黑匣子：飛行事故的“見證者”

沈臻懿

近期以來，復(fù)興航空GE235、亞航QZ8501、馬航MH17、MH370等航班頻頻發(fā)生的航空器失事事件，令世人為之欷歔不已。通常情形下，空難事故一旦發(fā)生后，航空器往往即會(huì)解體，甚至被烈火所燒毀。人們?cè)谮s到空難現(xiàn)場(chǎng)積極展開援救的同時(shí)，亦從第一時(shí)間起開始搜尋航班上一件極為重要的物證，這就是被稱為航空器飛行事故“見證者”的“黑匣子”。這一重要物證的存在，不僅可以為空難調(diào)查人員提供關(guān)鍵證據(jù)，亦可幫助其了解飛行事故的真相。

搜尋亞航“黑匣子”

2014年12月28日上午7時(shí)17分，亞洲航空公司一架航班號(hào)為QZ8501的客機(jī)，自印度尼西亞飛往新加坡的途中失去聯(lián)系。失聯(lián)事件發(fā)生后，印度尼西亞、新加坡、馬來西亞、澳大利亞等國(guó)相繼派出船只、飛機(jī)與人員前往失聯(lián)區(qū)域進(jìn)行搜救。12月30日，多國(guó)搜救隊(duì)伍在失聯(lián)相關(guān)海域發(fā)現(xiàn)首批遺體與客機(jī)殘骸，確認(rèn)了亞航QZ8501航班在印尼爪哇海域墜毀的事件。搜救船只、飛機(jī)在持續(xù)搜索遇難者遺體與客機(jī)殘骸的同時(shí)，亦在第一時(shí)間啟動(dòng)了對(duì)于客機(jī)“黑匣子”的搜尋與打撈工作。

2015年1月11日，印尼三艘參與搜救的船只在距離發(fā)現(xiàn)失事客機(jī)尾翼海域大約3.5公里的海底探測(cè)到兩個(gè)從不同方位所發(fā)出的脈沖信號(hào)。印尼交通部隨后發(fā)表的一份聲明中稱，根據(jù)探測(cè)到的信號(hào)源，亞航失事客機(jī)的“黑匣子”已鎖定，其位于東經(jīng)109度42分42秒、南緯3度37分21秒的海域。1月12日上午7點(diǎn)11分，搜救人員打撈出了亞航QZ8501失事航班的第一個(gè)“黑匣子”，即客機(jī)飛行數(shù)據(jù)記錄儀。印尼搜救行動(dòng)協(xié)調(diào)中心負(fù)責(zé)人稱，第一個(gè)打撈出水的“黑匣子”狀況較佳，且沒有損壞。與此同時(shí)，該負(fù)責(zé)人亦表示，失事客機(jī)的第二個(gè)“黑匣子”也已鎖定，其距離第一個(gè)“黑匣子”位置不遠(yuǎn)，并被壓在一塊機(jī)翼的殘骸之下。1月13日，印尼搜救人員再次打撈出了亞航QZ8501失事航班的第二個(gè)“黑匣子”，即客機(jī)駕駛艙話音記錄器。由此，失事客機(jī)的兩個(gè)“黑匣子”均被發(fā)現(xiàn)并成功打撈。印尼國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)航空安全調(diào)查員桑多索表示，“黑匣子”一旦打撈出水后，將即刻送往雅加達(dá)予以數(shù)據(jù)檢測(cè)與分析，通常需兩周時(shí)間來對(duì)“黑匣子”的數(shù)據(jù)資料予以下載。若“黑匣子”損壞程度較輕的話，一般僅需兩天左右時(shí)間即可讀取“黑匣子”中記錄的飛行數(shù)據(jù)與駕駛艙對(duì)話語音?！昂谙蛔印眱?nèi)記錄的信息，可以為空難調(diào)查人員提供客機(jī)失事前一段時(shí)間以及失事瞬間的飛機(jī)飛行狀況、機(jī)上設(shè)備運(yùn)行情況以及駕駛艙內(nèi)機(jī)師對(duì)話內(nèi)容等，從而為客機(jī)失事原因的判斷提供重要依據(jù)。

