飛行記錄器和應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

0 引言

飛行記錄器（Flight Recorder，俗稱“黑匣子”）能夠記錄航空器停止工作或失事墜毀前數(shù)小時(shí)的飛行數(shù)據(jù)，在需要時(shí)將所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放。飛行事故調(diào)查一般都要圍繞分析飛行記錄器數(shù)據(jù)展開，事故調(diào)查人員可根據(jù)記錄器記錄的客觀數(shù)據(jù)還原事故現(xiàn)場(chǎng)，找出事故原因。然而據(jù)法國(guó)事故調(diào)查組織（BEA）的研究，從2009年法航AF447失事算起，有11起飛行事故中10個(gè)記錄器未被找到[1]。

應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)（Emergency Locator Transmitter，簡(jiǎn)稱ELT）能夠在航空器失事時(shí)自動(dòng)接通，發(fā)射定位信標(biāo)信號(hào)，引導(dǎo)搜救力量前往失事地點(diǎn)開展救援。同樣，根據(jù)法國(guó)事故調(diào)查組織的研究，有71.3% 事件發(fā)生后，未接收到任何ELT信號(hào)[2]。

本文主要針對(duì)現(xiàn)有飛行記錄器海上事故后搜尋困難和應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)事故時(shí)不發(fā)射信號(hào)問題，對(duì)新型拋放式記錄器進(jìn)行研究，提出飛行記錄器和應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)的發(fā)展方向，以滿足飛行事故后飛行記錄器數(shù)據(jù)回收和失事位置定位的需求。

1飛行記錄器的發(fā)展歷程

飛行記錄器誕生于上世紀(jì)50年代，美國(guó)聯(lián)邦航空局于1958年首次頒布飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。上世紀(jì)60年代后期，國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)提出飛行數(shù)據(jù)記錄的規(guī)劃，1966年英國(guó)的飛行記錄器開始進(jìn)入實(shí)用化。飛行記錄器按記錄存儲(chǔ)介質(zhì)、信號(hào)采集能力、墜毀保護(hù)能力等指標(biāo)，劃分為四個(gè)主要發(fā)展階段：第一階段，采用箔帶記錄器，1953年研制成功，僅記錄航向、高度、空速、垂直過載和時(shí)間5個(gè)參數(shù)，抗強(qiáng)沖擊能力為100g；第二階段，采用磁帶記錄器，上世紀(jì)60年代末開始使用，記錄參數(shù)從幾個(gè)到上百個(gè)，抗強(qiáng)沖擊能力為1000g，曾配裝波音747和空客A300等飛機(jī)；第三階段，采用固態(tài)記錄器，上世紀(jì)90年代初開始使用，記錄參數(shù)從幾十到數(shù)百個(gè)，抗強(qiáng)沖擊能力為3400g，曾較廣泛配裝波音、麥道和空客等飛機(jī)；第四階段，采用增強(qiáng)型固態(tài)記錄器，本世紀(jì)初開始使用，具備更強(qiáng)接口能力，要求將飛行數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)鏈通信等信息引入飛行記錄器記錄，記錄參數(shù)達(dá)幾千個(gè)，滿足TSO-C124c標(biāo)準(zhǔn)，目前廣泛配裝各型飛機(jī)。

飛行記錄器經(jīng)過50多年的發(fā)展，墜毀幸存性能逐步提高，但是其失效的情況也時(shí)有發(fā)生。一般飛行記錄器固定安裝在飛機(jī)上，當(dāng)航空器墜毀時(shí)，依靠多層防護(hù)結(jié)構(gòu)抵御墜毀環(huán)境的破壞，由于采用被動(dòng)防護(hù)方式，在一些相對(duì)惡劣的墜毀環(huán)境下很難幸存，如2001年9月11日，撞擊美國(guó)世貿(mào)大廈和五角大樓的3架飛機(jī)中，所有6臺(tái)飛行記錄器全部損壞，數(shù)據(jù)不能恢復(fù)。

