黑匣子

王洁

摘 要：在世界各国民航条例的强制下，无论是货运飞机、客运飞机、还是直升飞机都必须安装飞行数据记录器（F1ight Data Recorder简称FDR，即通常所说的“黑匣子”），其主要用于飞机的日常飞行训练，考核飞行员驾驶水平，监控各个系统的工作状态，更主要的目的是用于对事故原因进行分析。本文主要对飞行数据记录器的功能，发展历程、搜寻技术以及未来的发展趋势等方面进行探讨。

关键词：黑匣子；水下定位信标；抛放式；ACARS；北斗导航系统

自20世纪初飞机诞生以来，世界航空业已取得了突飞猛进的发展。可在这个过程中，飞行事故也一直伴随着航空航天技术的发展。每一次事故或者空难，人类付出的代价是惨痛的。因此在事故发生后，对事故原因进行调查就显得极其必要。通过对飞行事故进行调查和分析，可以暴露飞机在设计、制造、使用、管理等方面存在的缺陷，避免同类事故再次发生，并且可以促使航空技术的不断改进和管理工作的进步，进而推动航空科技水平的持续发展和安全性水平的提高。可是造成事故或空难的原因，往往是很难找到的。人们希望有一种设备能够实时记录飞行器在飞行过程中、事故发生前的一段时间乃至事故发生的时刻某些飞行技术数据，为事故调查提供科学的依据和参考价值。因此，一个被称作“黑匣子”的仪器诞生了。

1 功能介绍

“黑匣子” 由飞行数据记录系统（Flight Data Recorder System， 简称FDRS）和座舱音频记录系统（Cockpit Voice Recorder ，简称CVR）组成，简称为“飞参”。因为在一些事故中记录器经过火烧后变成了黑色，且事故的记录器存储的数据非常关键和神秘，所以人们将飞参记录器称为“黑匣子”。而橙色是电磁波的可视光部分中长波部分，波长大约为590-610nm，易于被人类的肉眼识别，且一些大型海洋生物对橙色较敏感，不易对其产生攻击，因此“飞参”被设计为橙色。为了方便夜间搜寻，其表面还往往贴有反光标识。

1.1 座舱话音记录仪

话音的记录是通过座舱话音记录仪（CVR）实现的。它类似于一个无线电通话记录器，可以记录飞机上的各种通话，目前的记录时间为两个小时。这一仪器上的4条音轨分别记录飞行员与地面指挥机构的通话，正、副驾驶员之间的对话，机长、空中小姐对乘客的讲话.以及驾驶舱内的各种声音。由于空难一般发生在短暂的瞬间，有时飞行员和全部乘务员同时遇难，调查事故的原因会有很大困难，而CVR能帮助人们根据机上人员的各种对话分析事故原因，以便对事故作出正确的结论。

1.2 飞行数据记录系统

飞行数据的记录通过与飞机各机械部位和电子仪器仪表都装有传感器相连的飞行数据记录系统（FDRS）来实现。它可以将飞行高度、速度、航向、爬升率、下降率、加速情况、耗油量、起落架放收、格林尼治时间、还有飞机系统工作状况和发动机工作参数等飞行参数都记录下来，并且这些数据可被保留25个小时。当超过这个时间时，数据记录仪就自动吐故纳新，旧数据被新数据覆盖。当需要时可以把所记录的内容进行解碼。

由于黑匣子在记录信息时采用的是循环记录的方式，一旦达到存储容限，之前记录的信息就会被冲刷掉。为防止飞机在遭遇事故后，黑匣子继续记录无效的数据和语音信息，造成有效信息被冲洗掉。它在设计时与飞机发动机相连，当最后一台发动机关车10分钟后，它就立即停止工作，但在空中时，若双发同时停车，它仍然能够正常的记录数据和语音信息。

1.3 安装位置

黑匣子作为一种事关飞行安全的重要航空电子设备，具有抗强冲击、抗穿透、抗高温火烧、抗深海压力、耐海水浸泡、耐腐蚀性液体浸泡等特种防护能力，能在各种飞机事故中保存其内部存储的信息。为了使飞机坠毁时对其的破坏降到最低，一般来说，飞行数据黑匣子安装在飞机尾部。为了更好的采集和记录语音信号，座舱音频黑匣子安装在飞机前部。“黑匣子”连接飞机应急供电电源，确保其能工作到最后时刻。

2 发展概况及工作原理

黑匣子伴随着飞行安全的迫切需求以及飞机制造水平的不断进步而快速发展，在上世纪50年代初，经过对飞机设计试飞记录设备的改装，第一代黑匣子诞生了，其通过在金属箔带上用针留下划痕来反映数据变化曲线，仅能记录航向、高度、空速、垂直过载和时间等5个飞行参数。在上世纪50年代末，出现了类似于普通磁带机的黑匣子，为了保障数据的安全性，在磁带机外面加装了具有抗冲击、耐火烧等能力的保护外壳，黑匣子一般可以记录几十个参数，与此同时还出现了座舱音频记录器，使其在记录数据的同时也能够采集音频信息。