“黑匣子”的前世今生

“黑匣子”（Black Box）作為飛行記錄儀的俗稱，已成為現(xiàn)代航空器的標(biāo)配電子設(shè)備之一。其雖名為“黑匣子”，但實(shí)際顏色卻為明亮的橘紅色，以強(qiáng)化其醒目程度且便于搜尋?！昂谙蛔印边@一俗稱的由來，最初源于1954年所提出的在航空器駕駛艙內(nèi)安裝聲音記錄器的設(shè)想。彼時(shí)航空器內(nèi)所有的電子設(shè)備均放置于大小、形狀完全統(tǒng)一的黑色方形盒內(nèi)。而作為聲音記錄器的設(shè)備則安置于最為堅(jiān)固的一個(gè)黑色方盒中。上世紀(jì)60年代起，為了便于搜尋與發(fā)現(xiàn)空難現(xiàn)場(chǎng)中的“黑匣子”，世界上幾乎每一家航空公司都使用了涂成橘紅色的飛行記錄儀。一旦客機(jī)不幸失事后，外觀醒目的“黑匣子”即相對(duì)容易被發(fā)現(xiàn)。此外，部分“黑匣子”的外殼表面還會(huì)標(biāo)注“FLIGHT RECORDER， DO NOT OPEN”（飛行記錄儀，不能打開）的字樣，并粘貼有反光標(biāo)識(shí)，以增加其在夜間被尋獲的幾率。

隨著航空器制造水準(zhǔn)的不斷提升以及對(duì)于飛行安全的迫切需求，“黑匣子”從誕生至今，亦經(jīng)歷著數(shù)次的更新?lián)Q代。20世紀(jì)50年代初所誕生的第一代 “黑匣子”，系在航空器試飛記錄設(shè)備的基礎(chǔ)上所研發(fā)的。其主要依靠針頭在金屬箔上所刻畫的痕跡來顯示數(shù)據(jù)曲線，通常僅能記錄為數(shù)不多的飛行基本參數(shù)。至上世紀(jì)50年代末至60年代初，經(jīng)過更新后的第二代“黑匣子”，主要借助于磁帶機(jī)工作原理，并在機(jī)器外側(cè)加裝了具有耐火、耐撞的保護(hù)外罩。同時(shí)，第二代“黑匣子”已能滿足抗靜態(tài)擠壓、抗穿透、耐海水以及腐蝕液體浸泡的要求。在具體功能上，第二代“黑匣子”中出現(xiàn)了駕駛艙話音記錄器，且記錄的飛行參數(shù)也增加至了數(shù)十個(gè)。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，上世紀(jì)90年代起誕生了第三代的“黑匣子”。其采用半導(dǎo)體材料來作為數(shù)據(jù)記錄的儲(chǔ)存設(shè)備，所記錄的參數(shù)已上升至數(shù)百個(gè)，且功能已從單純的飛行事故調(diào)查，外延至日常飛行監(jiān)控以及飛行維護(hù)與故障診斷。隨著對(duì)于航空器墜毀時(shí)“黑匣子”破壞情形研究的不斷深入，第三代“黑匣子”的抗強(qiáng)沖擊指標(biāo)已提升至3400g重力加速度，而在1100攝氏度高溫下的耐火時(shí)間達(dá)到60分鐘，耐海水浸泡時(shí)間則為30天，且新增了耐6000米深海壓力標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，新一代的“黑匣子”也已出現(xiàn)，其不僅可以對(duì)視頻數(shù)據(jù)予以記錄，且記錄的參數(shù)也高達(dá)數(shù)千個(gè)，并能通過衛(wèi)星定期傳輸“黑匣子”的關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)。此外，新型“黑匣子”的拋放式功能，令其在航空器墜毀時(shí)能夠自動(dòng)與機(jī)體分離，且具備無線電、衛(wèi)星定位及水面漂浮功能，最大限度地提升了“黑匣子”的生存能力。

從現(xiàn)代“黑匣子”的工作原理而言，航空器在通電后，“黑匣子”即自動(dòng)開啟工作狀態(tài)，并不受人為影響與控制。其能夠?qū)崟r(shí)記錄航空器各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、飛行員對(duì)于航空器的操作情況以及航空器上相關(guān)音頻信息，且“黑匣子”記錄的數(shù)據(jù)信息不可刪節(jié)或更改。根據(jù)民航業(yè)要求，“黑匣子”所采集的實(shí)時(shí)信息，必須保存斷電前至少25小時(shí)以上的飛行數(shù)據(jù)以及最后2小時(shí)的音頻信息。因此，“黑匣子”是航空器失事后查明事故緣由最為科學(xué)、可靠且有效的方式。

現(xiàn)代“黑匣子”的組成

當(dāng)前客機(jī)上所安裝的“黑匣子”均由兩個(gè)設(shè)備所組成。其一為客機(jī)飛行數(shù)據(jù)記錄儀；另一個(gè)則為客機(jī)駕駛艙話音記錄器?？蜋C(jī)上所有電子儀器儀表以及各個(gè)機(jī)械部位均安裝有傳感器并與“黑匣子”相連。組成現(xiàn)代“黑匣子”的客機(jī)飛行數(shù)據(jù)記錄儀以及客機(jī)駕駛艙話音記錄器，能夠?qū)⒖蜋C(jī)失事墜毀或停止工作前兩小時(shí)的飛行航向、高度、速度、加速、耗油、爬升、下降、格林威治時(shí)間、客機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、發(fā)動(dòng)機(jī)工作數(shù)據(jù)等飛行參數(shù)以及前半小時(shí)的駕駛艙語音對(duì)話全部予以記錄，以供隨后分析事故之用。

