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黑匣子[hēi xiá zi] “飞行数据记录仪(FDR)”和“机舱话音记录器(CVR)”

www.hy928.net 2014/4/6 点击: 网络

黑匣子[hēi xiá zi] “飞行数据记录仪(FDR)”和“机舱话音记录器(CVR)”

   “黑匣子”(英文俗语:black box)是飞机专用的电子记录设备之一,黑匣子有两个,为驾驶舱话音记录器(Cockpit Voice Recorder)和飞行数据记录器(Flight Data Recorder)。飞机各机械部位和电子仪器仪表都装有传感器与之相连。它能把飞机停止工作或失事坠毁前半小时的语音对话和两小时的飞行技术参数记录下来,需要时把所记录的内容解码,供飞行实验、事故分析之用。黑匣子具有极强的抗火、耐压、耐冲击振动、耐海水(或煤油)浸泡、抗磁干扰等能力,即便飞机已完全损坏,黑匣子里的记录数据也能完好保存。世界上大部分的空难原因都是通过黑匣子找出来的。通常情况下,黑匣子能够发射信号30天左右。


1简介

    空难事故发生后,飞机往往解体,甚至被烈火烧毁。人们到现场救援的时候,总是会寻找一个东西,它的名字就是被誉为空难“见证人”的黑匣子。它可以给调查人员提供证据,帮助他们了解事故的真相。实际上,黑匣子是飞机上的记录仪器,是一种飞行数据记录仪。它能将飞机的高度、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。另一种是座舱话音记录仪。它实际上就是一个无线电通话记录器。为了承受飞机坠毁时的猛烈撞击和高温烈焰,黑匣子的外壳具有很厚的钢板和许多层绝热防冲击保护材料。而且为了尽可能的安全,黑匣子通常安装在飞机尾部最安全的部位,也就是失事时最不易损坏的部位,在飞机坠毁时,黑匣子在1100℃的火焰中能经受30分钟的烧烤,能承受2吨重的物体挤压5分钟,能够在汽油、机油、油精、电池、酸液、海水中浸泡几个月,总之,它能在许多恶劣的条件安然无恙。就算这样的保护,仍然在有些空难中黑匣子遭到了损坏,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,类似于计算机里的存储芯片。

外形

    黑匣子外壳坚实,为长方体,约等于四、五块砖头垒在一起一般大。内部净是些电气器件, 
    实质上是一台收发信机。在飞机飞行过程中,它能将机内传感器所收集到的各种信息及时接收下来,并自动转换成相应的数字信号连续进行记录;当飞机失事时,依靠黑匣子的紧急定位发射机自动向四面八方发射出特定频率(例如37.5千赫),类似心跳般有规律的无线电信号,“宣告”自己所处的方位,以便搜寻者溯波寻找。
    黑匣子实际上被漆成明亮的桔红色。这种明亮显眼的颜色,以及记录仪外部的反射条件,都使得事故调查员们可以在飞机失事后很快的找到记录仪,特别是当飞机坠落在水上时。
    根据欧洲的标准,黑匣子必须能够抵受2.25吨的撞击力,在1100℃高温下10小时仍不会受损。要符合以上的标准。黑匣子通常是用铁金属和一些高性能的耐热材料做成。具有极强的抗火、耐压、耐冲击振动、耐海水(或煤油)浸泡、抗磁干扰等能力,即便飞机已完全损坏黑匣子里的记录数据也能完好保存。

种类

    大多数的客机、军用飞机上安装的黑匣子有两种。[2] 一是称为飞机数据记录器(FDR)的黑匣子,专门记录飞行中的各种数据,如飞行的时间、速度、高度、飞机舵面的偏度、发动机的转速、温度等,共有30多种数据,并可累计记录25小时。起飞前,只要打开黑匣子的开关,飞行时上述的种种数据都将收入黑匣子内。一旦出现空难,整个事故过程中的飞行参数就能从黑匣子中找到,人们便可知道飞机失事的原因。另一种称为飞行员语言记录器的黑匣子(CVR),就像录音机一样,它通过安放在驾驶舱及座舱内的扬声器,录下飞行员与飞行员之间以及座舱内乘客、劫机者与空中小姐的讲话声,它记录的时间约为2个小时,录完后,会自动倒带从头录起,若发生空难,之前的两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)。
    随着科技的迅速发展,黑匣子也在不断更新换代。20世纪60年代问世的黑匣子(FDR)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CVR声音和25小时的FDR飞行数据,大大提高了空难分析的准确度。每架飞机上,黑匣子通常有两个,它们的学名分别叫“飞行数据记录仪”和“机舱话音记录器”。前者主要记录飞机的各种飞行数据。机舱话音记录器主要记录机组人员和地面人员的通话、机组人员之间的对话以及驾驶舱内出现的各种音响(包括飞机发动机的运转声音)等。