随着微电子技术的突飞猛进，从上世纪90年代起，黑匣子开始采用半导体存储器记录数据，其记录参数也上升到了几百个，功能已从飞行事故调查，逐渐延伸到日常飞行员监控、飞机故障诊断与维护等方面。相比于磁带机式的记录方式，半导体存储器对数据和信息的保护力更强。

航空事业的不断进步也带动着黑匣子的发展，新一代黑匣子可以记录视频信息，记录的参数数量也多达几千个，并且能够通过卫星等数据链定期传输黑匣子的关键数据。但由于通讯带宽和信号盲点以及气象环境等影响，数据实时传输方式无法完全取代传统黑匣子的作用。

3 记录仪搜寻

3.1 地面搜寻

为了高效的对事故原因进行调查，事故发生后的第一步就是回收记录仪。此时飞行事故调查中心会派出飞行记录仪专家与调查组一起去现场，这样有助于随后的记录数据分析与保护。到了现场查看残骸，找到记录仪并将其取回。若记录仪已从飞机上甩出，则需要根据飞机接地姿态，推导出飞机在碰撞过程中的运动，通过分析事故航迹图，事故现场图和残骸分布图大致确定黑匣子的具体位置，黑匣子外表明亮、独特的颜色和反光标识使搜寻难度大大减小。若黑匣子坠入地下，则应备好除积水和流沙的工具设备，分层挖掘并详细记录残骸分布的位置及破坏情况。在找到黑匣子后，应注意不能现场拆卸，因为记录仪在遭受撞击后，其内部机件可能变形，若操作不当可能会导致记录数据被损坏。

3.2 水中搜寻

根据空气动力学的原理，飞行升力的获得主要依靠机翼上下表面的静压差，且飞机上升，偏航，滚转等姿态的实现也是通过舵面的偏转实现。而海洋上空气流不稳定，且恶劣天气情况较多，而此时又没有可以使飞机降落的跑道，若飞机失去控制，唯一的后果就是坠洋。

当坠洋事件发生后，事件调查组会对飞机残骸进行打捞，此时对于黑匣子的打捞是工作的重中之重。相比于地面回收，水中回收难度加大许多。黑匣子在水下定位主要依靠水下定位信标（Underwater Locator Beacon 简称ULB）。它是一个电池供电的水下超声波脉冲发生器，牢固地安装在黑匣子外部。一旦黑匣子入水，信标上的水敏开关启动信标工作，通过信标的金属外壳把频率为37.5kHz的超声波信号发射到周围水域，每秒一个脉冲。当水下定位信标发出信号时，可以通过专用声呐探测仪进行定位。由于信标信号的可探测范围相对于大海而言极其有限，一般先要进行残骸大致范围定位，然后再通过拖曳式声呐缩小定位范围，最后再使用可以定位信号来源方向的水听器，定位黑匣子的方位。此种水下信标可以在6096米的深度内发出超声波，但信号必须在距离信标1800—3600米的范围内才能够被仪器探测到，且海水的状态、周围的船只、海洋动物、石油管道以及其他因素造成的周围噪音都会影响信标的被探测范围。由于电池容量有限，其一般只能连续工作30天，30天后随着电量逐渐耗尽，超声波信号将越来越微弱直至停止工作。当信号发生器停止工作后，对黑匣子的搜寻无异于大海捞针。不过随着航空仪表设备技术的不断发展，蓄电量更大的黑匣子将在不久的将来诞生，而这也为高难度的水下搜寻争取了更多的时间。

如果黑匣子沉入浅海，可由潜水员进行打捞。当黑匣子沉入深海，且超过人工潜水深度时，则需要使用专门的搜索、打捞设备，一般可使用轮船放下水下线控机器人，操作人员在船上通过综合显示控制台，控制机器人携带的海底声呐扫描设备、信标方位定位器、深海摄像头定位黑匣子，通过机械手打捞黑匣子。

4 黑匣子的未来

黑匣子虽带有水下定位信标，但由于信标作用距离仅为几千米，坠毁时可能与黑匣子分离，且电量有限，一旦定位信号消失，将很难对黑匣子进行定位。即使定位成功，深海打捞也存在难度大、时间长、费用高，甚至无法打捞等问题。据统计，1970—2009年，大型民用航空器在公海坠毁的36起事故中有4起未找到飞机残骸、9起未找到黑匣子，反映出水下定位信标定位方式存在一定的局限性。

除了黑匣子能夠在飞机事故后发出定位信号，民航规章要求载客19人以上的飞机必须至少装备一台应急定位发射机（Emergency Locator Transmitter，简称ELT），其在事故后通过无线电和卫星方式发送定位信号。但如果在水面失事时幸存人员来不及携带和打开ELT，或ELT与残骸一同沉入水下，其就会失去作用。