飛行數(shù)據(jù)記錄儀

英語簡(jiǎn)稱為FDR的飛行數(shù)據(jù)記錄儀，主要用于記錄航空器的各種飛行數(shù)據(jù)。飛行數(shù)據(jù)記錄儀在開啟后，即在實(shí)時(shí)記錄飛行當(dāng)時(shí)的各類飛行參數(shù)，并可保留25小時(shí)，一旦飛行時(shí)間超過這一限度，數(shù)據(jù)記錄儀就會(huì)自動(dòng)予以更新，原先保留在內(nèi)的舊數(shù)據(jù)將被新數(shù)據(jù)所覆蓋。由于機(jī)上的各個(gè)儀器儀表與機(jī)械部位均安裝有傳感器。航空器在通電后，各項(xiàng)傳感器即從不同區(qū)域連接至飛行數(shù)據(jù)獲取單元，進(jìn)而再連接至飛行數(shù)據(jù)記錄儀。

駕駛艙話音記錄器

簡(jiǎn)稱為CVR的駕駛艙話音記錄器，其實(shí)則為一個(gè)無線電通話記錄器。利用這一設(shè)備，“黑匣子”可以對(duì)客機(jī)內(nèi)的各種通話予以實(shí)時(shí)記錄。駕駛艙話音記錄器所擁有的四條音軌，可分別對(duì)正、副駕駛員之間的對(duì)話、飛行員與地面指揮中心的通話、機(jī)長(zhǎng)、空姐對(duì)乘客的講話以及爆炸、威脅等各類異常聲音予以記錄。

駕駛艙話音記錄器的工作原理，類似于普通的磁帶錄音機(jī)，其內(nèi)部磁帶在周而復(fù)始的運(yùn)行過程中，舊的音頻內(nèi)容不斷被新的音頻內(nèi)容所取代。因而記錄器所保留的音頻，均為客機(jī)失事墜毀或停止工作前半小時(shí)的各種聲音。

通常情況下，每次飛行需經(jīng)歷起飛、初始爬升、爬升、巡航、下降、開始進(jìn)場(chǎng)、最后進(jìn)場(chǎng)以及著陸等八個(gè)階段。而每一個(gè)階段中所產(chǎn)生的各種聲音，均無法逃脫駕駛艙話音記錄器的“耳朵”。對(duì)于飛行事故而言，有時(shí)突如其來的空難令飛行員與全部乘務(wù)人員同時(shí)遇難。這對(duì)事故原因的調(diào)查與分析往往帶來極大困難。而駕駛艙話音記錄器的存在，能夠幫助調(diào)查人員根據(jù)機(jī)上人員的對(duì)話內(nèi)容，來分析事故原因，從而正確做出事故調(diào)查結(jié)論。

“黑匣子”的定位搜尋

通常情況下，作為飛行數(shù)據(jù)記錄儀的“黑匣子”安裝于飛機(jī)的尾部，這一安放位置能夠?qū)w機(jī)墜毀對(duì)“黑匣子”的毀損程度降至最低；而作為駕駛艙話音記錄器的“黑匣子”則安裝于飛機(jī)前部，其安放位置有利于音頻信號(hào)的采集與記錄。在設(shè)計(jì)構(gòu)造時(shí)，“黑匣子”直接與飛機(jī)應(yīng)急供電電源相連接，其能夠保障“黑匣子”正常工作至最后一刻。當(dāng)航空器不幸失事并墜毀時(shí)，存在于“黑匣子”內(nèi)的緊急定位發(fā)射器將向各個(gè)方向發(fā)出特定頻率，且類似于心跳般有節(jié)律的無線電信號(hào)。以此對(duì)外告知其所處的方位，并便于搜尋人員跟蹤無線電信號(hào)進(jìn)行尋找。

