黑匣子助力空难调查

文/李忠东

黑匣子是自飞机问世以来，在不断的飞机失事调查中慢慢发展起来的产物，它集中了许多工程师和飞行员的智慧。它的全称叫作“飞行信息记录系统”，它通常在飞机启动后开始记录和存储最近一段时间的飞行数据及语音信息。新数据将不断地覆盖原有的数据，能最大限度地保存和还原整个飞行数据，以供分析事故原因。

早期的飞行记录仪主要在军用飞机上应用，后来也应用在民航飞机上。为了在空难事故发生后更好地发现黑匣子，它通常被安装在比较醒目的橘色盒子里（外表涂有“飞行记录器，请勿开启”的提示），表面还贴有方便夜间搜寻的反光标识。黑匣子一般安装在飞机尾部，因为在绝大多数的空难事故中，这一部位往往保存得较为完整。

每一架客机上都有驾驶舱话音记录器和飞行数据记录器两个黑匣子。其中，驾驶舱话音记录器又称“座舱通话记录器”。它实际上就是一个无线电通话记录器，飞机通电时开始记录，断电后停止记录，记录时长2 至3 小时左右。它可以记录4 个通道的声音，分别为机长通道、副驾驶通道、备用通道和环境声音通道。而飞行数据记录器主要记录飞机高度、速度、加速度、航向、飞行时间、俯仰角、滚转角和垂直速度，以及机组的操作如驾驶盘杆量、油门等1000 个左右的飞行参数，记录的时间范围至少是飞机断电才停止，或失事坠毁前的最后25 小时。

黑匣子是飞机上最坚固的部件之一，长50 厘米，宽20 厘米，高15 厘米，重20～30 千克。它共有4 层，从外到内分别是用耐腐蚀的钛和不锈钢制的双层外壳、高温绝缘层、防寒保温层和储存器，能够抗撞击挤压、抗磁干扰、抗腐蚀、耐高温和耐海水浸泡。联合国国际民用航空组织对黑匣子的材质有明确要求：能承受3400 克的加速度，相当于重力加速度的3400 倍，大约相当于以500 千米的时速发生撞击；在1100℃高温下的耐火时间能长达60分钟，耐海水浸泡时间为30 天，扛得住6000 米深海的压力。

黑匣子除了能为重现空难当时的情景提供最有力的佐证外，还具有其他功能。例如，可以用来监控飞行员平日的驾驶情况，纠正其不良驾驶习惯。因为在各类空难事故的原因分析中，飞行员操作失误占事故数量的一半左右。再如，可以监测飞机运行状态和部件健康状态，以排除事故隐患。

黑匣子的更新换代非常频繁，大大提升了空难事故分析的精准度。第一代黑匣子诞生于20 世纪50 年代初，是在飞机设计试飞记录设备的基础上改进的，其工作原理是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、垂直负载和时间等5个飞行参数。第二代黑匣子诞生于20 世纪50 年代末，类似于普通磁带机，但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，一般可以记录几十个参数，并同时出现了座舱音频记录器。第三代黑匣子出现于20 世纪90 年代。随着微电子技术的突飞猛进，黑匣子开始采用半导体存储器记录数据，记录参数一般为几百个，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。

黑匣子——国际民航规定所有客机必须安装的设备

最新一代黑匣子可以记录视频信息，记录的参数多达几千个，且能够通过卫星等数据链定期传输关键数据。此外，新型抛放式黑匣子也已经出现，它能够在飞机坠毁时自动与机体分离。美国国家运输安全委员会还建议在飞机上安装第三个黑匣子，除了记录飞行参数和驾驶舱通话外，还可以通过一个摄像头，把驾驶舱内的实时画面记录下来，以便更好地分析事故原因。

搜寻与译码困难多

黑匣子的重要性不必赘言，硬核的防护措施一般可以保证黑匣子数据的安全。但在空难发生后，飞机坠毁于海洋中或陆地上，寻找黑匣子却非常艰难。

在水中寻找黑匣子主要依靠“水下定位信标”和“被动声呐信标”两套定位系统。黑匣子入水后，它的“水下定位信标”就会自动开启，连续不断地发射信号，直到黑匣子的电量消耗完为止。一般情况下，电量可以保证“水下定位信标”工作一个月。因此，救援人员最好要在30 天内找到它，不然等电量消耗完，黑匣子便成了大海中的一根“针”了。

