黑匣子

王潔

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

關鍵詞：黑匣子；水下定位信標；拋放式；ACARS；北斗導航系統

自20世紀初飛機誕生以來，世界航空業已取得了突飛猛進的發展?？稍谶@個過程中，飛行事故也一直伴隨著航空航天技術的發展。每一次事故或者空難，人類付出的代價是慘痛的。因此在事故發生后，對事故原因進行調查就顯得極其必要。通過對飛行事故進行調查和分析，可以暴露飛機在設計、制造、使用、管理等方面存在的缺陷，避免同類事故再次發生，并且可以促使航空技術的不斷改進和管理工作的進步，進而推動航空科技水平的持續發展和安全性水平的提高?？墒窃斐墒鹿驶蚩针y的原因，往往是很難找到的。人們希望有一種設備能夠實時記錄飛行器在飛行過程中、事故發生前的一段時間乃至事故發生的時刻某些飛行技術數據，為事故調查提供科學的依據和參考價值。因此，一個被稱作“黑匣子”的儀器誕生了。

1 功能介紹

“黑匣子” 由飛行數據記錄系統（Flight Data Recorder System， 簡稱FDRS）和座艙音頻記錄系統（Cockpit Voice Recorder ，簡稱CVR）組成，簡稱為“飛參”。因為在一些事故中記錄器經過火燒后變成了黑色，且事故的記錄器存儲的數據非常關鍵和神秘，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，不易對其產生攻擊，因此“飛參”被設計為橙色。為了方便夜間搜尋，其表面還往往貼有反光標識。

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）實現的。它類似于一個無線電通話記錄器，可以記錄飛機上的各種通話，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構的通話，正、副駕駛員之間的對話，機長、空中小姐對乘客的講話.以及駕駛艙內的各種聲音。由于空難一般發生在短暫的瞬間，有時飛行員和全部乘務員同時遇難，調查事故的原因會有很大困難，而CVR能幫助人們根據機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論。

1.2 飛行數據記錄系統

飛行數據的記錄通過與飛機各機械部位和電子儀器儀表都裝有傳感器相連的飛行數據記錄系統（FDRS）來實現。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、還有飛機系統工作狀況和發動機工作參數等飛行參數都記錄下來，并且這些數據可被保留25個小時。當超過這個時間時，數據記錄儀就自動吐故納新，舊數據被新數據覆蓋。當需要時可以把所記錄的內容進行解碼。

由于黑匣子在記錄信息時采用的是循環記錄的方式，一旦達到存儲容限，之前記錄的信息就會被沖刷掉。為防止飛機在遭遇事故后，黑匣子繼續記錄無效的數據和語音信息，造成有效信息被沖洗掉。它在設計時與飛機發動機相連，當最后一臺發動機關車10分鐘后，它就立即停止工作，但在空中時，若雙發同時停車，它仍然能夠正常的記錄數據和語音信息。

1.3 安裝位置

黑匣子作為一種事關飛行安全的重要航空電子設備，具有抗強沖擊、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能力，能在各種飛機事故中保存其內部存儲的信息。為了使飛機墜毀時對其的破壞降到最低，一般來說，飛行數據黑匣子安裝在飛機尾部。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前部。“黑匣子”連接飛機應急供電電源，確保其能工作到最后時刻。

2 發展概況及工作原理

黑匣子伴隨著飛行安全的迫切需求以及飛機制造水平的不斷進步而快速發展，在上世紀50年代初，經過對飛機設計試飛記錄設備的改裝，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據變化曲線，僅能記錄航向、高度、空速、垂直過載和時間等5個飛行參數。在上世紀50年代末，出現了類似于普通磁帶機的黑匣子，為了保障數據的安全性，在磁帶機外面加裝了具有抗沖擊、耐火燒等能力的保護外殼，黑匣子一般可以記錄幾十個參數，與此同時還出現了座艙音頻記錄器，使其在記錄數據的同時也能夠采集音頻信息。

隨著微電子技術的突飛猛進，從上世紀90年代起，黑匣子開始采用半導體存儲器記錄數據，其記錄參數也上升到了幾百個，功能已從飛行事故調查，逐漸延伸到日常飛行員監控、飛機故障診斷與維護等方面。相比于磁帶機式的記錄方式，半導體存儲器對數據和信息的保護力更強。

航空事業的不斷進步也帶動著黑匣子的發展，新一代黑匣子可以記錄視頻信息，記錄的參數數量也多達幾千個，并且能夠通過衛星等數據鏈定期傳輸黑匣子的關鍵數據。但由于通訊帶寬和信號盲點以及氣象環境等影響，數據實時傳輸方式無法完全取代傳統黑匣子的作用。

3 記錄儀搜尋

3.1 地面搜尋

為了高效的對事故原因進行調查，事故發生后的第一步就是回收記錄儀。此時飛行事故調查中心會派出飛行記錄儀專家與調查組一起去現場，這樣有助于隨后的記錄數據分析與保護。到了現場查看殘骸，找到記錄儀并將其取回。若記錄儀已從飛機上甩出，則需要根據飛機接地姿態，推導出飛機在碰撞過程中的運動，通過分析事故航跡圖，事故現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、獨特的顏色和反光標識使搜尋難度大大減小。若黑匣子墜入地下，則應備好除積水和流沙的工具設備，分層挖掘并詳細記錄殘骸分布的位置及破壞情況。在找到黑匣子后，應注意不能現場拆卸，因為記錄儀在遭受撞擊后，其內部機件可能變形，若操作不當可能會導致記錄數據被損壞。