飛行記錄器安裝有水下定位裝置，在航空器海上失事后可自動(dòng)發(fā)射超聲波信號(hào)，但是其作用距離僅為3千米左右，而且墜毀時(shí)容易損壞，因此飛行記錄器回收困難的情況時(shí)有發(fā)生。2009年6月1日的法航AF447大西洋失事事件，在搜尋兩年之久，花費(fèi)3200萬歐元后找到失事記錄器。2014年3月，馬航MH370客機(jī)在印度洋失事，搜尋時(shí)間共計(jì)1046天，覆蓋約12萬平方千米區(qū)域，超過25個(gè)國(guó)家動(dòng)用了衛(wèi)星、軍艦和飛機(jī)等裝備，耗資近1.6億美元，卻僅找到三塊飛機(jī)殘片。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1969年至2014年共發(fā)生52起大型飛機(jī)水上事故，其中有38起發(fā)生在1996年以后，從2009年法航AF447失事算起，在11起飛行事故中有10個(gè)記錄器未被找到。

2應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)的發(fā)展歷程

應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)誕生于上世紀(jì)50年代，最早根據(jù)TSO—C91[3]標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的ELT具有121.5MHz和243MHz兩種發(fā)射頻率，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，ELT定位精度較差，飛機(jī)遇險(xiǎn)位置能夠定位在1000多平方千米內(nèi)，不能達(dá)到預(yù)期效果。隨著多普勒效應(yīng)和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用，ELT定位精度逐步提高，能夠?qū)w機(jī)遇險(xiǎn)位置地點(diǎn)縮小至14千米內(nèi)，但由于衛(wèi)星系統(tǒng)不能區(qū)分真實(shí)信標(biāo)的121.5MHz和243MHz與其他該頻率上的信號(hào)，平均識(shí)別率僅為2%，存在大量的虛假信號(hào)。

為解決該問題，從1997年開始，根據(jù)TSO—C126[4]技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的ELT信標(biāo)頻率為406MHz，信號(hào)內(nèi)容含有ELT的特殊標(biāo)識(shí)，能夠通過導(dǎo)航系統(tǒng)加入飛機(jī)的GPS位置信息，其定位精度能夠達(dá)到100米內(nèi)。因406MHz頻率的ELT在覆蓋范圍、定位精度、假警報(bào)標(biāo)識(shí)和縮短響應(yīng)方面的改進(jìn)非常顯著，2009年2月1日以后，全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（COSPAS/SARSAT）正式取消了對(duì)121.5MHz和243MHz頻段ELT發(fā)射信號(hào)的檢測(cè)，僅接收406MHz頻段。國(guó)際民用航空組織（ICAO）建議從2008年起，所有成員國(guó)的飛機(jī)上必須裝有具備406MHz的信標(biāo)，121.5MHz信標(biāo)僅在國(guó)內(nèi)使用。中國(guó)民航規(guī)章（CCAR）要求，民用航空器需在2008年7月1日后，必須裝備含有406MHz工作頻率的ELT。應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了多年發(fā)展，逐步提高，強(qiáng)沖擊指標(biāo)由最初的50g提高到25m/s與硬表面撞擊，同時(shí)增加了火焰燒蝕要求。文中所述具體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更新內(nèi)容見表1。

由于應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)墜毀幸存性能較低，在飛機(jī)墜毀時(shí)很容易損壞。據(jù)法國(guó)事故調(diào)查組織的研究，在1997—1999年間發(fā)生的335起飛機(jī)事故中，僅有96起接收到ELT信號(hào)，幸存率僅為29%。

