航空工业与自动化科技（一）:黑匣子，电子飞行记录仪（飞参记录器）

【文章导读】：一般民航客机上会同时安装一个记录数据、一个记录语音的两个黑匣子。

据统计，1970~2009年，大型民用航空器在公海坠毁的36起事故中有4起未找到飞机残骸、9起未找到黑匣子，反映出水下定位信标定位方式存在一定的局限性。

虽然传统黑匣子的抗坠毁性能标准在不断提高，然而在一些严重事故中，黑匣子损坏的情况仍时有发生。据统计，陆地坠毁的飞机中黑匣子存活率仅为82%。

民航局：第一部黑匣子目前不排除存储单元损坏可能性

【来源：新京报】

黑匣子及其发展历史

黑匣子(black box)，是电子飞行记录仪的俗称。用于记录飞机飞行和性能参数的仪器。它不是黑色的，而是桔红色，外形也不像匣子，倒像流线型集装箱，是大小如一般抽屉的1/3至1/4那样的一种密封容器。飞行记录仪记录的信息可用于飞行事故分析，人们可根据飞机坠毁前记录的数据和话音记录，经处理后送入一种飞行模拟器，重现事故的过程，形象地分析事故的原因。

“黑匣子”是飞机专用的电子记录设备之一。黑匣子分为：驾驶员座舱录音器和飞行资料记录器。前者能记录驾驶人员从起飞后到着陆前的相互对话。录音磁带能防火、防水、防震。后者可记录飞行时的各种数据。飞行记录仪装在一种耐高温、高压、防水和耐腐蚀的黑色金属盒子里。现代飞机的黑匣子已涂成橙色或黄色，但习惯上仍叫黑匣子。

黑匣子的外壳具有很厚的钢板和许多层绝热防冲击抗压保护材料，通常安装在飞机尾部最安全的部位。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，防止黑匣子在空难中遭到损坏。

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，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，辨认出这是一架前苏联的军用侦察机。挪威向前苏联提出抗议，前苏联矢口否认。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。前苏联在铁的证据面前只好认错。

飞机上飞行数据记录系统(FDRS，Flight Data Recorder System)和座舱音频记录系统(CVR，Cockpit Voice Recorder)简称为“飞参”，主要是由采集器和记录器组成。“黑匣子”是飞参记录器的俗称。一般民航客机上会同时安装一个记录数据、一个记录语音的两个黑匣子。

黑匣子的外表不是黑色的，而是醒目的橙色，表面还贴有方便夜间搜寻的反光标识。因为飞参记录器记录的数据必须通过专用的下载设备和回放软件才能解读和分析，加上事故的记录器存储的数据非常关键和神秘，再加上在一些事故中记录器经过火烧后变成了黑色，所以人们将飞机记录器称为“黑匣子”。

黑匣子作为一种事关飞行安全的重要航空电子设备，具有抗强冲击、抗穿透、抗高温火烧、抗深海压力、耐海水浸泡、耐腐蚀性液体浸泡等特种防护能力，能在各种飞机事故中保存其内部存储的信息(一些试验见附图)。

黑匣子数据采集系统框图

飞机通电后，黑匣子将自动启动工作，记录飞机相关系统运行和状态信息、飞行人员操作信息以及机上相关音视频信息，不受人员控制。根据民航要求，黑匣子的数据信息是实时采集于飞机传感器和相关系统，必须保留断电前至少25小时的飞行数据和2小时的音频数据，记录的数据不可更改。

一般来说,飞行数据黑匣子安装在飞机尾部，使飞机坠毁时对其的破坏降到最低;座舱音频黑匣子安装在飞机前部，有利于语音信号的采集和记录。黑匣子连接飞机应急供电电源，确保能工作到最后时刻。

作为飞机数据客观、真实、全面的记录者，黑匣子是飞机失事后查明事故原因的最可靠、最科学、最有效的手段。伴随着航空事业的发展，黑匣子在飞机日常安全维护、飞行状态监测、消除事故隐患以及故障定位方面也发挥着越来越重要的作用，甚至可以说充当着飞行过程中不可或缺的角色。

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。

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11ms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，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。