2历史由来

    “黑匣子”是一位墨尔本工程师在1958年发明的。1908年,美国发生了第一起军用飞机事故。此后,随着飞行事故不断发生,需要有一种追忆事故发生过程原因的仪器。二战期间,飞行记录装备仪器在军用飞机上应用,后来又用到民航飞机上。飞行记录仪之所以被称为“黑匣子”可追溯到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。
    由于现代电子技术飞速发展,对于飞机而言,人们开始主张直接通过向地面无线传输数据信号并记录,而不再使用飞行记录仪,因此今后黑匣子的名字将回到地面。例如汽车数据黑匣子。1987年(巴伦支海上空手术刀事件),挪威上空一架军用飞机发生爆炸,飞机坠毁,飞行员身亡。挪威当局赶到出事现场,从飞机残骸和飞行员的尸体中,辨认出这是一架某大国的军用侦察机。挪威向某大国提出抗议,某大国矢口否认。后来,挪威找到了飞机上的黑匣子,从黑匣子记录的数据进行分析,揭露了真相。苏联在铁的证据面前只好认错。
    黑匣子到底是什么东西呢?实际上,“黑匣子”是俗名,它的真名很普通:飞行数据记录仪。它是一种将飞机飞行的情况储存下来的仪器,当以后需要了解飞行情况时,可以通过重放设备把它们放出来。
    在一个匣子里,装上磁记录设备,它可以实时地把飞行员说的话,飞行员机外通讯及飞行数据记录下来。一般在飞机出事前30分钟的各种信息,它都可以保留下来。这样,就为事后分析故障提供了方便。最早利用黑匣子的是军用飞机。1908年,美国发生了第一起军用飞机事故。以后,随着飞行事故增加,迫切需要有一种研究事故原因的仪器。二战时,飞行记录仪正式在军用飞机上使用。战后,开始用到民航飞机上。早期的记录方式比较落后,用的是机械记录的方法,记录在照相纸上。磁记录方式发明后,才变得方便可靠了。

   3信息记录

   怀特兄弟公司曾第一次使用L-3通讯公司的这种黑匣子仪器来记录飞机螺旋桨的旋转。然而,直到第二次世界大战以后,航空记录仪才得到更为广泛的使用。从那以后,为得到更多的关于飞机工作的信息,黑匣子的记录媒介得到了很大发展。大多数的飞机黑匣子使用两种记录媒介,一种是磁带,发明于20世纪60年代;另一种是电晶存储板,发明于90年代。磁带工作起来就像是磁带录音机。聚酯薄膜磁带牵引电磁头,磁头在磁带上记录数据。由于航空公司开始全面转向电子技术,黑匣子制造商已不再制造磁带记录仪。
   黑匣子制造商Honeywell的发言人Ron Crotty表示,电子记录仪的可靠性要远远高于磁带记录仪。电子记录仪使用堆叠排列的内存芯片,所以它们没有任何的可移动装置,这样也就减少了日常的维护工作和事故发生过程中突然中断的几率。
    CVR和FDR采集的数据都记录在坠毁生存记忆单元(CSMU)中的堆叠内存片中。根据L-3通讯公司制造的记录仪,CSMU呈圆柱体。堆叠内存片直径大约1.75 英寸(4.45cm),高1英寸(2.54cm)。
   内存片具有足够的数字存储空间来记录CVR提供的2小时的音频信息和FDR提供的25小时的飞行数据。
   飞机上安装了采集数据的传感器。这些传感器探测飞机的加速度、空速、海拔高度、机翼设置、外界温度、机舱温度和压力、发动机性能等等。磁带记录仪可以追踪大约100个参数,而电子记录仪则可以记录更大的飞机上超过700个参数。
   所有这些传感器采集来的数据都被送到飞机前端的飞行数据获取单元(FDAU)。这一仪器常常安放在驾驶员座舱下的电子设备隔离舱中。飞行数据获取单元在整个数据记录过程中起到中间管理者的作用,也就是从传感器获取信息,然后送往黑匣子。
   黑匣子一般由一到两个从发动机引擎获取能源的动力发生器驱动。一个是28伏特的直流电源,另一个是115伏特、400赫兹的交流电源。L-3通讯公司的工程主管Frank Doran表示,这些都是标准的飞机电源配置。

