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解开空难密码的钥匙

[ 来源: | 作者: | ?时间:2015-08-31 | 浏览:643次 ]


2015年3月24日,德国之翼航空公司的4U9525航班在法国东南部坠毁。坠机事件发生后,调查人员立刻将搜寻重点放在了黑匣子上。通过黑匣子的语音记录器,调查人员将目光投向了副驾驶卢比茨,并怀疑他涉嫌蓄意坠机。

飞行记录仪俗称黑匣子,用于航空事故调查、维修或飞行试验,一般安装在空难时最常被完整保留下来的机尾上。1953年,世界上第一个飞行记录仪由澳洲研究实验室的戴维·沃伦博士发明。

很多的空难发生后只有飞行记录仪能够向调查人员提供飞机出事故前各系统的运作情况,因为空难通常发生在一瞬间,飞行员和全部乘客都同时遇难而缺乏当事人的证词,调查事故的原因会有很大困难。而飞行记录仪则可以向人们提供飞机失事瞬间和失事前一段时间里,飞机的飞行状况、机上设备的工作情况等;驾驶舱通话记录器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。

空难苦痛激发黑匣子理念

黑匣子的创作者沃伦1925年出生于澳大利亚北部领地的偏远地区。9岁时,他的父亲在一场空难中去世,那是澳大利亚最早的空难之一。父亲生前送给他的最后一件礼物是一部收音机。此后,沃伦最大的爱好就是在每晚熄灯之后用父亲送的收音机收听节目,这培养了他对电子设备的浓厚兴趣。上世纪50年代,沃伦从悉尼大学毕业,曾在多个岗位从事科研工作。

1953年,由英国德·哈维兰公司研制的世界上第一架喷气式民航客机——“彗星”客机发生坠机事故。当时正在墨尔本航空研究实验室工作的沃伦参与调查事故原因。他由此萌生了制造一种飞行记录设备的想法。受到音乐录音设备的启发,沃伦认为,如果将飞行员的对话和飞机上的仪器数据信息进行保存,将可以提供调查线索,有助于发现飞机失事的原因。

1956年,沃伦与同事试验成功了可保持4个小时语音和飞行数据的“黑匣子”雏形,却遭到了澳大利亚航空界的排斥。澳大利亚皇家空军认为,这种设备并无多大用处,无助于解释事故的原因。于是,沃伦不得不寻求海外的支持。1958年,一名英国航空官员看到沃伦的发明后,立即同意资助沃伦在英国生产“黑匣子”。

随后,沃伦率领团队研制出了新的“黑匣子”模型。他们把飞行记录器放进一个防震防火的匣子里,并开始在全世界出售。有意思的是,1960年继昆士兰州发生一次大空难之后,澳大利亚成为世界上第一个强制要求所有民用和军用飞机上都安装“黑匣子”的国家。在接下来的半个世纪里,“黑匣子”在全球航空业得到了普遍运用,已经成为全世界所有商用飞机和多数军用飞机上的标准设备,承担着重要的记录作用。

2002年,为表彰沃伦的杰出贡献,澳大利亚联邦政府为其颁发了“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,为了表示对沃伦的敬意,澳大利亚航空公司以他的名字命名了一架当今世界最大的空客A380客机。

安全需求促进黑匣子进步

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,一般行业内比较认同将黑匣子从诞生到眼下发展分为四代:

第一代黑匣子:诞生于上世纪50年代初,是在飞机设计试飞记录设备的基础上改进而来的,其工作原理为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。

第二代黑匣子:出现于上世纪50年代末,其工作原理类似于普通磁带机,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,按照美国联邦航空局当时颁布的第一个黑匣子标准TSO-C51,要求黑匣子能够承受100G(重力加速度)、持续11毫秒的冲击,以及1100℃、30分钟的火烧。1966年标准更新为TSO-C51a,将抗强冲击指标提高到1000G,并增加了抗穿透、静态挤压、耐海水浸泡、耐腐蚀液体浸泡等要求。第二代黑匣子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:出现于上世纪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,随着对飞机坠毁时黑匣子破坏情况的不断深入认识,黑匣子的抗坠毁能力标准更新为TSO-C124,抗强冲击指标提高到3400G,耐1100℃高温火烧时间提高到60分钟,耐海水浸泡时间由36小时增加到30天,增加了耐6000米深海压力要求。1996年,美国联邦航空局发布了TSO-C124a标准,增加了抗260℃、10小时的火烧要求。第三代黑匣子记录参数一般在几百个,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。

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。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,并具备水上漂浮和无线电、卫星定位功能。

随着科技的迅速发展,黑匣子也在不断更新换代。20世纪50年代问世的黑匣子只能记录5个参数,误差较大。70年代开始使用数字记录磁带,能记下100多种参数,保存最后25小时的飞行数据。90年代后出现了集成电路存贮器,像电脑中的内存条那样,可记录2小时的驾驶舱通话和25小时的飞行数据,大大提高了空难分析的准确度。