3拋放式記錄器發(fā)展歷程

拋放式記錄器可解決現(xiàn)有飛行記錄器和應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)幸存率低、回收困難問題，拋放式記錄器（Automatic Deployable Flight Recorder）是一種新型飛行記錄器，當(dāng)航空器正常飛行時(shí)與傳統(tǒng)飛行記錄器相同；當(dāng)航空器發(fā)生嚴(yán)重飛行事故時(shí)，自動(dòng)從航空器機(jī)體上拋放分離，在空中減速后墜地或墜海，避開飛機(jī)墜毀時(shí)的惡劣環(huán)境，因此墜毀幸存能力較高；拋放式記錄器在墜海后可漂浮于海面上，內(nèi)部的定位發(fā)射機(jī)自動(dòng)發(fā)射定位信號(hào)，可快速定位失事位置。

上世紀(jì)60年代，加拿大國(guó)家研究委員會(huì)的一項(xiàng)研究表明裝有定位信標(biāo)的墜毀位置指示器對(duì)于失事位置定位十分有效，當(dāng)航空器墜毀時(shí)，墜毀位置指示器在拋放裝置作用下脫離機(jī)身，減少受到航空器事故現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)大沖擊力的作用，落地后發(fā)射定位信號(hào)。

上世紀(jì)80年代，墜毀位置指示器技術(shù)也應(yīng)用到飛行記錄器中，也就是拋放式記錄器，極大地提高了數(shù)據(jù)幸存率和記錄器回收效率，并廣泛應(yīng)用于先進(jìn)的航空器上。到目前為止，有超過 4000架航空器安裝了拋放式記錄器，包括F—18系列戰(zhàn)斗機(jī)、P—8系列巡邏機(jī)（由波音737改裝）、S—70B直升機(jī)。

上世紀(jì)80年代，俄羅斯開展了拋放式記錄器相關(guān)技術(shù)研究，早期為卡—27直升機(jī)研制了可自動(dòng)脫離機(jī)體并漂浮水面的ELT。2000年后，為卡—52直升機(jī)研制了綜合ELT 功能的拋放式記錄器。

拋放式記錄器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了60多年的發(fā)展，逐步提高，強(qiáng)沖擊指標(biāo)由最初的定性指標(biāo)要求提高到46.33m/s與鋼板撞擊，高溫火燒時(shí)間由1.5分鐘提高到20分鐘，海水浸泡時(shí)間由36小時(shí)增加到30天，同時(shí)增加了抗穿透、擠壓、中溫火燒、深海壓力等要求，見表2。

4技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

表3為拋放式記錄器和應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，由此可知，拋放式記錄器能夠覆蓋應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)的功能和性能。隨著航空電子系統(tǒng)綜合化發(fā)展，拋放式記錄器將逐步取代應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)。

目前，大部分跨海營(yíng)運(yùn)航空器并未安裝拋放式記錄器，導(dǎo)致記錄器回收困難，針對(duì)這一問題，國(guó)際民用航空組織通過多次會(huì)議對(duì)民用航空器安裝拋放式記錄器提出了建議。2010年8月，國(guó)際民航組織第三十七屆會(huì)議報(bào)告（A37-WP/73）中指出，使用拋放式記錄器可明顯提高找回飛行數(shù)據(jù)的幾率和效率，軍用航空器拋放記錄器技術(shù)成熟，不久將推出經(jīng)合格審定的民用設(shè)備[5]。

2015 年2 月，國(guó)際民航組織牽頭的航班追蹤特別工作組制定了遠(yuǎn)期框架——稱為全球航空遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（GADSS），其由飛機(jī)追蹤系統(tǒng)、自動(dòng)遇險(xiǎn)追蹤系統(tǒng)、可自動(dòng)分離的飛行記錄器、程序和信息管理等4 個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)要素組成 [6]。

2020年7月，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成，其集成了導(dǎo)航定位、短報(bào)文通信和應(yīng)急搜救載荷功能。北斗系統(tǒng)利用高軌道（GEO）衛(wèi)星，向中國(guó)及周邊地區(qū)用戶提供區(qū)域短報(bào)文通信服務(wù)，主要性能詳見表4[7]。

