【深度科普】飞机上的黑匣子

  2022年3月21日下午，东航MU5735航班在广西梧州市藤县埌南镇莫埌村上空失联并坠毁。灾难的发生牵动着无数人的心，即使再期待奇迹，但最终机上123名旅客、9名机组成员却无一生还。在持续且辛苦的搜救工作中，对黑匣子的寻找一直是工作的重点和大众关心的问题。通过搭载在飞机上的黑匣子，还原事故现场，找到原因。既是对罹难者及其家属的交代，也是后续提升航空安全的重要参考。在所有的空难事件调查中，黑匣子的重要性不言而喻。因为它是判断飞行事故原因最重要及最直接的证据。

  驾驶舱话音记录器（Cockpit Voice Recorder，CVR），从飞行开始后不停地记录驾驶舱内的各种声音（包括谈话、发报及其他各种声音响动），但只保留停止录音前30分钟内的声音。飞行数据记录器（Flight Data Recorder，FDR），将飞机上的各种数据即时记录在磁带上，现在“黑匣子”记录的数据已可达到60种以上，包括飞机加速度、姿态、推力、油量、操纵面位置等重要数据，记录的时间范围是最近25小时。“黑匣子”并非在航空事故调查中才起作用。平时，飞机飞行一段时间后，回放记录也可重现飞机已被发现的失误或故障，让机务维修工程师非常容易地找到故障发生的位置。在航空事故中，这个记录系统则成为最直接的事故分析依据。为了能够更好的保证记录的真实性和客观性，驾驶员只能查阅记录的内容，不能控制记录器的工作或改动记录内容。

  黑匣子是一个有着厚重外壳的长方体，其外部材料是一种特殊硬钢，能够在一定程度上帮助它承受2吨重物体的挤压5分钟。虽然黑匣子的名字里有“黑”字，但通常为橙红色，其长约40厘米、宽与高约为20厘米，大概是三四块砖头垒在一起的大小，每个重约20公斤到30公斤。

  出于黑匣子所承担的及其重要的作用，其在设计上有许多严格要求。它需要有坚固的抗压、抗高温、防水、防酸等特殊能力。根据相关法规的要求，黑匣子需要能承受超过自身重力3400倍的冲击和超过1000℃温度的影响。安装在飞机尾部的FDR黑匣子通常还会有一个大概普通中性笔大小、具有水下定位功能的信标灯。当黑匣子浸没在水中时，信标灯会自动激发发出一种超声波“ping”，其频率固定为37.5KHz，有特定的接收装置，以帮助水下的搜寻定位。来寻找。信标灯可以在浸入6000米的海域时运行30天。通过相关技术的调整，信标灯的运行时间还提升至90天。东航MU5735航班型号是波音737—800NG，里面搭载两个“黑匣子”，一个是飞行数据记录器FDR，在发动机启动时记录，记录时长约25小时、参数约1000个，例如飞机的高度、速度、航向等；另外一个是驾驶舱话音记录器CVR，在飞机通电时记录，包括机长通道、副驾驶通道、观察员通道、驾驶舱环境通道声音，记录时长为2个小时。