4记录仪器CVR

   座舱话音记录仪(CVR)

   实际上就是一个无线电通话记录器,可以记录飞机上的各种通话。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.威胁、爆炸、发动机声音异常,以及驾驶舱内各种声音。黑匣子能够向调查者提供飞机出事故前各系统的运转情况。因为空难发生在短暂的瞬间,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,座舱语言记录仪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。
   座舱话音记录器主要记录机组人员和地面人员的通话、机组人员之间的对话以及驾驶舱内出现的各种音响(包括飞机发动机的运转声音)等。它的工作原理类似普通磁带录音机,磁带周而复始运行不停地洗旧录新,总是录留下最后半小时的各种声音。一次飞行通常要经历8个阶段(起飞、初始爬升、爬升、巡航、下降、开始进场、最后进场、着陆),每一阶段的情况,都逃不过黑匣子的“耳朵”。
 
   飞行数据记录仪(FDR)

   主要记录飞机的各种飞行数据,包括飞行姿态、飞行轨迹(航迹)、飞行速度、加速度、经纬度、航向以及作用在飞机上的各种外力,如阻力、升力、推力等,共约200多种数据,可保留20多小时的飞行参数。超过这个时间,数据记录仪就自动吐故纳新,旧数据被新数据覆盖。
    飞行数据记录仪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。它能将飞机的高度、速度、航向、爬升率、下降率、加速情况、耗油量、起落架放收、格林威治时间,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。
    记录飞机系统的运转数据。传感器从不同的区域连接到飞行数据获取单元,再连接到FDR。当一个开关动作时,都将被FDR记录下来。电子记录仪由于数据传输快,从而比磁带记录仪记录更多的参数。电子FDR可以记录25小时的飞行数据。每一个FDR记录的附加参数都可能提供调查员们事故的更多的线索。
    在美国,联邦航空管理局(FAA)要求商用航空公司根据飞机的大小,至少记录11-29种参数。磁带记录仪可以记录到100个参数,而电子记录仪可以记录超过700个参数。1997年7月17日,FAA出版了联邦标准,标准要求在2002年8月19日以后制造的飞机至少要记录88个参数。

5安装位置

    黑匣子通常安装在机尾。因为,科学家通过对多起飞行事故分析,发现飞行器的机尾部分不容易损坏,所以黑匣子安装在机尾。

6水下信标

   除了颜料和反射条件外,记录仪还装备了水下信标(ULB)。如果你看过黑匣子的照片,一定可以观察到在盒体的一端有一个小的,圆柱体的物体。它看起来是黑匣子把手的两倍大,实际上它就是信标。
    当飞机坠入水中时,信标开始发送人耳听不到的超声波脉冲,这种脉冲可以被声纳和声学定位仪探测到。在信标的一端有像公牛眼一样的水下传感器。当水接触到传感器,信标就会被激活而发出超声波脉冲。
    信标通常发送37.5kHz的脉冲信号,并能从深为14000英尺(4267m)的水下传递声音。一旦信标开始工作,它会每秒发送一次信号并持续30天。信标由可以连续工作6年的电池驱动。在十分罕见的情况下,信标才可能被强大的力量冲击而折断。
    在美国,当事故调查员们找到黑匣子后,它被立即送到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。
   “所作的一切都是为了保存记录仪的状态直到其被妥善的处理,”Daron说,“把记录仪放置在一桶水中,通常是冷水,也就是保持黑匣子被找到的地方的环境,直到被送达可以充分分析黑匣子的地方。”

