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“黑匣子”的前世今生——航空安全S2E1

2015-03-26 10:04阅读：

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“黑匣子”的前世今生——航空安全S2E1
“黑匣子”之父大卫·华伦（David Warren，1925-2010）博士
第二次世界大战期间，欧美地区的航空工程师开始研发能够纪录飞机轨迹和状态的装置。受制于当时的科技，研究人员是以照相感光底片、锡箔或钢丝为记录媒介。1939年，法国马里尼亚纳试飞中心尝试使用滚动式的照相感光底片纪录飞机的高度及速度变化。1942年，芬兰航空的工程师Veijo Hietala 发明了一种名为“Mata Hari”的机械装置（图1），作为芬兰空军战斗机的飞行纪录装置及失事调查工具，现收藏于芬兰坦佩利(Tampere)的间谍博物馆。
“黑匣子”的前世今生——航空安全S2E1 图1 采用照相感光底片纪录资料的黑匣子
1、“黑匣子”的诞生
1953年，澳
洲大卫·华伦（David Warren）博士的父亲因一场空难罹难。悲伤之余的华伦想到了便携式录音机的原理，发明了一个以钢丝为记录媒介的“黑匣子”。它能持续纪录4小时的录音和8项飞行资料，并将之命名为“ARL -Flight Memory Unit”。遗憾的是这个足以改变航空史的发明并未受到澳国家航空研究实验室（ARL）的重视。
“黑匣子”的前世今生——航空安全S2E1 图2 第一代“黑匣子”ARL，地面解读装置
华伦博士受邀前往英国寻求发展，并在1958年开始量产ARL型“黑匣子”，安装在英国的民航机上作为失事调查的工具。在这期间，DH Comet客机发生多起空难事件，美、英、法、澳等国立法强制所有民航机都必须安装飞行记录仪（Flight Recorder），以作为失事预防和事故调查的工具。
“黑匣子”的前世今生——航空安全S2E1

图3 ARL飞行记录仪的实验和量产型，和图2的区别在于连接飞机讯号的介面 图援引：澳国防科学与技术发展局 DSTO
第一代“黑匣子”经历了三项改进：1、照相感光底片易受光和高温影响，因此未能普及使用。2、1953年，美国洛克希德公司研发出109-C型飞行记录仪，以金属探针在金属箔片表面上纪录资料，这种飞行记录仪可以记录6项飞行数据，包括时间、空速、航向、高度、垂直加速度、无线电通话。3、1960年初期，英国航空公司已大量搭载了华伦博士发明的ARL型飞行记录仪；在这期间有工程师仿照ARL黑色长条黑盒子，更改为红色圆球型，之后演变成俄制“黑匣子”的形态。
2、“黑匣子”为何变身“橘红盒子”？
“黑匣子”的前世今生——航空安全S2E1
图4 一种典型的飞行记录仪
1957，华伦博士在英国参加一场飞机事故会议，并发表ARL型飞行记录仪的功能。有记者称赞这项发明并以“Black Box”称呼这个神奇的装置（“黑匣子”的缘由）。当美、英、法、澳等国规定民用客机必须安装两部飞行记录仪作为失事调查工具时，就已经考虑到其中一具是座舱语音记录仪（CRV，Cockpit Voice Recorder），用以纪录飞机驾驶舱内的各种语音数据。
“黑匣子”的前世今生——航空安全S2E1 座舱语音记录仪，CRV
另外一个是飞行资料记录仪（FDR，Flight DataRecorder），记录飞机的飞行状态，包括时间、空速、航向、高度、加速度、发动机转速、操控舵面、警告信号、无线电通话等资料。飞行记录仪的外观使用含有荧光涂料的橘红色以利于发现，并用英文和法文书写白色文字：“FLIGHT RECORDER DO NOT OPEN”“ENREGISTREUR DE VOL NE PAS.OUVRIR”。