當(dāng)前，搜尋人員對(duì)于掉落在陸地上的“黑匣子”定位，主要依賴于人工目力搜索。當(dāng)搜尋人員發(fā)現(xiàn)并找到飛機(jī)殘骸后，其即利用“黑匣子”具有外表鮮明且?guī)в蟹垂鈽?biāo)識(shí)的特性進(jìn)行搜尋。不過，某些飛行事故發(fā)生后，飛機(jī)殘骸連同“黑匣子”往往墜毀于海域之中。在此情形下，對(duì)于“黑匣子”的水下定位與搜尋，則主要依靠水下定位信標(biāo)。其系一個(gè)安裝在“黑匣子”外部，且由電池供電的水下超聲波脈沖發(fā)射器。當(dāng)“黑匣子”墜入水面后，信標(biāo)上的開關(guān)即隨即開啟，并將頻率為37.5kHz的超聲波信號(hào)發(fā)射到水域四周。根據(jù)“黑匣子”的設(shè)計(jì)要求，定位信標(biāo)中的內(nèi)置電池可持續(xù)工作不少于30天。當(dāng)30天過后，信標(biāo)內(nèi)電池的電量將逐漸耗盡，超聲波信號(hào)也將趨于微弱直至停止發(fā)射。

通常，定位信標(biāo)可在6000米深的水下發(fā)出超聲波信號(hào)，并可在距信號(hào)1800米至3600米的范圍內(nèi)為探測(cè)儀器所感知。但附近的石油管道、海洋生物、往來船只、海水狀態(tài)以及其他因素所造成的噪音，均會(huì)影響水下定位信標(biāo)的被探尋范圍。搜尋人員在對(duì)水下定位信標(biāo)所發(fā)出的超聲波信號(hào)進(jìn)行探尋時(shí)，可通過專用的聲吶探測(cè)儀進(jìn)行定位。不過，信號(hào)所發(fā)出的信號(hào)的可探測(cè)范圍，對(duì)于茫茫大海而言簡(jiǎn)直是滄海一粟。因而，搜尋人員首先需要對(duì)航空器殘骸的大概范圍進(jìn)行定位，進(jìn)而使用拖拽式聲吶探測(cè)器來縮小定位區(qū)域。最后，搜尋人員可使用水下傳聲器，以便于對(duì)定位信號(hào)的方向及來源予以精確鎖定。

搜尋人員如鎖定“黑匣子”的所在區(qū)域，并確認(rèn)其沉于淺海范圍內(nèi)，即可派出專業(yè)潛水員進(jìn)行打撈，但如果“黑匣子”沉入的海域超過人工潛水的深度范圍后，搜尋人員即需要采用專門的搜尋、打撈裝備。通常情況下，搜尋人員可在船只上放下水下操控機(jī)器人。搜尋人員利用船上的綜合控制臺(tái)，操控機(jī)器人利用自身攜帶的海底聲吶探測(cè)裝備、水下信標(biāo)定位器以及深海攝像頭來對(duì)“黑匣子”進(jìn)行定位，進(jìn)而使用專門的機(jī)械手來將“黑匣子”打撈出水面。

“黑匣子”的發(fā)展趨勢(shì)

誠(chéng)然，現(xiàn)代航空器上所安裝的“黑匣子”均帶有水下定位信標(biāo)。但定位信標(biāo)的信號(hào)發(fā)射距離僅為數(shù)千米，且在航空器墜毀過程中，定位信號(hào)亦有可能從“黑匣子”表面脫落。加之定位信標(biāo)內(nèi)的電池僅可維持30天，此后因電池耗盡而造成的信號(hào)消失，亦將造成“黑匣子”定位困難。

為了有效解決航空器墜毀于陸地后“黑匣子”生存率較低以及墜毀于水下后定位打撈困難的難題，“黑匣子”的設(shè)計(jì)已朝著拋放式的方式發(fā)展。對(duì)于這一新型的拋放式“黑匣子”，可以通過其自帶的墜毀感知傳感器來探測(cè)航空器事發(fā)發(fā)生后墜地或墜海瞬間的異常變化，并迅速控制其與機(jī)體的拋放與分離。航空器如墜毀在陸地上，經(jīng)拋放后的“黑匣子”可有效避免受到飛機(jī)殘骸的沖撞和燃燒等破壞；而航空器如墜毀在海上時(shí)，經(jīng)拋放后的“黑匣子”則可避免其隨機(jī)體而一同墜入海底。拋放后“黑匣子”的專門設(shè)計(jì)，還可保證其以一定的姿態(tài)漂浮于水面之上，進(jìn)而通過無線電與衛(wèi)星自動(dòng)發(fā)送定位的信號(hào)?；谇笆鎏攸c(diǎn)可見，拋放式“黑匣子”與目前通用的“黑匣子”比較而言，其不僅便于事故發(fā)生后的搜尋與打撈，亦可因其生存率的大幅提升而進(jìn)一步提升事故調(diào)查的準(zhǔn)確性與可靠性。

編輯：黃靈 yeshzhwu@foxmail.com