難以及陸地事故后黑匣子存活率達(dá)不到100%的難題，拋放式黑匣子應(yīng)運(yùn)而生。此類黑匣子可通過其墜毀感知傳感器監(jiān)控飛機(jī)事故時觸地或墜海瞬間的特征參數(shù)異常變化，迅速控制其與機(jī)體拋放分離，原理與汽車在撞擊瞬間釋放安全氣囊相似。黑匣子在事故瞬間離機(jī)后，如果落在陸地，可避免機(jī)體殘骸的沖擊和火燒等破壞；如果落在海上，可避免隨機(jī)體墜入海底，其設(shè)計還可保證以預(yù)定的姿態(tài)漂浮在海面上。之后，黑匣子通過無線電和衛(wèi)星自動發(fā)送定位信號。定位拋放黑匣子的過程首先是通過搜救衛(wèi)星406MHz頻率初步確定搜尋范圍，然后再通過121.5MHz頻率的無線電定位儀完成定位，衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)全球定位，無線電定位范圍通常為幾十到幾百千米。由于具有以上特點(diǎn)，拋放式黑匣子不但便于事故后搜尋和打撈，同時可作為傳統(tǒng)黑匣子的備份提高數(shù)據(jù)存活率。

4.2 飛機(jī)通信尋址報告系統(tǒng)

黑匣子雖然能為飛行事故調(diào)查提供一定的幫助，但其仍然存在很多問題。若飛機(jī)失事在大洋中脊海底山脈兩側(cè)，此時兩邊都是海底懸崖，平均水深4000米，接近黑匣子的極限，如果這種情況下信標(biāo)發(fā)射器與數(shù)據(jù)記錄部分分離，很可能只找回信標(biāo)，而記錄數(shù)據(jù)的部分落入更深的海底。即使存在拋放式黑匣子，也不能保證在海洋上順利找到黑匣子。嚴(yán)峻的打撈環(huán)境加上監(jiān)聽信標(biāo)信號、磁羅盤定位都存在較大的誤差，因此尋找黑匣子終究不是個辦法，需要有替代的方案。

目前已經(jīng)有一些方案可用于替代黑匣子，比如使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與飛參系統(tǒng)連接，可實(shí)時監(jiān)控每架客機(jī)的飛行狀態(tài)，客機(jī)的飛行參數(shù)會上傳給衛(wèi)星，地面能做到對客機(jī)了如指掌，如目前空客A380上所使用的飛機(jī)通信尋址報告系統(tǒng)（Aircraft Communication Addressing and Reporting System，簡稱ACARS）可將飛機(jī)與地面控制中心通過數(shù)據(jù)鏈連接起來，并自動發(fā)送故障報告。它的主要構(gòu)成是一個航電計算機(jī)和控制單元。航電計算機(jī)的任務(wù)就是與地面建立連接，通過甚高頻傳輸飛行參數(shù)。要想實(shí)現(xiàn)地空雙向數(shù)據(jù)暢通，還需要一個數(shù)據(jù)鏈的供應(yīng)商，這樣地面就可以獲得來自飛機(jī)通信尋址報告系統(tǒng)的下行參數(shù)，其中包括飛機(jī)位置、目前的飛行狀態(tài)、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，甚至是否存在故障都可以了解。同時，航空公司的地勤在獲得來ACARS的飛參后，可以提前給出診斷建議和方法，這就提高了飛機(jī)故障的及時排除效率，目前一些民航客機(jī)的地勤需要等飛機(jī)降落后到飛機(jī)上去獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，顯然ACARS將整個系統(tǒng)的工作效率都提升了。此外，ACARS系統(tǒng)可以對飛行軌跡進(jìn)行辨別，對于異常的飛行軌跡可以做出警告，使得客機(jī)的動態(tài)得到更多的健康管理。

4.3 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)

當(dāng)然ACARS系統(tǒng)并非神乎其神，其在實(shí)際應(yīng)用中也遇到過問題，比如下傳位置信息過于頻繁，一般情況下10分鐘左右下傳一次位置信息，故障時幾秒鐘就有一次，這就會造成地面出現(xiàn)數(shù)據(jù)堆積，從這一情況可以看出，ACARS系統(tǒng)還存在一些需要改進(jìn)的地方，這也是沒有進(jìn)行大規(guī)模推廣的原因之一。

除了ACARS系統(tǒng)外，還可以使用全球定位系統(tǒng)技術(shù)來尋找黑匣子，鑒于GPS不具備雙向報文通信的特點(diǎn)，因此可以嵌入北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，可有效對高亞音速空中飛行目標(biāo)進(jìn)行定位捕獲，未來動態(tài)響應(yīng)速度接近2倍音速，因此建立在此基礎(chǔ)上的黑匣子已經(jīng)具備了取代傳統(tǒng)黑匣子的能力。目前我國正大力發(fā)展北斗全球定位系統(tǒng)，推出可以使用GPS和北斗兩種導(dǎo)航定位手段的黑匣子。

5 結(jié)語

黑匣子在空難事故調(diào)查中扮演著重要作用，但由于搜索、打撈的過程難度較大，有些時候即便找到黑匣子也因?yàn)槠鋼p壞而失去了使用價值，因此尋找一種成熟、可承受的飛參記錄數(shù)據(jù)系統(tǒng)是未來的發(fā)展方向。

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