根据发布会消息，东航MU5735搭载的黑匣子是由霍尼韦尔公司生产的。霍尼韦尔官网上介绍的FDR和CVR都只有一款，分别是HFR5-V CVR和HFR5-D FDR，适配机型只写了波音737系列。一般来说，波音737—800NG的两个“黑匣子”都装在飞机后侧，其中FDR（飞行数据记录器）被布置在客舱后厨房的顶上，而CVR（驾驶舱话音记录器）则布置在后货舱内。两个“黑匣子”都非常坚固，有强大的撞击生存能力，能承受3400g重力加速度的撞击6.5ms，海水浸泡30天，1100℃的火中存活60分钟等等。CVR既记录声音，也记录大量数据。它一共录制4个声道，包括3个窄带和1个宽带。3个窄带的带宽范围均为150-3500赫兹，包括机长的耳机音频与机长麦克风音频、副驾驶耳机音频与副驾驶麦克风音频、观察员耳机音频与观察员麦克风音频，宽带的带宽范围是150-6500赫兹，即驾驶舱环境音。但是这4个单独通道的录音时间只有30分钟。不过CVR还记录一个混合通道（4个通道声音的混合声音），可以记录两个小时。同时，CVR记录120分钟的ACARS（飞机通信寻址和报告系统）数据。如：：用于管制员与飞行员之间的空中交通管制，包括有关飞行高度指配、通过限制通知、偏离航路告警、航路改变和放行、速度指配、通信频率指配、飞行员各种请求，以及自由格式电文的发布和接收。：一种地空间的数据链广播应用，它允许飞行员经过数据链路向地面计算机系统请求并接收FIS信息，包括ATIS（终端自动信息广播服务）、机场气象报告服务、终端气象服务、风切变咨询服务、航行通告服务、跑道视程服务、机场预报服务、重要气象信息服务以及临时地图服务等。：用于与飞机与其地面上的航空公司或服务合作伙伴进行通信的一组或全部应用程序。。FDR存储的数据大致上可以分为数字数据（Digital Data）、模拟数据（Analogue data）、离散数据（Discrete Data）三类，参数的总数量超越1000个。所有能记录的飞行相关参数，都记录到了FDR上，包括但不限于高度、速度、航向、俯仰角、滚转角、垂直速度以及机组的操作如驾驶盘杆量、油门等重要参数。这些参数对于重现事故发生原因是有决定性意义的。如果说CVR中的录音只代表机组人员对事故的判断，结合其记录的一些数据信息，能够直接进行事故原因的推断。那么，FDR则记录了整个飞行的数据，能为界定此次事故的直接原因提供详细的数据支持。因此，在事故调查中，FDR和CVR两者的数据相互补充、缺一不可。