4.1 “抛放式”黑匣子

为了解决发生水上事故后定位打捞黑匣子困难以及陆地事故后黑匣子存活率达不到100%的难题，抛放式黑匣子应运而生。此类黑匣子可通过其坠毁感知传感器监控飞机事故时触地或坠海瞬间的特征参数异常变化，迅速控制其与机体抛放分离，原理与汽车在撞击瞬间释放安全气囊相似。黑匣子在事故瞬间离机后，如果落在陆地，可避免机体残骸的冲击和火烧等破坏；如果落在海上，可避免随机体坠入海底，其设计还可保证以预定的姿态漂浮在海面上。之后，黑匣子通过无线电和卫星自动发送定位信号。定位抛放黑匣子的过程首先是通过搜救卫星406MHz频率初步确定搜寻范围，然后再通过121.5MHz频率的无线电定位仪完成定位，卫星可实现全球定位，无线电定位范围通常为几十到几百千米。由于具有以上特点，抛放式黑匣子不但便于事故后搜寻和打捞，同时可作为传统黑匣子的备份提高数据存活率。

4.2 飞机通信寻址报告系统

黑匣子虽然能为飞行事故调查提供一定的帮助，但其仍然存在很多问题。若飞机失事在大洋中脊海底山脉两侧，此时两边都是海底悬崖，平均水深4000米，接近黑匣子的极限，如果这种情况下信标发射器与数据记录部分分离，很可能只找回信标，而记录数据的部分落入更深的海底。即使存在抛放式黑匣子，也不能保证在海洋上顺利找到黑匣子。严峻的打捞环境加上监听信标信号、磁罗盘定位都存在较大的误差，因此寻找黑匣子终究不是个办法，需要有替代的方案。

目前已经有一些方案可用于替代黑匣子，比如使用卫星导航系统与飞参系统连接，可实时监控每架客机的飞行状态，客机的飞行参数会上传给卫星，地面能做到对客机了如指掌，如目前空客A380上所使用的飞机通信寻址报告系统（Aircraft Communication Addressing and Reporting System，简称ACARS）可将飞机与地面控制中心通过数据链连接起来，并自动发送故障报告。它的主要构成是一个航电计算机和控制单元。航电计算机的任务就是与地面建立连接，通过甚高频传输飞行参数。要想实现地空双向数据畅通，还需要一个数据链的供应商，这样地面就可以获得来自飞机通信寻址报告系统的下行参数，其中包括飞机位置、目前的飞行状态、发动机转速，甚至是否存在故障都可以了解。同时，航空公司的地勤在获得来ACARS的飞参后，可以提前给出诊断建议和方法，这就提高了飞机故障的及时排除效率，目前一些民航客机的地勤需要等飞机降落后到飞机上去获得相关数据，显然ACARS将整个系统的工作效率都提升了。此外，ACARS系统可以对飞行轨迹进行辨别，对于异常的飞行轨迹可以做出警告，使得客机的动态得到更多的健康管理。

4.3 北斗导航系统

当然ACARS系统并非神乎其神，其在实际应用中也遇到过问题，比如下传位置信息过于频繁，一般情况下10分钟左右下传一次位置信息，故障时几秒钟就有一次，这就会造成地面出现数据堆积，从这一情况可以看出，ACARS系统还存在一些需要改进的地方，这也是没有进行大规模推广的原因之一。

除了ACARS系统外，还可以使用全球定位系统技术来寻找黑匣子，鉴于GPS不具备双向报文通信的特点，因此可以嵌入北斗导航系统，可有效对高亚音速空中飞行目标进行定位捕获，未来动态响应速度接近2倍音速，因此建立在此基础上的黑匣子已经具备了取代传统黑匣子的能力。目前我国正大力发展北斗全球定位系统，推出可以使用GPS和北斗两种导航定位手段的黑匣子。

5 结语

黑匣子在空难事故调查中扮演着重要作用，但由于搜索、打捞的过程难度较大，有些时候即便找到黑匣子也因为其损坏而失去了使用价值，因此寻找一种成熟、可承受的飞参记录数据系统是未来的发展方向。

参考文献

1、周雄武 汪建华 张玉东 飞行事故调查的作用和目的 【期刊论文】 航空维修与工程2011（2）

2、程道来 杨 琳 仪垂杰飞 机飞行事故原因的人为因素分析 中国民航飞行学院学报 2006，17（6）

3、R.A.戴维斯 谢燕生译 飞行记录仪在事故调查中的作用 飞行事故的检查和分析 中国人民解放军空军第一研究所 1978.8

4、 龚立 新型故障监控系统在现代大型民用飞机及高端汽车上的应用 【期刊论文】 中国检验检疫 2013（11）