飛行記錄器和應急定位發射機發展趨勢

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小時的飛行數據，在需要時將所記錄的數據進行回放。飛行事故調查一般都要圍繞分析飛行記錄器數據展開，事故調查人員可根據記錄器記錄的客觀數據還原事故現場，找出事故原因。然而據法國事故調查組織（BEA）的研究，從2009年法航AF447失事算起，有11起飛行事故中10個記錄器未被找到[1]。

應急定位發射機（Emergency Locator Transmitter，簡稱ELT）能夠在航空器失事時自動接通，發射定位信標信號，引導搜救力量前往失事地點開展救援。同樣，根據法國事故調查組織的研究，有71.3% 事件發生后，未接收到任何ELT信號[2]。

本文主要針對現有飛行記錄器海上事故后搜尋困難和應急定位發射機事故時不發射信號問題，對新型拋放式記錄器進行研究，提出飛行記錄器和應急定位發射機的發展方向，以滿足飛行事故后飛行記錄器數據回收和失事位置定位的需求。

1飛行記錄器的發展歷程

飛行記錄器誕生于上世紀50年代，美國聯邦航空局于1958年首次頒布飛行數據記錄系統技術標準規定。上世紀60年代后期，國際航空運輸協會提出飛行數據記錄的規劃，1966年英國的飛行記錄器開始進入實用化。飛行記錄器按記錄存儲介質、信號采集能力、墜毀保護能力等指標，劃分為四個主要發展階段：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、垂直過載和時間5個參數，抗強沖擊能力為100g；第二階段，采用磁帶記錄器，上世紀60年代末開始使用，記錄參數從幾個到上百個，抗強沖擊能力為1000g，曾配裝波音747和空客A300等飛機；第三階段，采用固態記錄器，上世紀90年代初開始使用，記錄參數從幾十到數百個，抗強沖擊能力為3400g，曾較廣泛配裝波音、麥道和空客等飛機；第四階段，采用增強型固態記錄器，本世紀初開始使用，具備更強接口能力，要求將飛行數據、音頻數據、視頻數據、數據鏈通信等信息引入飛行記錄器記錄，記錄參數達幾千個，滿足TSO-C124c標準，目前廣泛配裝各型飛機。

飛行記錄器經過50多年的發展，墜毀幸存性能逐步提高，但是其失效的情況也時有發生。一般飛行記錄器固定安裝在飛機上，當航空器墜毀時，依靠多層防護結構抵御墜毀環境的破壞，由于采用被動防護方式，在一些相對惡劣的墜毀環境下很難幸存，如2001年9月11日，撞擊美國世貿大廈和五角大樓的3架飛機中，所有6臺飛行記錄器全部損壞，數據不能恢復。

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發射超聲波信號，但是其作用距離僅為3千米左右，而且墜毀時容易損壞，因此飛行記錄器回收困難的情況時有發生。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3200萬歐元后找到失事記錄器。2014年3月，馬航MH370客機在印度洋失事，搜尋時間共計1046天，覆蓋約12萬平方千米區域，超過25個國家動用了衛星、軍艦和飛機等裝備，耗資近1.6億美元，卻僅找到三塊飛機殘片。據統計，1969年至2014年共發生52起大型飛機水上事故，其中有38起發生在1996年以后，從2009年法航AF447失事算起，在11起飛行事故中有10個記錄器未被找到。

2應急定位發射機的發展歷程

應急定位發射機誕生于上世紀50年代，最早根據TSO—C91[3]標準設計生產的ELT具有121.5MHz和243MHz兩種發射頻率，受當時技術條件限制，ELT定位精度較差，飛機遇險位置能夠定位在1000多平方千米內，不能達到預期效果。隨著多普勒效應和衛星導航技術的應用，ELT定位精度逐步提高，能夠將飛機遇險位置地點縮小至14千米內，但由于衛星系統不能區分真實信標的121.5MHz和243MHz與其他該頻率上的信號，平均識別率僅為2%，存在大量的虛假信號。

為解決該問題，從1997年開始，根據TSO—C126[4]技術標準生產的ELT信標頻率為406MHz，信號內容含有ELT的特殊標識，能夠通過導航系統加入飛機的GPS位置信息，其定位精度能夠達到100米內。因406MHz頻率的ELT在覆蓋范圍、定位精度、假警報標識和縮短響應方面的改進非常顯著，2009年2月1日以后，全球衛星搜救系統（COSPAS/SARSAT）正式取消了對121.5MHz和243MHz頻段ELT發射信號的檢測，僅接收406MHz頻段。國際民用航空組織（ICAO）建議從2008年起，所有成員國的飛機上必須裝有具備406MHz的信標，121.5MHz信標僅在國內使用。中國民航規章（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。應急定位發射機技術標準經歷了多年發展，逐步提高，強沖擊指標由最初的50g提高到25m/s與硬表面撞擊，同時增加了火焰燒蝕要求。文中所述具體技術標準更新內容見表1。

