黑匣子:航空技術進步史與幾個關鍵問題
3月21日,一架隸屬于東航云南公司的波音737-800飛機(航班號MU5735)在執行昆明至廣州的航班任務時于廣西梧州上空失聯并墜毀。
經過6天的搜救,國家應急處置指揮部于3月27日確認,MU5735航班上人員已經全部遇難。同日,國家應急處置指揮部也表示,MU5735航班的第二部“黑匣子”也已經被發現,并于當日下午安全送抵北京。
至此,MU5735的兩部“黑匣子”已經全部尋獲,這對于解讀事故發生的原因和發生時情況具有重大意義。
幾經變遷的“黑匣子”
“黑匣子”的正式名稱為飛行記錄儀。每架民航飛機上都裝有兩個“黑匣子”,分別是“駕駛艙聲音記錄儀”(CVR)和“飛行數據記錄儀”(FDR)。自從20世紀60年代被應用于民航飛機上,“黑匣子”就成為全球民航運營不可或缺的重要安全裝置。
“黑匣子”的原型出現于20世紀40年代初。1939年,法國人弗蘭索瓦·胡塞諾特(Fran?ois Hussenot)和保羅·博杜伊(Paul Beaudouin)用其發明的“HB型”飛行記錄儀進行了最早的記錄嘗試。
胡塞諾特后來創立了SFIM公司,這一公司后來成為賽峰集團的一部分。
“HB型”飛行記錄儀本質是一臺微型相機,能夠將飛機儀表盤上的數據拍攝在一張8米長、88毫米寬的滾動攝影膠片上。此后直到20世紀70年代,法國飛行測試中心一直使用這種“HB型”飛行記錄儀。
基于攝影原理的飛行記錄儀具有不用解碼、即時可看的優勢,但膠片也存在易燃、記錄不可擦除、不可反復使用等缺陷,因此主要被應用于飛機試飛期間。
二戰期間,美國和英國空軍也不約而同地都在軍用飛機上使用了飛行記錄儀。
1945年,英國人萊恩·哈里森(Len Harrison)和維克·哈本德(Vic Husband)受當時英國國防部委托,發明了一種以銅箔為記錄介質、能夠記錄飛機儀表讀數的裝置,并應用在了英國的軍機上。
而1943年,美國空軍也用磁線記錄儀進行了一項實驗,記錄了在德國占領的法國上空執行戰斗任務的B-17轟炸機機組人員的電話通話。
隨著二戰的結束,全球進入民航時代,多個國家的多位發明家都將目光投向了民用航空安全領域。
1948年,美國明尼蘇達大學機械工程教授吉姆·瑞安(James J. Ryan)受當時美國民用航空局(US Civil Aeronautics Board,現美國聯邦航空管理局FAA前身)的委托,開始飛行記錄儀的研發工作。
瑞安VGA
1953年8月,瑞安提交了一份名為“飛行記錄儀”的發明專利,并于1960年獲批。
瑞安發明的飛行記錄儀分為兩個小隔間,上面是記錄設備,下面是測量儀器,主要測量空速、加速度和高度,然后將數據記錄在緩慢移動的鋁箔片上。這一裝置唯一的外部部件是給電動機供電的電線。
這一裝置結構也被簡稱為“瑞安VGA(V表示速度,G表示重力,A表示海拔高度)”。其特點是輕便小巧、安裝方便、工作穩定,它可以在沒有維修的情況下工作300小時。
1957年,美國民用航空局規定所有超過12500磅(約5670千克)的飛機都必須具備飛行記錄儀。因此,在20世紀70年代之前,所有安裝于美國飛機上的飛行記錄儀都基于瑞安VGA原理改良而來。
不過,現在普遍應用在民航飛機上的FDR,則來自于澳大利亞科學家大衛·沃倫(David Warren)的發明。
“彗星”客機
二戰后,英國·哈維蘭航空公司研制的全球首型噴氣式客機“彗星”帶領世界進入了噴氣式民航時代,但從1952年正式投入民航運行,“彗星”客機屢屢發生事故,僅在1953年至1954年之間就發生了3次墜毀事故,這使得“彗星”品牌遭到了重大打擊。
作為英聯邦成員,澳大利亞科研人員也參與到“彗星”客機墜毀的調查中。當時,澳大利亞民航部負責航空燃料領域的科研人員大衛·沃倫(David Warren)提出了一種設備構想,在記錄飛機儀表讀數的同時記錄駕駛艙里的聲音。
1954年,沃倫發表了一篇題為《一種協助調查飛機事故的裝置》的報告。而同年,“彗星”客機因為屢次發生墜毀事故已經被停飛。在報告中,沃倫提到:“由于飛機飛行得越來越快、越來越遠,必須考慮到事故發生后的調查工作,這些裝置是必需的。”
1958年,沃倫制造了第一個FDR/CVR組合原型機。
此前的飛行記錄儀雖然記錄了一些飛行數據,但是并不記錄駕駛艙語音,而且不能重復使用。沃倫發明的飛行記錄儀依賴于磁記錄媒介,也就是磁帶,容易擦除和重錄,更適用于日常航班運行。
