黑匣子里的“黑科技”

2020-09-04 07:53:20　来源：中国军网-解放军报

　　大连某航修厂高级工程师张明为您解读——

　　黑匣子里的“黑科技”

　　■韩秋孙畅宋茹

　　“飞行员和管制员均未遵守标准规则。”这是日前巴基斯坦航空部长针对空客A320型客机坠毁问题给予的回应。

　　发生在今年5月22日的空难事故终于揭开了谜底。得出这个结论，依据是失事飞机黑匣子读取的数据。作为每起飞行事故中出现频率最高的词汇，黑匣子成为破解空难之谜的关键。

　　那么，黑匣子到底是什么？

　　它真正的名字是飞行数据记录器。顾名思义，它是一种将飞机飞行数据采集并存储下来的仪器，当需要了解飞行情况时，可以通过重放设备把这些信息读取出来。

　　当然，黑匣子不只是民航客机的“专利”。在军用飞机中，也装有黑匣子。无论是人们耳熟能详的F-16、幻影-2000等战斗机，还是C-135、P-3C等军用运输机和反潜机上，都装有黑匣子。为了提高飞行数据幸存率，F-16C上还装了两个黑匣子。

　　在德国拉姆施泰因航展上，意大利空军“三色箭”飞行表演队发生飞行事故。资料照片

　　黑匣子并不黑，橙色“外衣”硬内核

　　黑色的，方盒子，易打开？提起黑匣子，不少人的脑海里会这样去联想。

　　然而，这并不是黑匣子的“真面目”。

　　其实，黑匣子并不黑，外形也不像个匣子。大多数黑匣子被漆成橙色，并带有反光条，便于飞行事故发生后很快被搜寻到。

　　为什么叫黑匣子呢？一种普遍流传的说法是，空难事故发生后，飞机往往解体，甚至被烈火烧毁，原本橙色“外衣”被烧灼成黑色，再加上人们对空难的忌讳，“橙盒子”也就变成了黑匣子。

　　黑匣子的诞生最早可以追溯到二战时期。1908年，世界上发生了第一起军用飞机事故。之后，随着飞行事故增加，人们迫切需要一种分析事故原因的仪器。

　　1939年，2名法国工程师发明了基于照相原理的记录器，随后1名英国工程师发明了钢丝记录器。不过，这些记录器仅用于记录试飞过程数据，并不具备抗毁功能，也不适用于飞行事故的调查。

　　直到1953年，美国洛马公司生产了109-C型飞行数据记录器，才具备了抗毁功能。当时，这型数据记录器仅装配在军用运输机等大型飞机上。

　　上世纪50年代，澳大利亚工程师大卫·沃伦设计了一款既能记录仪器数据、还能记录座舱声音的仪器，这便是黑匣子的原型。

　　从此以后，民航飞机才逐渐“享受”到了原本只有军机才拥有的“待遇”，装配了民用飞机黑匣子。

　　在实际应用中，军用飞机和民用飞机黑匣子的外观和功能差别并不大。

　　从上世纪60年代起，为了便于搜寻和发现空难现场中的黑匣子，世界上几乎每家航空公司都使用了橙色飞行数据记录器。

　　当飞机不幸失事后，外观醒目的橙色记录器易于发现。此外，部分黑匣子的外壳表面还会标注“FLIGHTRECORDER,DO NOT OPEN”（飞行记录仪，不能打开）的字样，并贴有反光标识，以增加夜间被寻获的概率。

　　在亮丽鲜艳的“外衣”下，包裹着黑匣子最为核心的部件——存储器。

　　现在较为常见的黑匣子外形尺寸相当于一个菠萝大小，而其存储器只有拇指大小，两者体积相差100倍以上。

　　虽然外形减小了，但存储器实现的功能却越来越强大，可存储25个小时的飞行数据和2个小时的驾驶舱语音数据。

　　存储器的发展是一个漫长的过程，也是人类与飞行事故作斗争的过程。从莱特兄弟发明飞机后的50年里，设计师们使用了滚动纸筒、钢丝、铝箔带、磁带等各种记录数据载体，但均因体积大、记录数据少、抗毁性差等各种原因被历史淘汰。

　　上世纪90年代，随着计算机以及通信技术的发展，固态记录器研制成功，世界各国战斗机才普遍开始安装飞行数据记录器。

　　随着科技发展，记录数据参数已经从最早的几项数据发展到了上千项，飞机在飞行时的速度、时间、位置、发动机转速以及机舱内的对话信息都会被黑匣子完整记录下来。

　　黑匣子的应用范围也变得更加广泛，在导弹、车辆、军舰上也可以找到它的身影。

　　国外某型飞行数据记录器。资料照片

　　抗摔耐压烧不化，拥有“金刚不坏之身”