由于應急定位發射機墜毀幸存性能較低，在飛機墜毀時很容易損壞。據法國事故調查組織的研究，在1997—1999年間發生的335起飛機事故中，僅有96起接收到ELT信號，幸存率僅為29%。

3拋放式記錄器發展歷程

拋放式記錄器可解決現有飛行記錄器和應急定位發射機幸存率低、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，當航空器正常飛行時與傳統飛行記錄器相同；當航空器發生嚴重飛行事故時，自動從航空器機體上拋放分離，在空中減速后墜地或墜海，避開飛機墜毀時的惡劣環境，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，內部的定位發射機自動發射定位信號，可快速定位失事位置。

上世紀60年代，加拿大國家研究委員會的一項研究表明裝有定位信標的墜毀位置指示器對于失事位置定位十分有效，當航空器墜毀時，墜毀位置指示器在拋放裝置作用下脫離機身，減少受到航空器事故現場強大沖擊力的作用，落地后發射定位信號。

上世紀80年代，墜毀位置指示器技術也應用到飛行記錄器中，也就是拋放式記錄器，極大地提高了數據幸存率和記錄器回收效率，并廣泛應用于先進的航空器上。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系列戰斗機、P—8系列巡邏機（由波音737改裝）、S—70B直升機。

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

拋放式記錄器技術標準經歷了60多年的發展，逐步提高，強沖擊指標由最初的定性指標要求提高到46.33m/s與鋼板撞擊，高溫火燒時間由1.5分鐘提高到20分鐘，海水浸泡時間由36小時增加到30天，同時增加了抗穿透、擠壓、中溫火燒、深海壓力等要求，見表2。

4技術發展趨勢

表3為拋放式記錄器和應急定位發射機的技術標準對比，由此可知，拋放式記錄器能夠覆蓋應急定位發射機的功能和性能。隨著航空電子系統綜合化發展，拋放式記錄器將逐步取代應急定位發射機。

目前，大部分跨海營運航空器并未安裝拋放式記錄器，導致記錄器回收困難，針對這一問題，國際民用航空組織通過多次會議對民用航空器安裝拋放式記錄器提出了建議。2010年8月，國際民航組織第三十七屆會議報告（A37-WP/73）中指出，使用拋放式記錄器可明顯提高找回飛行數據的幾率和效率，軍用航空器拋放記錄器技術成熟，不久將推出經合格審定的民用設備[5]。

2015 年2 月，國際民航組織牽頭的航班追蹤特別工作組制定了遠期框架——稱為全球航空遇險與安全系統（GADSS），其由飛機追蹤系統、自動遇險追蹤系統、可自動分離的飛行記錄器、程序和信息管理等4 個關鍵系統要素組成 [6]。

2020年7月，北斗三號全球衛星導航系統建成，其集成了導航定位、短報文通信和應急搜救載荷功能。北斗系統利用高軌道（GEO）衛星，向中國及周邊地區用戶提供區域短報文通信服務，主要性能詳見表4[7]。

北斗系統利用中軌道（MEO）衛星，按照國際搜救衛星組織標準，與其他搜救衛星系統聯合向全球航海、航空和陸地用戶提供免費遇險報警服務，并具備返向鏈路確認服務能力。主要性能詳見表5。

利用北斗三號系統，可提出新型拋放式記錄器設計構想。當飛機遇險時，新型拋放式記錄器可通過接收機載系統發送的飛參數據，判斷飛機姿態異常、速度異常，近地告警，座艙失壓或空中防撞告警等情況時，控制內部集成的定位發射機發射北斗遇險定位信號，北斗衛星搜救載荷接收到北斗遇險信號后，將信號轉發至交通部搜救衛星地面站，地面站接收到信號后，協調空中交通管制部門密切關注遇險航班，同時協調搜救力量前往失事地點，能夠顯著提高遇險事件應急相應速度，提高搜救效率。

當飛機墜毀時，碰撞傳感器、浸水傳感器感應到飛機墜地或墜海，向拋放控制模塊輸出過載或浸水信號，拋放控制模塊向分離機構輸出拋放信號，分離機構產生推力將可分離組件推出機體，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文功能將位置信息發送給交通部搜救衛星地面站，同時可將記錄的飛參數據通過北斗短報文功能發送給地面站，能夠實現快速回收事故數據功能。

5總結

綜上，新型拋放式記錄器具有功能全面、墜毀幸存能力強、集成化程度高等優勢。隨著北斗三號衛星系統的建成，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通道，有效節省打撈的人力、物力、財力的開銷，能夠滿足事故后飛行記錄器數據回收和失事位置定位的需求。

參考文獻

[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]關于執行2010年高級別安全會議議題3.2建議（近期事故引起的安全舉措）的報告[R].A37-WP/73，2010.

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

[7]北斗衛星導航系統應用服務體系[S].中國衛星導航系統管理辦公室，2019.

作者簡介

柯燕，研究員，研究方向為數據安全技術。