晚年的沃倫與其發明的飛行記錄儀原型
一開始,澳大利亞本地和其他地區的航空管理機構都對此不感興趣,大家普遍認為對駕駛艙聲音的記錄涉及“隱私問題”。當然,還有個重要的背景是澳大利亞從不是民航科技發展的核心地區。
但時任英國航空注冊委員會秘書羅伯特·哈丁漢(Robert Hardingham)很快發現并意識到這一發明的價值。哈丁漢邀請沃倫在英國演示原型機,并隨即安排團隊協助沃倫完善這一裝置。
“紅蛋”
此后,這一裝置正式量產,并因其外形和鮮紅的顏色被稱為“紅蛋(Red Egg)”。
進入20世紀60年代,美國、英國、澳大利亞等國的政府與民航管理部門陸續出臺規章,要求所有商用飛機都必須攜帶飛行記錄儀。自此,飛行記錄儀逐漸成為全球民航飛機的標配。
現在的飛行記錄儀
從20世紀60年代到90年代,大多數飛行記錄儀的核心存儲介質都是磁帶。到20世紀90年代之后,隨著固態存儲設備的出現,飛行記錄儀中的磁帶也被更小、更易保存的數據記錄板所替代。
隨之,飛行記錄儀的存儲容量也指數級上升,其能夠記錄的數據越來越多。現在,全球多家航空機載設備生產商都生產并供應飛行記錄儀。
部分廠家生產的飛行記錄儀。
關于“黑匣子”的一些關鍵問題
“黑匣子”這一稱呼語出何處?
“黑匣子”最初被用于形容二戰時英國皇家空軍飛機上的一個裝置——當時英國飛機上的無線電、雷達和電子導航設備通常是秘密的電子設備,被封裝在不反光的黑匣子或外殼中。
1958年,英國航空研究委員會(British Aeronautical Research Council)在對沃倫發明的飛行記錄儀進行審查時,航空專家首次使用了“黑匣子”一詞形容沃倫的發明。
飛行記錄儀為何被安裝在機尾?
根據以往航空事故調查得出的經驗,飛機機尾是最容易保存的部位。因此飛行記錄儀通常被安裝在這一部位,以便最大限度提高其在墜機中幸存的可能性。
飛行記錄儀能記錄哪些信息?
早期的記錄儀記錄基本的飛行信息,如航向、高度、空速、垂直加速度和時間。現在飛行記錄儀可以記錄更多的參數,包括油門和飛行控制位置等。
以FAA的相關規定為例,新制造的飛機必須監測至少88個重要參數,如時間、高度、空速、航向和飛機姿態。此外,一些飛機記錄儀可以記錄超過1000個其他飛行特征的狀態,其監控項目包括襟翼位置、自動駕駛模式、甚至煙霧報警器的情況等。
而駕駛艙聲音記錄儀則不僅能夠記錄機組人員的語音,還會記錄下發動機噪聲、失速警告、起落架的收放以及其他“咔嗒、咔嗒”的聲音。從這些聲音中,民航領域的專家通常可以確定發動機轉速、系統故障、速度和某些事件發生的時間等參數。
飛行記錄儀的信息能否被公開?
美國國家交通安全委員會(NTSB)針對駕駛艙聲音記錄儀(CVR)提出專門要求:由于駕駛艙內的口頭交流高度敏感,美國國會要求NTSB不要公布任何部分CVR錄音。而NTSB發布書面記錄的內容和時間也受到相關法律的管制,在一些情況下需要召開公開聽證會。
飛行記錄儀能承受多大的沖擊?
根據國際民用航空組織(ICAO)的要求,飛行記錄儀必須能夠在飛機發生嚴重事故時的任何條件下保存。根據歐洲民航組織設備文件第112條(EUROCAE ED-112)的要求,飛行記錄儀能夠承受最大達3400G的沖擊和超過1000°C的溫度。
如何尋獲飛行記錄儀?
飛機記錄儀上不安裝無線電發送裝置,但配備有水下定位信標(ULB),以協助在發生水上事故時進行定位。
這種被稱為“聲波發射器”的設備在浸入水中時會被激活。它以37.5 KHz的頻率發送聲音信號,供搜尋者用接收器探測并確定方位。不過這一信號覆蓋范圍有限,僅在200至300千米左右。當電池耗盡(理論上電池可以支撐30天)或設備遭損壞后,這一聲波發射器就會停止工作。
法航447航班的“黑匣子”沉沒在海底兩年后才被尋獲。
但即便如此,也不是所有的航空事故后飛行記錄儀都可以被尋獲。2009年法航447航班的“黑匣子”搜尋工作持續了兩年;而2014年馬航MH370航班的“黑匣子”至今未被尋獲。因此現在有諸多人士正在呼吁,希望飛行記錄儀能夠改善性能,做到與地面實時共享數據,或延長水下定位信標的電池壽命。
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