北斗系統(tǒng)利用中軌道（MEO）衛(wèi)星，按照國(guó)際搜救衛(wèi)星組織標(biāo)準(zhǔn)，與其他搜救衛(wèi)星系統(tǒng)聯(lián)合向全球航海、航空和陸地用戶提供免費(fèi)遇險(xiǎn)報(bào)警服務(wù)，并具備返向鏈路確認(rèn)服務(wù)能力。主要性能詳見表5。

利用北斗三號(hào)系統(tǒng)，可提出新型拋放式記錄器設(shè)計(jì)構(gòu)想。當(dāng)飛機(jī)遇險(xiǎn)時(shí)，新型拋放式記錄器可通過接收機(jī)載系統(tǒng)發(fā)送的飛參數(shù)據(jù)，判斷飛機(jī)姿態(tài)異常、速度異常，近地告警，座艙失壓或空中防撞告警等情況時(shí)，控制內(nèi)部集成的定位發(fā)射機(jī)發(fā)射北斗遇險(xiǎn)定位信號(hào)，北斗衛(wèi)星搜救載荷接收到北斗遇險(xiǎn)信號(hào)后，將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至交通部搜救衛(wèi)星地面站，地面站接收到信號(hào)后，協(xié)調(diào)空中交通管制部門密切關(guān)注遇險(xiǎn)航班，同時(shí)協(xié)調(diào)搜救力量前往失事地點(diǎn)，能夠顯著提高遇險(xiǎn)事件應(yīng)急相應(yīng)速度，提高搜救效率。

當(dāng)飛機(jī)墜毀時(shí)，碰撞傳感器、浸水傳感器感應(yīng)到飛機(jī)墜地或墜海，向拋放控制模塊輸出過載或浸水信號(hào)，拋放控制模塊向分離機(jī)構(gòu)輸出拋放信號(hào)，分離機(jī)構(gòu)產(chǎn)生推力將可分離組件推出機(jī)體，可分離組件依靠自身浮力漂浮在海面上，接通電池給北斗定位模塊供電，北斗定位模塊完成位置定位并通過北斗短報(bào)文功能將位置信息發(fā)送給交通部搜救衛(wèi)星地面站，同時(shí)可將記錄的飛參數(shù)據(jù)通過北斗短報(bào)文功能發(fā)送給地面站，能夠?qū)崿F(xiàn)快速回收事故數(shù)據(jù)功能。

5總結(jié)

綜上，新型拋放式記錄器具有功能全面、墜毀幸存能力強(qiáng)、集成化程度高等優(yōu)勢(shì)。隨著北斗三號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)的建成，能夠成為新型拋放式記錄器的定位方式，為特情處理提供快速的響應(yīng)通道，有效節(jié)省打撈的人力、物力、財(cái)力的開銷，能夠滿足事故后飛行記錄器數(shù)據(jù)回收和失事位置定位的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]Multidisciplinary meeting regarding global tracking[J].Global Tracking-WP/7，2014.

[2] Arnaud Desjardin & Philippe Plantin de Hugues.Flight recorders for lightweight aircraft [J].Air Accident Investigation in the European Environment，2008.

[3] Minimum operational performance standard for aircraft emergency locator transmitters 406 MHz[S].The European Organisation for Civil Aviation Equipment，1992.

[4] 406 Mhzemergency locator transmitter[S]. TSO-C126，1992.

[5]關(guān)于執(zhí)行2010年高級(jí)別安全會(huì)議議題3.2建議（近期事故引起的安全舉措）的報(bào)告[R].A37-WP/73，2010.

[6]Airbus views on Global Aeronautical Distress Safety Systems[J]. WRC-19，2018.

[7]北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)體系[S].中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，2019.

作者簡(jiǎn)介

柯燕，研究員，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)安全技術(shù)。