黑匣子其实是“橙匣子”

一架飞机上的飞行记录仪都包含两个不同的部分,分别是飞行数据记录器和驾驶舱通话记录器。

飞行数据记录器能记录飞机的系统工作状况和引擎工作参数等飞行参数,内容包括:空中飞行速度、高度、航向、发动机推力资料、俯仰与滚动资料、纵向加速度资料及许多参数资料,根据美国联邦航空局对飞行数据记录器的最低要求,必须包括压力高度、空速、磁航向、加速度及经过时间等5项,除了上述5项,联邦航空局另外再要求俯仰姿态、滚转姿态、发动机动力及襟翼的位置。计录器是由马达带动的8条磁道,磁带全长约140米,可记录60多种资料25小时。

驾驶舱通话记录器,又称座舱通话记录器,仪器上的四条音轨分别记录飞行员与航空管制员的通话,正、副驾驶员之间的对话、机组员对乘客的广播,以及驾驶舱内各种声音(引擎声、警报声)。记录的时间约2小时,录完后,会自动倒带从头录起,若发生空难,之前的2个小时会被完整保留,并持续发出讯号,直到断电为止(记录器所提供的电力足够发出信号30日)。

飞行记录仪虽然名为“黑匣子”,但它实际的颜色为橘红色,以求显目便于寻找。黑匣子的名称由来,可追溯至1954年,当时飞机内所有的电子仪器都是放置在大小、形状都统一的黑色方盒里。而声音纪录器则放在最坚固的黑色方盒中。美国民航局(之后改制为美国联邦航空总署)在1957年规定,凡是重量超过9.09公吨以上的飞机都必须装设这些加强保护的飞行记录仪。8年后,航空局决定将这“黑匣子”漆成亮红色或橘色,这样在飞机失事的时候,外表醒目的“黑匣子”就会比较容易被找到。到了1965年,几乎全世界的每一家航空公司都改用橘色的飞航纪录器,但仍沿用“黑匣子”这个名称。除了漆成橘红色外,有些黑匣子外壳会贴有反光条以更容易被寻获,并写有“FLIGHT RECORDER, DO NOT OPEN”(飞行记录仪,请勿开启)。

目前,黑匣子外部的材质为钛钢金属,长50厘米、宽20厘米,高15厘米。为了能在强力撞击下保存下来,飞行记录器必须通过防火防震的考验,根据美国民航局的规定,必须能忍受高温火焰燃烧,并能承受3米重达230公斤之铁块击中,由于地球表面大部分是由水所覆盖,因此也必须能承受2万英尺的水压。飞行记录器的外部加装圆筒型的蜂鸣器,只要一碰到水,水分会使其线路发生短路,蜂鸣器将会发出37.5千赫兹频率的鸣叫持续30天。除此之外,为了防止记录器内磁性记忆遭到电流或磁场破坏,飞行记录仪也要具备抗外界电流、磁场的防护能力。

虽然如此多重的保护,但仍然有些飞行记录仪空难中损坏。南非航空295号班机坠毁于印度洋后一年,驾驶舱通话记录器才被打捞出水(但飞行数据记录器至今未寻获),可是经过长期泡浸于海水中,塑胶制的磁带已经开始分解,辨识困难。劳达航空004号班机,于1991年空中解体坠毁于泰国境内。虽然通过驾驶舱通话记录器了解到解体原因是机械故障导致推力反向器在空中意外展开,但因为飞行数据记录器严重损毁,已无法读取任何资料,故机械故障的根本原因始终未能查明。所以国际航空机构又规定了更加严格的标准,而且记录介质也从磁带式改进成为能承受更大冲击的静态存储记录仪,类似于电脑里的存储芯片。

如何打捞和搜寻黑匣子

当前黑匣子在陆地的定位主要依靠人工目视,找到飞机残骸后,利用黑匣子外表明亮、独特的颜色和反光标识进行搜寻。黑匣子在水下定位主要依靠水下定位信标。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。其内置电池可连续工作至少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。信标可以在6096米的深度内发出超声波,但在距离信标1800米~3600米的范围内才能够被仪器探测到,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。

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。

如果黑匣子沉入浅海,可由潜水员进行打捞。如果黑匣子沉入深海,超过人工潜水深度时,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。

在美国,当事故调查员们找到黑匣子后,它被立即送到美国国家运输安全委员会(NTSB)的计算机实验室中。为了避免对记录媒介的任何损坏,在运输过程中这种装置受到特殊的保护。在发生水下事故时,记录仪会被保存在冷水中以防止烘干。这一切都是为了保存记录仪的状态直到其被妥善的处理。

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