7搜寻定位仪

    美国海军网站介绍,TPL-25型拖曳声波定位仪由水下拖曳部分、线缆和控制台等部分组成。其水下拖曳部分的长度为30英寸(约76厘米),直径为35英寸(约89厘米),重量为70磅(约32公斤)。
    顾名思义,其水下拖曳部分会被船只拖着在海上缓慢行进,速度通常是1到5节(1节约合每秒0.5米),仪器本身可以“收听”黑匣子发出的声波信号。声波定位仪的“听力”高度敏感,最深可以“听到”黑匣子在水下两万英尺(约合6096米)发出的信号。
   当定位仪“收听”到黑匣子信号,信号会出现在控制台中的示波器或可以对信号进行处理的计算机上。控制人员将对信号最强点的位置进行记录,再进行反复多次测量后通过“三角定位”来确定黑匣子的位置。黑匣子通常每秒钟以37.5kHz的频率发出信号,而声波定位仪可以探测从3.5kHz到50kHz频段的各种信号。
   2009年,美方曾将拖曳声波定位仪借给法国使用,搜寻失事法航447航班的黑匣子。
   美太平洋舰队2014年3月23日已将可探测黑匣子信号的拖曳声波定位仪运往美军正参与搜寻马航失联客机的地区,这套仪器的系统型号为TPL-25,可探测到水下超过6000米深度的信号源。[3]

8保存方法
    在大多数的空难中,可以保存下来的装置是飞行数据记录仪和座舱声音记录仪的坠毁生存记录单元(CSMU)。通常的,记录仪底盘和内部装置的其它部分都被撕裂了。CSMU是紧固在记录仪的平台部分的一个巨大的圆柱体。这种装置能够承受很高的压力,非常大的撞击和成吨的压力。在老式的磁带记录仪中,CSMU安放在一个长方形的匣子中。
   电子黑匣子的CSMU使用三层材料将存储数字信息的内存片隔离和保存起来。下面我们来讨论一下,先来从内到外看一下保护内存的材料。
   铝壳,环绕内存卡有一铝薄层。高温绝缘体,1英寸(2.54cm)的干石英材料提供高温保护。其保护内存片防止事故后的火灾。不锈钢外壳,高温绝缘体安放在0.25英寸(0.64cm)厚的不锈钢外壳中,通常用钛合金制成。
   为了确保黑匣子的质量和生存能力,制造厂商对CSMU进行了彻底的测试。记住,在空难中只有CSMU可以生存下来――如果事故调查员能够得到它,就可以获得他们所希望得到的信息。为了测试CSMU,工程师们将数据存储于CSMU的内存中。L-3通讯公司使用随机模型将数据存储于每一块内存片中。这一模型可以由读出器读出以确定在坠毁后的冲击,火灾和压力下数据是否被损坏。

9主要案例
   2014年3月24日,马航失联客机确认坠毁,但事故原因依然不明。鉴于能发送信号的飞行记录仪(俗称“黑匣子”)电池寿命只剩下12天,如何尽快寻找黑匣子变得越来越紧迫。此前媒体猜测,客机黑匣子可能落入深海,导致信号被海水屏蔽。如今美军正将一种专门用来搜索黑匣子的高科技装备送往搜索海域,支援各国对失联客机的搜索。
   2014年3月25日,中国交通运输部对马航失联客机海上搜救方案做出新的部署,强调搜寻工作仍是当前第一要务,继续搜寻和打捞飞机残骸、寻找黑匣子。
   从当前情形看,无论是天气还是搜寻区域的地理、水温条件,搜寻黑匣子都不会是件简单工作,而黑匣子通常能够发射信号30天,从8日失联至今已经18天,留给搜寻人员的时间并不多。
   马来西亚代理交通部长希沙姆丁25日说,基于最新的数据分析结果,已经缩小针对马来西亚航空公司MH370航班的搜救范围,眼下所有搜救努力聚焦于南部走廊南部的一个大约46.9万平方海里的区域。[4]
   2014年4月5日,在接近黑匣子寿命30天时,中国海巡01轮已在南纬25度、东经101度附近南印度洋水域通过黑匣子搜寻仪侦听到频率37.5kHz每秒一次的脉冲信号,与失联客机关联性有待进一步鉴定,目前正在全力确认。

10物理术语

   指不明白其工作原理的机器。
   现实生活中能被称之为黑匣子的东西很多。
   比如电脑就是一个不折不扣的黑匣子,因为一般人都不明白电脑的内部工作原理是什么。其他各种软件也是如此,对于一般人来说,那些软件也是电脑的一个一个黑匣子。


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