“水下定位信标”发射的信号，分高频和低频两种频次。高频段的“水下定位信标”可以发射频率为37500 赫兹的声波，强度大，更易探测到。不过信号的范围有限，一般只能在4 千米的范围内探测到，且更费电，只能运行30天。而低频段的“水下定位信标”采用的是8800 赫兹的声波，在海面上可发射到20 千米之外的区域，人耳能够听到。因为它的频率比较低，所以比较省电，可以运行90 天。而“被动声呐信标”专门应用于水下。由于纯声音信号在水下环境中会不断衰减，因此可以利用拖拽声呐进行测距，然后不断逼近，完成定位。

即便是这样，在海上搜寻黑匣子也极为不易。相对于辽阔的海面，十几千米的搜寻范围实在是太小了，必然造成黑匣子定位困难。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，从1970 年至2009 年，大型民用客机在公海坠毁的36 起事故中，有4 起迄今未找到飞机残骸，9 起未找到黑匣子。

在陆地上寻找黑匣子，目前主要是利用其明亮的外表、独特的颜色和反光标识，依靠人工目视和搜救犬的鼻子进行搜寻。如果黑匣子被埋入土中，那么救援人员可以使用金属探测仪等探地工具进行寻找。为了扩大搜索范围和避免遗漏，需要花费巨大的人力进行地毯式、拉网式的搜索。

即便救援人员能够顺利地搜寻到黑匣子，想要破译其数据，揭开空难的真相也决非易事。这是因为黑匣子数据的下载和译码都需要一定时间。如果内部存储单元出现损坏，则可能耗时更久。黑匣子的解读时间要根据其损毁严重情况而定，有可能几天，也有可能数月。根据损伤情况来决定将它送往哪里，如果情况尚好，一般会将它送到政府指定的民航专业机构实验室进行译码分析。倘若损伤情况较为严重，则需要先送到设备原制造厂进行恢复处理。

驾驶舱话音记录器

要获取黑匣子的数据，需要用特殊的技术将其进行物理恢复。民航安全专家在对它的外表进行清洗和真空干燥后，将采用特殊设备进行修复读取和数据下载，解读黑匣子内的信息。驾驶舱话音记录器多数是采用传统的磁带方式，一旦找到磁带，可通过诸多办法进行破译。如果磁带没有损坏，那么现有技术就可以顺利提取录制的声音内容。在磁带损坏但磁条没有遭到严重破坏的情况下，目前也仍有办法解读。最坏的情况是磁条也有损坏，但只要不是完全损坏，至少可以把未损坏的部分解读出来。

对黑匣子的数据进行解读后，还要对数据库进行核对，对误码进行校正，才能破译黑匣子内的记录内容。译码完成后，民航安全专家可根据获取的内容和数据，结合之前掌握的飞机整体运行过程以及调查结果，作一个初步的判断。在整个过程中，最重要的就是找到异常情况，一旦发现疑点，就不放过任何蛛丝马迹。

入“云”定位非易事

有人提出，如果把黑匣子升级成“云匣子”，那么飞机在空中就能够实时跟地面进行信息交互，使空难事故的分析变得更加便捷。然而，要让黑匣子实现所有数据云同步，却没有那么简单，同步传输和云存储的障碍太多。首先，黑匣子的内部很难搭载实现数据同步所需的操作环境。黑匣子在质量、尺寸和能耗上都有严格的限制，其最主要的任务是保存数据，其他方面的性能则很差。为了抵抗强大的物理冲击，它不能使用一般的硬盘、SD 卡这些大容量存储设备。黑匣子的数据存储能力还不到一般笔记本电脑的百分之一，通常只有1G～4G 的存储空间来保存所有的系统文件，无法执行运算等任务。它的设计要求能够用有限的电量运作足够长的时间，因此配备独立的电源，以确保在飞机发生异常时，记录仪器能够继续工作。一旦落水，这个电源还要维持水下定位信标工作至少30 天。这样一来，仪器的能耗就要尽可能地降低。如果再加装一个数据发射模块，就实在太费电了。