  黑匣子的发明与飞机的出现并不同步，以至于很长一段时间里，人们对失事飞机的原因调查都无从着手。法国工程师弗朗索瓦·于斯诺和保罗·博杜安是记录飞行数据的最早尝试者之一。1939年，在法国马里尼昂飞行测试中心，他们展示了“type HB”飞行记录仪。这种装置以影像记录为基础，飞行记录被制作成一卷长8米、宽88毫米的电影胶片。人类飞行史上，民航事故发生率远低于军用飞机。尤其在二战期间，人们迫切地需要找到事故发生的原因，因此就在军用飞机上安装了飞行记录仪。它被正式命名为黑匣子是在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，而声音记录器则放在最坚固的黑色方盒中，可以记录航向、高度、空速、垂直过载和时间5个参数。后来，航空局决定将这“黑匣子”漆成“橙红色”（或橘色），这样在飞机失事的时候，外表醒目的“黑匣子”就会非常容易被找到。到1965年，几乎全世界的每一家航空公司都改用橘色的飞行记录器，但“黑匣子”这个名称却一直沿用了下来。此时飞行记录仪的工作原理是一根针在金属箔带上留下反映数据变化的曲线。在驾驶座机舱内装设声音记录器的构想在1954年首度提出，美国民航局在1957年规定，凡是重量超过9吨以上的飞机都必须装设这些加强保护的飞行记录器。作为还原飞行事故最为直接的数据，现代意义上的黑匣子诞生于1958年，由墨尔本的工程师沃伦发明。1953年至1954年间，发生一系列致命坠机事故，包括世界第一架喷气式民航班机“彗星”号坠毁。作为一名航空燃料专家，供职澳大利亚航空研究实验室的沃伦参加一个调查“彗星”号坠毁的专家组。鉴于没有目击者和幸存者，沃伦设想以一种可以抵御冲击的方式，记录机组人员对话以及其他坠毁前数据的装置，这将对确认事故原因甚至对将来防范事故都有很大帮助。按照他的设想，这一些数据保存于抗冲击和防火装置中。他于1956年发表一篇标题为《一种帮助调查飞行器事故的装置》的文章，并开始制作“飞行数据记录器”的原型。这个名为“航空研究实验室飞行记忆设备”的装置能保存４小时语音和飞行数据。他的灵感来源于德国产的便携式磁带录音机。不过沃伦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，要求黑匣子可承受100g（重力加速度）、持续11ms的冲击，以及1100℃、30分钟的火烧。但是，沃伦的发明当时没有引起澳大利亚乃至世界航空管理部门的兴趣。之后，在1960年澳大利亚昆士兰州一架飞机坠毁后，调查法官强烈建议，所有客机都应安装飞行记录仪。随后，澳大利亚变成全球首个强制安装“驾驶舱语音记录器”的国家。1966年黑匣子标准更新为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，这让可以记录几十个参数的第二代黑匣子真正成熟。此后，国际民航组织才要求所有客机一定得安装这种设备。自那以后，由驾驶员失误和机械故障导致的空难逐年减少，但在1970到1990年代之间，人为破坏的空难数据开始上升，民航史上10大空难，有7次发生在这一段时期。这对黑匣子技术提出了新的要求。大型空难增多和微电子技术的发展，催生了第三代黑匣子。20世纪90年代，磁带进化成半导体储存记录，抗坠毁能力等各项指标也更为严格（标准更新为TSO-C124），比如耐冲击和耐高温都得到加强，耐海水浸泡时间也由36小时增加到30天，同时增加了耐6000米深海压力要求。更完善的是，其记录的数据，从磁带的80多项，丰富到了几百个，功能也从事故调查，延伸到对飞行员的监控、飞行器的故障诊断与维护。当数字技术逐渐完备，黑匣子发展到了如今正在使用的第四代。它在第三代的基础上，多了视频信息，参数也多达数千个。而随着卫星遥感技术的成熟应用，黑匣子也有通过卫星等数据链定期传输关键数据的功能。黑匣子的进化仍未完成，在2009年法航和2014年马航事故中，黑匣子定位功能缺陷被再次放大。但即便如此，黑匣子目前仍然是判断空难事故原因最关键的证据。有人以为找到黑匣子后，事故真相就昭然若揭。其实不是的，当搜寻到黑匣子后，通常的做法是将其返回专业的航空机构或安全机构，交由专业技术人员处置，争取提取和解读里面保存的数据。

