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黑匣子:航空技术进步的历史和几个关键问题

3月21日,一架隶属于东航云南公司的波音737-800飞机(航班号MU5735)在执行昆明至广州的航班任务时于广西梧州上空失联并坠毁。

经过6天的搜救,国家应急处置指挥部于3月27日确认,MU5735航班上人员已经全部遇难。同日,国家应急处置指挥部也表示,MU5735航班的第二部“黑匣子”也已经被发现,并于当日下午安全送抵北京。

至此,MU5735的两部“黑匣子”已经全部寻获,这对于解读事故发生的原因和发生时情况具有重大意义。

几经变迁的“黑匣子”

“黑匣子”的正式名称为飞行记录仪。每架民航飞机上都装有两个“黑匣子”,分别是“驾驶舱声音记录仪”(CVR)和“飞行数据记录仪”(FDR)。自从20世纪60年代被应用于民航飞机上,“黑匣子”就成为全球民航运营不可或缺的重要安全装置。

“黑匣子”的原型出现于20世纪40年代初。1939年,法国人弗兰索瓦·胡塞诺特(François Hussenot)和保罗·博杜伊(Paul Beaudouin)用其发明的“HB型”飞行记录仪进行了最早的记录尝试。

胡塞诺特后来创立了SFIM公司,这一公司后来成为赛峰集团的一部分。

“HB型”飞行记录仪本质是一台微型相机,能够将飞机仪表盘上的数据拍摄在一张8米长、88毫米宽的滚动摄影胶片上。此后直到20世纪70年代,法国飞行测试中心一直使用这种“HB型”飞行记录仪。

基于摄影原理的飞行记录仪具有不用解码、即时可看的优势,但胶片也存在易燃、记录不可擦除、不可反复使用等缺陷,因此主要被应用于飞机试飞期间。

二战期间,美国和英国空军也不约而同地都在军用飞机上使用了飞行记录仪。

1945年,英国人莱恩·哈里森(Len Harrison)和维克·哈本德(Vic Husband)受当时英国国防部委托,发明了一种以铜箔为记录介质、能够记录飞机仪表读数的装置,并应用在了英国的军机上。

而1943年,美国空军也用磁线记录仪进行了一项实验,记录了在德国占领的法国上空执行战斗任务的B-17轰炸机机组人员的电话通话。

随着二战的结束,全球进入民航时代,多个国家的多位发明家都将目光投向了民用航空安全领域。

1948年,美国明尼苏达大学机械工程教授吉姆·瑞安(James J. Ryan)受当时美国民用航空局(US Civil Aeronautics Board,现美国联邦航空管理局FAA前身)的委托,开始飞行记录仪的研发工作。

瑞安VGA

1953年8月,瑞安提交了一份名为“飞行记录仪”的发明专利,并于1960年获批。

瑞安发明的飞行记录仪分为两个小隔间,上面是记录设备,下面是测量仪器,主要测量空速、加速度和高度,然后将数据记录在缓慢移动的铝箔片上。这一装置唯一的外部部件是给电动机供电的电线。

这一装置结构也被简称为“瑞安VGA(V表示速度,G表示重力,A表示海拔高度)”。其特点是轻便小巧、安装方便、工作稳定,它可以在没有维修的情况下工作300小时。

1957年,美国民用航空局规定所有超过12500磅(约5670千克)的飞机都必须具备飞行记录仪。因此,在20世纪70年代之前,所有安装于美国飞机上的飞行记录仪都基于瑞安VGA原理改良而来。

不过,现在普遍应用在民航飞机上的FDR,则来自于澳大利亚科学家大卫·沃伦(David Warren)的发明。

“彗星”客机

二战后,英国·哈维兰航空公司研制的全球首型喷气式客机“彗星”带领世界进入了喷气式民航时代,但从1952年正式投入民航运行,“彗星”客机屡屡发生事故,仅在1953年至1954年之间就发生了3次坠毁事故,这使得“彗星”品牌遭到了重大打击。

作为英联邦成员,澳大利亚科研人员也参与到“彗星”客机坠毁的调查中。当时,澳大利亚民航部负责航空燃料领域的科研人员大卫·沃伦(David Warren)提出了一种设备构想,在记录飞机仪表读数的同时记录驾驶舱里的声音。

1954年,沃伦发表了一篇题为《一种协助调查飞机事故的装置》的报告。而同年,“彗星”客机因为屡次发生坠毁事故已经被停飞。在报告中,沃伦提到:“由于飞机飞行得越来越快、越来越远,必须考虑到事故发生后的调查工作,这些装置是必需的。”

1958年,沃伦制造了第一个FDR/CVR组合原型机。

此前的飞行记录仪虽然记录了一些飞行数据,但是并不记录驾驶舱语音,而且不能重复使用。沃伦发明的飞行记录仪依赖于磁记录媒介,也就是磁带,容易擦除和重录,更适用于日常航班运行。