　　作为飞行事故的“见证者”，黑匣子总能够在各种事故中“死里逃生”。

　　当飞行事故发生时，飞机往往从几万米的高空急速坠落，还伴随着解体、燃烧，甚至爆炸。黑匣子会经历强烈的冲击、高温的灼烧甚至还有海水的挤压。

　　尽管如此，黑匣子仍然能确保最大可能地在极端恶劣环境下保存下来。

　　黑匣子为什么不会损坏呢？

　　其实，这一切都源于它独特的安装位置、结构和材料等，源自于它独门拥有的“黑科技”。

　　在对很多起飞行事故分析后，设计人员发现了一个让飞机设计者足以兴奋的事实——

　　综合各类数据分析，在飞行事故中保存最为完好的往往是飞机尾部。所以，飞机设计者一般都把黑匣子安装在飞机尾部。

　　更重要的是，黑匣子本身就有着“金刚不坏之身”。为了保存记录器内部的存储介质，这些年来，无论是军用飞机还是民用飞机的设计者，都在抗毁性设计上下足了功夫。

　　国外某军工企业拥有悠久的黑匣子制造历史，产品覆盖军用和民用两个领域，其产品横跨第一代战机到第四代战机。

　　有一段宣传片可以窥探究竟——

　　在该公司的试验室里，设计师正在对黑匣子进行分解和检测。把外壳拆卸后，我们能看到第一层防毁壳体。这一层防毁壳体采用高强度合金制造，是直接承受重力加速度的一道防线，能够防止内部存储介质受到强烈冲击造成的破坏。

　　第二层则是隔热填充物，大多采用干硅石、小苏打等隔热性较好的材料，可实现很好的绝热效果。

　　第三层是采用铝合金或陶瓷材料制造的小壳体，以及石棉、硅胶两层填充物。把这些材料剥开后，我们才能看到内部存储器的“真面目”。

　　这样层层包裹的设计，使黑匣子具有极强的抗火、耐压、耐冲击、耐海水浸泡、抗磁干扰等能力。

　　现在黑匣子的强度让最安全的保险柜都甘拜下风。它可以经受超过自身3500倍重量的撞击，在1100℃的高温下耐火1小时，能承受2吨的重物挤压5分钟，在汽油、酸液、海水等环境中浸泡30天以上，且能承受6000米深海压力标准。

　　这些严苛的标准是黑匣子安全性的体现。即便飞机摔得“四分五裂”，黑匣子也能将数据保存得完好无损，拥有名副其实的“金刚不坏之身”。

　　正是黑匣子的高可靠性，让其维修成为不可实现的任务。在日常维修中，修理工厂只能对其进行数据检测，无法打开修理。一旦发生事故后，只要能够读取数据就已实现了价值，黑匣子自身也失去了修理意义。

　　小匣子功能大，全身上下“科技范”

　　对黑匣子来说，仅有“金刚不坏之身”是不够的，还要具备强大的专业功能。

　　黑匣子经历几代的发展，发挥的作用也在不断拓展。除了充当裁定飞行事故原因的“法官”，它还经常以“教官”的身份出现。

　　对战斗机来讲，黑匣子可以真实记录飞行员空中技战术动作，回放空战对抗训练的全过程，对飞行员完成飞行课目进行质量评估，让对抗训练有了权威的“裁判”。同时，黑匣子还可以监控飞机发动机的各种参数变化，帮助飞行员分析战术动作，研究论证新的战法，对于提高训练质量和预防飞行安全事故意义重大。

　　实际应用中，一些国外空军经常通过黑匣子对飞行数据记录进行复盘，为军事演习提供更加真实的数据支持。

　　很多人有疑问，制造这样一个硬核又神秘的黑匣子，要满足什么样的标准呢？

　　早在1958年，美国联邦航空局就颁布了第一部飞行数据记录器技术标准，对黑匣子的外观、尺寸、抗毁性等有了明确的规定。

　　随着世界航空工业的发展，飞机性能越来越高，飞行数据记录越来越多，对黑匣子的制造提出了更高的要求。

　　不同型号、不同功用的飞机，黑匣子的制造标准也不尽相同。

　　目前，黑匣子的制造标准主要使用美国联邦航空局、美国航空无线电公司，以及欧洲民航设备组织等制定的标准，部分军机根据实际情况也有着特殊的要求。

　　无论是哪种制造标准，坠毁幸存能力是黑匣子制造最为关键的指标之一。

　　坠毁幸存能力要求越高，黑匣子设计制造的难度越大。通常情况下，设计人员很难实现飞机坠毁试验，导致试验验证这个环节成为一大难题。

　　强冲击试验是抗毁性试验中最关键的一项，也是困难系数最高的一项。利用常规的方法，很难产生规定范围内的冲击载荷。

　　为此，科研人员尝试将黑匣子带到空中抛下、利用火箭橇试验等方法，试图最大程度模拟真实坠机情况，但最终无一例试验成功。

　　经过多年的摸索，科研人员终于发现了一种全新的方法——利用压缩空气炮装置进行试验。

　　以国外某型黑匣子测试要求为例，进行这项试验需要将200多千克的重物从3米处落下，撞击黑匣子最为薄弱的轴线，且会在撞击装置上安装一个坚硬的钢钉，用于检测撞击力度是否达标。

　　撞击试验后，黑匣子完好无损才是合格的产品。

　　但这样就可以结束试验出厂了吗？

　　不，还远远没有达到试验目标。

　　设计人员还要对黑匣子进行高温火焰测试，在1100℃的高温下承受不少于1小时的“烟熏火燎”。试验结束后，要确保其内部芯片完好，电路板能够正常工作。

　　除此之外，黑匣子还要经过静态挤压、深海压力、液体浸泡等重重考验，才能贴上“合格”的标签，最终顺利出厂。

　　对于黑匣子的性能要求，设计人员从来没有停下创新的脚步。随着一些更加先进的技术不断投入使用，黑匣子的功能也将越来越强大。

编辑：刘云

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