“黑匣子”的前世今生——航空安全S2E1 飞行资料记录仪，FDR
3、“黑匣子”都有什么规格
鉴于第一代飞行记录仪在重大事故中常因撞击和高温破坏严重，上世纪80年代初期到90年代初期，分别引入第二代（以磁带为记录媒介）和第三代（以固态记忆芯片为记录媒介），进而提升了抗撞击、抗高温和耐深水的三大特性。

“黑匣子”的前世今生——航空安全S2E1 图5 左为俄制飞行记录仪；右为美制飞行记录仪

第二代飞行记录仪的主要规格是在5/1000秒内承受1000倍重力加速度的撞击、1100摄氏度的高温30分钟和2万英尺水深的水压30天。磁带宽度0.64厘米，长度约为500英尺，CVR可记录驾驶舱内4轨声音30分钟；FDR可记录25小时6轨或8轨飞行数据，另记录资料项目可从6项提高到一百余项。

“黑匣子”的前世今生——航空安全S2E1 图6“黑匣子”内部构造
第三代飞行记录仪的主要规格是6.5/1000秒内承受3400倍重力加速度的撞击，1100摄氏度的高温60分钟，260摄氏度的高温10小时，以及2万英尺水深的水压30天。固态记忆芯片容量介于9MB至32MB；CVR可记录驾驶舱内4轨声音30至120分钟；FDR可记录25至100小时的飞行资料，记录资料从100项提高至3千余项。现在，飞机重量超过5700其千克就必须安装两具“黑匣子”。
“黑匣子”的前世今生——航空安全S2E1 图7、飞机各操纵面与驾驶舱和主电子舱外观图
以第三代飞行记录仪而言，一个“黑匣子”造价约合8万到14万人民币，重量介于4.5至7.3千克，尺寸为14厘米（高）×12.7厘米（宽）×32厘米（长）。考虑到飞机与地面或大海发生强烈撞击等因素，两个黑匣子都安装在飞机的机身尾部。此外，黑匣子采用方形或圆筒形的不锈钢作为主要防护外罩，内部有绝缘层及抗热防护层，并填充苏打粉以吸收热量。
“黑匣子”的前世今生——航空安全S2E1 图8、水下定位信标，参照物为圆珠笔
如果飞机掉入湖泊或者海中，黑匣子上还带有一个水下定位信标（ULB，Underwater Locator Beacon）（图8），ULB只要接触到水就会触发37.5kHz的超声波，可持续发射30天的信号。因此，调查人员可使用水下信标接收机搜寻ULB信号，有效范围可达1.85千米。一旦定位了黑匣子的位置，就可通过潜水员或水下载具取回。在过去30年的重大事故中，只有很少数的黑匣子因强烈撞击和高温而损毁。2002年5月份台湾澎湖空难就因黑匣子的损坏二增加了调查难度。
“黑匣子”的前世今生——航空安全S2E1 图9、图黑匣子写入数据示意图
4、黑匣子的神秘编码
早期的黑匣子编码较为简单，驾驶舱声音一类比方式传入黑匣子内，透过数个磁铁的电磁效应改变钢丝或磁带以记录声音。对于飞行仪表的变化，以钢针刻在金属箔条上，或把飞行仪表的类比信号转换为磁性变化记录在钢丝或磁带上。随着科技的发展，飞行仪表逐渐步入了数字时代（8~32位），第一代黑匣子以不能满足事故调查的需求而退出市场。
飞机上的各种信号传输是通过ARINC429的串列通信标准来完成，它应用双极化归零编码方式传输32位的数据，传输速度分为两种，低速——12.5至14.5Kb/s，高速——100Kb/s。机上的各种飞行控制电脑，都通过ARINC 429传输资料到驾驶舱的仪表，以及数字信号提取单元。
“黑匣子”的前世今生——航空安全S2E1 图10、飞行资料记录器的编码和解码示意图