黑匣子（飞行记录仪）与信息记录

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。

黑匣子制造商霍尼韦尔(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。

座舱话音记录仪 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

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。

黑匣子在飞机上放置位置

黑匣子（飞行记录仪）的后续研发

抛放黑匣

2009年6月1日，法国航空公司一架从里约热内卢飞往巴黎的航班在大西洋上空失事，由于黑匣子沉入4000米海底，调查人员历时两年才打捞出黑匣子，耗费巨大。

该法航飞机安装的黑匣子带有水下定位信标，但由于信标作用距离仅为几千米，坠毁时可能与黑匣子分离，一旦打捞时间超过30天，定位信号可能消失，造成黑匣子定位困难。即使定位成功，深海打捞也存在难度大、时间长、费用高，甚至无法打捞等问题。据统计，1970~2009年，大型民用航空器在公海坠毁的36起事故中有4起未找到飞机残骸、9起未找到黑匣子，反映出水下定位信标定位方式存在一定的局限性。

除了黑匣子能够在飞机事故后发出定位信号，民航规章要求载客19人以上的飞机必须至少装备一台应急定位发射机(ELT，EmergencyLocatorTransmitter)，其在事故后通过无线电和卫星方式发送定位信号。但如果在水面失事时幸存人员来不及携带和打开ELT，或ELT与残骸一同沉入水下，其就会失去作用。据统计，飞行事故中ELT发挥了作用的仅为29%。从得到的信息看，MH370航班的多个ELT设备均还没有发挥作用。

此外，虽然传统黑匣子的抗坠毁性能标准在不断提高，然而在一些严重事故中，黑匣子损坏的情况仍时有发生。据统计，陆地坠毁的飞机中黑匣子存活率仅为82%。

为了解决水上事故后定位打捞黑匣子困难以及陆地事故后黑匣子存活率达不到100%的难题，抛放式黑匣子应运而生。此类黑匣子可通过其坠毁感知传感器监控飞机事故时触地或坠海瞬间的特征参数异常变化，迅速控制其与机体抛放分离，原理与汽车在撞击瞬间释放安全气囊相似。黑匣子在事故瞬间离机后，如果落在陆地，可避免机体残骸的冲击和火烧等破坏;如果落在海上，可避免随机体坠入海底，其设计还可保证以预定的姿态漂浮在海面上。之后，黑匣子通过无线电和卫星自动发送定位信号。定位抛放黑匣子的过程首先是通过搜救卫星406MHz频率初步确定搜寻范围，然后再通过121.5MHz频率的无线电定位仪完成定位，卫星可实现全球定位，无线电定位范围通常为几十到几百千米。

由于具有以上特点，抛放式黑匣子不但便于事故后搜寻和打捞，同时可作为传统黑匣子的备份提高数据存活率。

中国的研发现状

中国的飞机黑匣子技术虽然起步较晚，但紧跟国际民航标准，产品发展也历经了四代。中国已经建有国家级飞机黑匣子坠毁防护性能验证试验室，1978年研制了中国第一台磁带式黑匣子;1990年研制出了中国第一台采用半导体记录介质的黑匣子;1991年取得中国第一个机载设备适航证;2000年成功研制了紧跟TSO-C124a标准的黑匣子;2012年成功研制了抗飞机高速坠毁的黑匣子，超出TSO-C124b标准要求。研发的新型抛放式黑匣子，具备水上漂浮、无线电和卫星定位功能。

中国在抛放式黑匣子领域紧跟国际发展。根据最新国际标准，已研制出相关产品，具备坠毁前抛放功能，离机后能抗一定的冲击和火烧，具有漂浮功能，内部装有无线电定位信标、北斗卫星定位信标，可在复杂海况下工作。特别是内置的北斗卫星定位信标，可以坠毁后立即定位，性能优于通用的国际救援卫星系统，后者有平均1小时的定位延迟时间，还可以通过短报文功能直接向地面指挥中心发送报警和定位数据，以便第一时间准确定位和搜救打捞，提高了事故救援效率，缩短了事故调查时间。该系统的北斗短报文功能也可配置为正常飞行过程中飞机关键信息的定期报告。

纵观黑匣子几十年来的发展历程，其国际标准更新和产品换代，总是在汲取每起事故调查经验和教训的基础上不断进步的。2009年法航事故和2014年马航事故，已经暴露出海上航空事故后应急定位功能缺失、传统黑匣子定位和打捞技术手段不足、周期长、耗资巨大等问题。黑匣子如何满足类似事故救援和调查的需要，成为当前行业内研究的重要课题。在2012年召开的国际民航组织会议上，飞行记录器专家组建议在长距离跨海运营的飞机上安装具有应急定位功能的抛放式黑匣子。相关适航标准已经颁布，国际主要民机制造商已启动实施该项工作。