晚年的沃伦与其发明的飞行记录仪原型

一开始,澳大利亚本地和其他地区的航空管理机构都对此不感兴趣,大家普遍认为对驾驶舱声音的记录涉及“隐私问题”。当然,还有个重要的背景是澳大利亚从不是民航科技发展的核心地区。

但时任英国航空注册委员会秘书罗伯特·哈丁汉(Robert Hardingham)很快发现并意识到这一发明的价值。哈丁汉邀请沃伦在英国演示原型机,并随即安排团队协助沃伦完善这一装置。

“红蛋”

此后,这一装置正式量产,并因其外形和鲜红的颜色被称为“红蛋(Red Egg)”。

进入20世纪60年代,美国、英国、澳大利亚等国的政府与民航管理部门陆续出台规章,要求所有商用飞机都必须携带飞行记录仪。自此,飞行记录仪逐渐成为全球民航飞机的标配。

现在的飞行记录仪

从20世纪60年代到90年代,大多数飞行记录仪的核心存储介质都是磁带。到20世纪90年代之后,随着固态存储设备的出现,飞行记录仪中的磁带也被更小、更易保存的数据记录板所替代。

随之,飞行记录仪的存储容量也指数级上升,其能够记录的数据越来越多。现在,全球多家航空机载设备生产商都生产并供应飞行记录仪。

部分厂家生产的飞行记录仪。

关于“黑匣子”的一些关键问题

“黑匣子”这一称呼语出何处?

“黑匣子”最初被用于形容二战时英国皇家空军飞机上的一个装置——当时英国飞机上的无线电、雷达和电子导航设备通常是秘密的电子设备,被封装在不反光的黑匣子或外壳中。

1958年,英国航空研究委员会(British Aeronautical Research Council)在对沃伦发明的飞行记录仪进行审查时,航空专家首次使用了“黑匣子”一词形容沃伦的发明。

飞行记录仪为何被安装在机尾?

根据以往航空事故调查得出的经验,飞机机尾是最容易保存的部位。因此飞行记录仪通常被安装在这一部位,以便最大限度提高其在坠机中幸存的可能性。

飞行记录仪能记录哪些信息?

早期的记录仪记录基本的飞行信息,如航向、高度、空速、垂直加速度和时间。现在飞行记录仪可以记录更多的参数,包括油门和飞行控制位置等。

以FAA的相关规定为例,新制造的飞机必须监测至少88个重要参数,如时间、高度、空速、航向和飞机姿态。此外,一些飞机记录仪可以记录超过1000个其他飞行特征的状态,其监控项目包括襟翼位置、自动驾驶模式、甚至烟雾报警器的情况等。

而驾驶舱声音记录仪则不仅能够记录机组人员的语音,还会记录下发动机噪声、失速警告、起落架的收放以及其他“咔嗒、咔嗒”的声音。从这些声音中,民航领域的专家通常可以确定发动机转速、系统故障、速度和某些事件发生的时间等参数。

飞行记录仪的信息能否被公开?

美国国家交通安全委员会(NTSB)针对驾驶舱声音记录仪(CVR)提出专门要求:由于驾驶舱内的口头交流高度敏感,美国国会要求NTSB不要公布任何部分CVR录音。而NTSB发布书面记录的内容和时间也受到相关法律的管制,在一些情况下需要召开公开听证会。

飞行记录仪能承受多大的冲击?

根据国际民用航空组织(ICAO)的要求,飞行记录仪必须能够在飞机发生严重事故时的任何条件下保存。根据欧洲民航组织设备文件第112条(EUROCAE ED-112)的要求,飞行记录仪能够承受最大达3400G的冲击和超过1000°C的温度。

如何寻获飞行记录仪?

飞机记录仪上不安装无线电发送装置,但配备有水下定位信标(ULB),以协助在发生水上事故时进行定位。

这种被称为“声波发射器”的设备在浸入水中时会被激活。它以37.5 KHz的频率发送声音信号,供搜寻者用接收器探测并确定方位。不过这一信号覆盖范围有限,仅在200至300千米左右。当电池耗尽(理论上电池可以支撑30天)或设备遭损坏后,这一声波发射器就会停止工作。

法航447航班的“黑匣子”沉没在海底两年后才被寻获。

但即便如此,也不是所有的航空事故后飞行记录仪都可以被寻获。2009年法航447航班的“黑匣子”搜寻工作持续了两年;而2014年马航MH370航班的“黑匣子”至今未被寻获。因此现在有诸多人士正在呼吁,希望飞行记录仪能够改善性能,做到与地面实时共享数据,或延长水下定位信标的电池寿命。

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