数字信号提取单元手机到飞行资料后，以ARINC573或717的串列通信标准传送给飞行资料记录仪（第二代或第三代），采用哈佛双极化不归零编码或传统的不归零编码传输率64bps/s,每字元由12位元组成双极化归零编码、哈佛双极化不归零编码及不归零编码，非常类似于个人电脑的RS-232串列通信标准，主要差别是传输速度、编码长度和负载电压。这是因为飞机上发电机输出的是115V，400Hz的交流电，经过变压转换为28V或12V的交流电所导致的。
飞行记录仪的解码需要两道程序：地面解读设备以ARINC 575/717通信标准下载原始资料；根据飞机原厂技术手册找出64个字元所对应的飞行资料，并转换为二进制资料为工程参数。例如，速度原始资料为”0001 0110 0011“，转换为十进制为”351“，根据技术手册速度转换因子是0.5，速度为177.5。
任何事故发生后，调查人员都会积极寻找黑匣子，并根据期记录内容尽早发发现可疑的问题和调查方向。
5、黑匣子的主要用途是什么？
CVR主要用途包括：驾驶员之间的对话（如操作程序、紧急处置等）、驾驶员与空服员之间的对话（如准备迫降、客舱异常等）、驾驶员与地面航管人员的对话（如天气资讯、起飞及落地许可、宣告紧急状态等）、驾驶舱的警告声响（如发动机火警、时速警告、近地警告等）。CVR也可提供周遭环境变化的线索，如发动机转速、爆炸声、大雨等。
FDR的主要用途包括：揭露飞机的异常行为、研判飞行性能和飞行轨迹、飞机系统状态等。以飞行资料进行飞行模拟测试，可以排除特定的事故假设。根据黑匣子内容、地面塔台录音，搜索雷达及地面导航设备的记录，调查人员可以还原事故发生的过程，讨论飞机系统与飞行员的处置经过，进而判断事故的可能原因与潜在的飞行风险。
“黑匣子”的前世今生——航空安全S2E1 图11、某A320客机与松山机场降落时冲出跑道，黑匣子解读事故分析图
2004年10月18日，当地时间19点59分，一家空客A320型客机执行台南到台北的定期航班。该机采用台北松山机场10号跑道仪表进场程序（可用落地距离8550英尺，2.59千米），再通过10号跑道尽头后于1750英尺处着陆，机头通过10号跑道末端321英尺后向左偏出，最后停载缓冲区北侧，机头朝向002。幸运的是该航班没有造成伤亡事故，前起落架减震支柱断裂，2号发动机触底受损。
由于飞机在起飞和降落阶段冲出跑道会导致飞机结构受损或人员伤亡，因此对此类事故进行调查，调查重点是飞行操作、天气因素，机上警告和机场特征。在过程中，调查人员逐一检视机场的可用落地距离、跑道铺面的排水和抗滑特性；根据飞机操作手册和性能资料，分析当时的能见度、风和降雨对飞机操作的影响；探讨飞机自动驾驶、自动油门和自动刹车的操作及影响。根据相关事实资料，判断事故经过和事故原因。
调查显示这种事故可能发生的原因如下：1、飞机离地高度20英尺以下，和收油门警示声提醒时，操控飞行员并未把2号发动机油门收至慢车（相当于汽车怠速状态）位置，导致落地后地面扰流板（Spoiler）和自动刹车未启动；飞机落地后，当自动油门转为人工操作模式后，2号发动机油门仍大于慢车推力。落地13秒后，飞行员使用手动刹车，仍未能在剩余跑道上完成减速程序。2、监控飞行员在飞机落地时，未能按照公司的标准操作程序先检查飞机上仪表显示扰流板状态后再呼叫“Spoiler”，以导致没有发现地面扰流板未启动。
资料援引：
原作者：官文霖 台 飞航安全调查委员会 原标题：揭开黑盒子的秘密
wikipedia

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