其次，黑匣子的内部缺乏一个非常稳定的网络环境。目前，飞机上的Wi-Fi 信号不但网速慢，而且连接也不稳定，难以做到同步保存黑匣子的关键数据。飞机上的Wi-Fi 信号主要依靠两种技术接入互联网，分别是地面的基站网络和天上的卫星网络。天气状况、地形、卫星的位置等因素都会影响网络的稳定性。虽然目前飞机上已经有很多数据可以实时传回，但从实际来看，空地数据传输的可靠性还不高。实时传递与区域和传输信号有关，在空中会遇到信号干扰。黑匣子记录的数据多达几百种，需要确保数据记录连续完整，全部实时传回的数据量大。无论是飞机上的Wi-Fi信号，还是无线电、雷达、卫星电话等系统，都无法做到这点。

最后，实时同步每一台飞机的海量数据，并无必要。当前的民航空管监控系统可以实时监控飞行速度、高度等数据，飞机也能通过卫星电话与地面沟通重要信息。如果把所有详细的飞行数据、驾驶舱对话这样的信息都实时同步，产生的海量数据对飞行管理并无帮助，更无必要。黑匣子是一个事后响应的重要部件，发生空难事故是一个极小概率的事件，为此投入高昂的成本需要认真考虑和权衡。在相同条件下，直接将这些成本和资源用于飞行安全方面无疑是更好的选择。

黑匣子的研制者，被誉为“黑匣子之父”的戴维·沃伦，有着一段鲜为人知的人生经历。1925 年，他出生在澳大利亚，父母都是英国人。1934 年，父亲因空难不幸去世，可惜没有人知道飞机失事原因，因为那时还没有记录飞机飞行情况的技术。从此，找到害死父亲的“凶手”成了戴维·沃伦一生的夙愿。他从悉尼大学毕业后，在一个航空实验室当工程师，研究飞行燃料的相关问题。1953 年，世界上第一架喷气式民航飞机“彗星号”坠毁，这次事故更加坚定了他发明黑匣子的想法，成为他之后为之奋斗和努力的目标。

一次偶然的机会，戴维·沃伦从录音机的录音功能中获得灵感，并进行了深入研究。1954 年，他发表了有关黑匣子设想的论文，描述了一个用于记录飞机出事前的各种数据信息的储存器，便于后续调查人员还原事故真相。戴维·沃伦和他的同事经过一次次的试验，终于在1956 年成功研制出“飞行记忆匣”，并向澳大利亚航空局展示了他们的成果。飞行记忆匣可以保存4 小时的语音和飞行数据，是今天黑匣子的雏形。不过，澳大利亚的飞行组织拒绝使用这个数据记录系统，理由是这样的监控可能会被滥用，会引起飞行员群体的反感和不满。戴维·沃伦并没有因为官方的不认可而停止实验，依然坚持完善飞行记忆匣的研究工作。他表示：“支撑我研究的是当年父亲空难时留下的遗憾，我不想再有人像自己一样对亲人的遇难原因毫不知情。”

1958 年的一天，英国前空军中将罗伯特·哈丁汉来到了戴维·沃伦的实验室，戴维·沃伦为客人示范和讲解了飞行记忆匣的性能。罗伯特·哈丁汉对这项发明产生了浓厚的兴趣，认为这是一个非常棒的主意，并相信日后将会成为航空事故调查的有力工具。之后，英国民用航空管理局首次在一架飞机上安装了飞行记忆匣，来验证它的可靠性。戴维·沃伦受邀乘坐了这架飞机，从澳大利亚飞到英国，飞行记忆匣也首次得到媒体的关注。

在近50 年的时间里，戴维·沃伦在黑匣子方面的开创性工作几乎无人知晓。1960 年，荷兰福克飞机公司的一架飞机在昆士兰地区坠毁，机上29 人全部遇难，事故调查员强烈要求在所有的飞机上安装黑匣子。至此，澳大利亚政府开始重视黑匣子的作用。又过了3 年，澳大利亚政府才要求国内所有飞机必须安装黑匣子，然后黑匣子被推广到全世界。2002 年，澳大利亚当局为戴维·沃伦颁发了“澳大利亚国家勋章”，这是澳大利亚授予平民的最高荣誉。2008 年，澳大利亚航空公司还将一架空客A380 客机命名为“沃伦”。黑匣子成了国际民航组织规定所有客机必须安装的设备，而拥有这项知识产权的戴维·沃伦却将这项技术无偿捐献，没有拿过一分钱。他认为新点子、新技术是无价的。