  目前国际上诸如美国和法国，都已有一些安全机构来负责对黑匣子进行译码，而目前我国的航空安全委员会也同样具备这项职能——提取和解读数据。要获取黑匣子的数据，需要用特殊的技术将其物理恢复。由于每次事故原因及破坏程度都不完全一样，调查人员在大多数情况下要通过清洗、真空干燥、数据下载、修复读取等步骤来解读黑匣子信息。一般来说，黑匣子录制机舱内的声音多数是传统的磁带方式，一旦找到磁带，那么就有诸多办法进行破译。当磁带没有损坏，那么现存技术就可以顺利提取到录制的声音内容。若是磁带损坏，但磁条没有遭到严重破坏，目前也仍有办法解读。即使磁条有部分损坏，那么至少可以把未损坏的部分解读出来。根据以往情况，2004年包头空难的两部黑匣子在打捞出水后外表有些受损，但对解读影响不大。民航安全专家在对黑匣子外表进行清洁和烘干后，详细检测了焊接点，采取了特殊设备对其做多元化的分析。对黑匣子数据来进行解读后，还要对数据库进行核对，对误码进行校正，才能破译黑匣子的记录内容。译码完成后，调查组会根据获取到的内容和数据，结合之前掌握的飞机整体运行过程以及调查经验，去做一个初步的判断。整一个完整的过程中抽丝剥茧、严谨细致。除了黑匣子的数据，调查组还会对现场残骸做多元化的分析，同时开展一些外围调查，通过询问曾管理、驾驶或者检修过该架飞机的工作人员，以及飞机制造商等采集有关数据信息。总之，数据、事故现场调查情况、对应的实物证据、多手段模拟分析实验，环环相扣，力图去复现相关的现象，从而最终得出相对完整、科学的结论。虽然黑匣子在勾勒事故全貌上的作用不可或缺，找到它始终需要一些时间，提取数据和解析数据也需要更长的时间。因此近年来，关于云匣子的讨论也很是热烈。2014年马航MH370航班失踪后，各国穷尽资源历时数年始终找不到机上的黑匣子，无从解答这架飞机失事的秘密。为此各界呼吁要么改进黑匣子的设计，要么提升飞机的实时监控系统。但是，据专业技术人员解答：“地空实时数据存储和交互，最大的障碍是成本。飞行在万米高空上的民航客机，要向地面输送数据信号，需要大量的基站和卫星构建地空网络，这个地空网络的建设和经营成本相当昂贵。如果飞机并无故障，大量的信息交互支出对航空公司来说，会是不小的负担。”据民航联盟2022年初的数据，每一时刻都有约1.6万架飞机在天空中飞行。即便以10000架同时飞行的航班计算，每秒的数据传输量也达到了14.3G。即使目前霍尼韦尔等航电设备商研制出性能更好更新的卫星通信设施，想要说服航空公司更换使用，也是困难重重。因此黑匣子转变为云匣子并不是必要项。每每航空事故调查报告的出炉，都会经历较为漫长的过程，半年到一年的调查很是正常的。因为这确确实实是一项严谨细致的工作。对于此次东航MU5735事件的调查也是如此，据央视新闻报道，北京航空航天大学航空产业研究中心主任高远洋如此解释：“（事故调查）过程往往是很复杂的，尤其是如果说我们得不到足够的有效的数据或信息情况下，事故调查可能会十分艰难，而且可能会要持续很长的时间。此次飞行事故发生后，中国民航根据国际民用航空公约有关要求，将事故基础信息通报国际民航组织及航空器设计制造国的调查机构美国国家运输安全委员会，待进入事故调查阶段后，将按照有关法律法规邀请需要参与的相关方参加事故调查工作。会邀请第三方的专业机构和组织，来参与组成这样一个调查组，来开展相应的调查工作。”同时，他再次强调了调查工作也是一个非常严密严谨的过程，包括数据信息的收集甄别，数据的分析，事故发生情况的推演，对事故原因的确认，然后会形成一份调查报告，调查报告要进行多方的专家论证。事故调查以独立、客观、深入、全面为原则，查明事实情况，分析事故原因，得出事故结论，确定事故等级，提出安全建议，最终完成调查报告。此次3·21东航飞行事故飞机损毁严重，残骸散落在山区，面积大，寻找困难，尚未发现幸存者，事故调查难度很大。中国民用航空局在4月20日对东航MU5735的事故调查初步报告似乎也印证了这一点，里面提到机上两部记录器由于撞击严重受损，数据修复及分析工作仍在进行中。

  在曾经发生的空难中，黑匣子对事故原因的勾勒曾发挥过不可或缺的作用。比如1994年俄罗斯航空593航班空难，该飞机在西伯利亚上空时突然从巡航高度一万米一下掉到地上，全机75人罹难。调查人员最初先看到飞行数据的黑匣子，感觉很奇怪，因为当时天气很好，飞机性能等所有数据都没有一点问题，完全无法了解为何会出事故。直到听到驾驶舱录音黑匣子后，才发现是因为机长带着自己的孩子进入驾驶舱并指导儿子操纵飞机，导致事故的发生。航空界一直流传着有关于飞行安全的“海恩法则”：每一起严重事故的背后必然有29次轻微事故和300起未遂先兆以及1000起事故隐患。东航坠机事件在这个春天给无数人带来遗憾，网络上流传的谣言也不胜枚举，但是在获得一份官方的事故调查报告前，没有人知晓此次3·21东航飞行事故的具体原因。如今，黑匣子已找到，对事故原因的调查也在进行中，希望黑匣子能破解这起事故的原因，也愿以后的每一次起飞与降落，都平安无虞。