3.2 水中搜尋

根據空氣動力學的原理，飛行升力的獲得主要依靠機翼上下表面的靜壓差，且飛機上升，偏航，滾轉等姿態的實現也是通過舵面的偏轉實現。而海洋上空氣流不穩定，且惡劣天氣情況較多，而此時又沒有可以使飛機降落的跑道，若飛機失去控制，唯一的后果就是墜洋。

當墜洋事件發生后，事件調查組會對飛機殘骸進行打撈，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（Underwater Locator Beacon 簡稱ULB）。它是一個電池供電的水下超聲波脈沖發生器，牢固地安裝在黑匣子外部。一旦黑匣子入水，信標上的水敏開關啟動信標工作，通過信標的金屬外殼把頻率為37.5kHz的超聲波信號發射到周圍水域，每秒一個脈沖。當水下定位信標發出信號時，可以通過專用聲吶探測儀進行定位。由于信標信號的可探測范圍相對于大海而言極其有限，一般先要進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。此種水下信標可以在6096米的深度內發出超聲波，但信號必須在距離信標1800—3600米的范圍內才能夠被儀器探測到，且海水的狀態、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的被探測范圍。由于電池容量有限，其一般只能連續工作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。當信號發生器停止工作后，對黑匣子的搜尋無異于大海撈針。不過隨著航空儀表設備技術的不斷發展，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，可由潛水員進行打撈。當黑匣子沉入深海，且超過人工潛水深度時，則需要使用專門的搜索、打撈設備，一般可使用輪船放下水下線控機器人，操作人員在船上通過綜合顯示控制臺，控制機器人攜帶的海底聲吶掃描設備、信標方位定位器、深海攝像頭定位黑匣子，通過機械手打撈黑匣子。

4 黑匣子的未來

黑匣子雖帶有水下定位信標，但由于信標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，將很難對黑匣子進行定位。即使定位成功，深海打撈也存在難度大、時間長、費用高，甚至無法打撈等問題。據統計，1970—2009年，大型民用航空器在公海墜毀的36起事故中有4起未找到飛機殘骸、9起未找到黑匣子，反映出水下定位信標定位方式存在一定的局限性。

除了黑匣子能夠在飛機事故后發出定位信號，民航規章要求載客19人以上的飛機必須至少裝備一臺應急定位發射機（Emergency Locator Transmitter，簡稱ELT），其在事故后通過無線電和衛星方式發送定位信號。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不到100%的難題，拋放式黑匣子應運而生。此類黑匣子可通過其墜毀感知傳感器監控飛機事故時觸地或墜海瞬間的特征參數異常變化，迅速控制其與機體拋放分離，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后，如果落在陸地，可避免機體殘骸的沖擊和火燒等破壞；如果落在海上，可避免隨機體墜入海底，其設計還可保證以預定的姿態漂浮在海面上。之后，黑匣子通過無線電和衛星自動發送定位信號。定位拋放黑匣子的過程首先是通過搜救衛星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，衛星可實現全球定位，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，拋放式黑匣子不但便于事故后搜尋和打撈，同時可作為傳統黑匣子的備份提高數據存活率。

4.2 飛機通信尋址報告系統

黑匣子雖然能為飛行事故調查提供一定的幫助，但其仍然存在很多問題。若飛機失事在大洋中脊海底山脈兩側，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發射器與數據記錄部分分離，很可能只找回信標，而記錄數據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。嚴峻的打撈環境加上監聽信標信號、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。

目前已經有一些方案可用于替代黑匣子，比如使用衛星導航系統與飛參系統連接，可實時監控每架客機的飛行狀態，客機的飛行參數會上傳給衛星，地面能做到對客機了如指掌，如目前空客A380上所使用的飛機通信尋址報告系統（Aircraft Communication Addressing and Reporting System，簡稱ACARS）可將飛機與地面控制中心通過數據鏈連接起來，并自動發送故障報告。它的主要構成是一個航電計算機和控制單元。航電計算機的任務就是與地面建立連接，通過甚高頻傳輸飛行參數。要想實現地空雙向數據暢通，還需要一個數據鏈的供應商，這樣地面就可以獲得來自飛機通信尋址報告系統的下行參數，其中包括飛機位置、目前的飛行狀態、發動機轉速，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，這就提高了飛機故障的及時排除效率，目前一些民航客機的地勤需要等飛機降落后到飛機上去獲得相關數據，顯然ACARS將整個系統的工作效率都提升了。此外，ACARS系統可以對飛行軌跡進行辨別，對于異常的飛行軌跡可以做出警告，使得客機的動態得到更多的健康管理。

4.3 北斗導航系統

當然ACARS系統并非神乎其神，其在實際應用中也遇到過問題，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數據堆積，從這一情況可以看出，ACARS系統還存在一些需要改進的地方，這也是沒有進行大規模推廣的原因之一。

除了ACARS系統外，還可以使用全球定位系統技術來尋找黑匣子，鑒于GPS不具備雙向報文通信的特點，因此可以嵌入北斗導航系統，可有效對高亞音速空中飛行目標進行定位捕獲，未來動態響應速度接近2倍音速，因此建立在此基礎上的黑匣子已經具備了取代傳統黑匣子的能力。目前我國正大力發展北斗全球定位系統，推出可以使用GPS和北斗兩種導航定位手段的黑匣子。

5 結語

黑匣子在空難事故調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為其損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據系統是未來的發展方向。

參考文獻

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