黑匣子

1953年，澳大利亞墨爾本航空研究實驗室的科學家戴維·沃倫博士受到音樂錄音設備的啓發，製造出了黑匣子的雛形。但是他的發明在最初幾年並沒有受到重視。數年以後，人們才開始意識到黑匣子對於航空業的重要性。 ^[6] 

1953 年，世界上第一架噴氣式民航客機——“彗星”客機墜毀。當時沃倫所在的墨爾本航空實驗室參與了這起事故的調查。由於這次空難沒有客機的殘骸和生還者，因此無法提供任何線索。在上世紀50年代早期，噴氣式飛機上使用的新燃料比傳統的飛機燃料更容易在高空爆炸，這被認為是“彗星”墜毀的一個可能的原因。沃倫意識到，如果飛機上有能夠記錄飛行過程的設備，問題就會變得更容易解決。 ^[5] 

沃倫認為，解開飛機失事之謎的關鍵是記錄下駕駛艙中的一切聲音，使調查員可以通過錄音重現飛機墜毀前的最後幾分鐘的對話，以此可以知道失事前機艙內發生了什麼情況。但是普通的錄音機無法經受住飛機墜毀後的高温或水浸，沃倫和他的同事經過一次次的試驗和一次次的失敗，終於在1956年研製成功了可保持4個小時語音和飛行數據的黑匣子雛形，並向澳大利亞航空局展示了他們的成果。但澳大利亞空軍認為“這種設備並沒有多大用處，無助於解釋飛機失事的原因”，而且也並不是所有的同事都對沃倫的想法表示支持。 ^[5] 

就在沃倫的發明成果即將夭折的時候，1958年的一天，曾經領導英國皇家空軍取得不列顛之戰勝利的前空軍中將羅伯特·哈丁漢來到了沃倫的實驗室，他提出想要看一看沃倫的原型機。沃倫在實驗室中為哈丁漢先生對自己的原型機進行了簡單的示範和講解，哈丁漢先生隨即對這項發明產生了濃厚的興趣，他認為這是一個非常棒的主意，並相信這項發明將會成為航空事故調查的有力工具。沃倫受邀與哈丁漢先生一同返回英國展示這項發明，為了方便沃倫研究，英國政府向他提供了一個工程隊供他差遣。英國航空部門宣稱，不久的將來，在飛機上安裝黑匣子將會成為強制性規定。 ^[5] 

英國民用航空管理局開始着手讓沃倫發明的裝置成為民用航班的必備裝備。英國米德爾塞克斯的一家公司第一個拿到生產許可證，開始生產。1958年，第一批黑匣子走下流水線。為了飛機失事墜毀後便於尋找識別，它們的顏色不是黑色的，而是耀眼的橙色。 ^[5] 

看到英國政府支持的態度，沃倫所在的澳大利亞航空實驗室最終決定為這個項目投入資金。1960年，福克公司一架飛機在昆士蘭地區墜毀，機上29人全部遇難，事故調查員強烈要求在所有的飛機上安裝黑匣子。澳大利亞政府也開始重視黑匣子的作用，並將黑匣子的型號進行了規範，使其適用於澳大利亞的所有飛機。3年後，澳大利亞政府頒佈法律，成為世界上第一個強制要求安裝駕駛艙語音記錄器的國家。從這時起，戴維·沃倫發明的飛行記錄器被民航普遍採用，併成為調查、預防飛行事故的重要設備。 ^[5] 

直到1977年，黑匣子才真正引起了全世界的關注。那一年，兩架波音747型客機在西班牙特內里費島機場的跑道上相撞，造成了583人喪生，數百人受傷，這是飛機航行史上最嚴重的空難之一。多虧了有黑匣子的記錄，這起事故很快就真相大白。通過回放黑匣子記錄的當時駕駛艙內的錄音，人們發現，導致這場災難的主要原因是飛行員之間的誤會以及對塔台給出指令的錯誤理解。如果沒有黑匣子，人們也許永遠無法獲得這些至關重要的信息， 黑匣子為空難調查員提供了新的調查方向。 ^[5] 

隨着航空器製造水準的不斷提升以及對於飛行安全的迫切需求，黑匣子從誕生至今，亦經歷着數次的更新換代。 ^[1] 

20世紀50年代初所誕生的第一代黑匣子，系在航空器試飛記錄設備的基礎上所研發的。其主要依靠針頭在金屬箔上所刻畫的痕跡來顯示數據曲線，通常僅能記錄為數不多的飛行基本參數。 ^[1] 

20世紀50年代末至60年代初，經過更新後的第二代黑匣子，主要藉助於磁帶機工作原理，並在機器外側加裝了具有耐火、耐撞的保護外罩。同時，第二代黑匣子已能滿足抗靜態擠壓、抗穿透、耐海水以及腐蝕液體浸泡的要求。在具體功能上，第二代黑匣子中出現了駕駛艙話音記錄器，且記錄的飛行參數也增加至了數十個。 ^[1] 

隨着微電子技術的迅猛發展，20世紀90年代起誕生了第三代的黑匣子。其採用半導體材料來作為數據記錄的儲存設備，所記錄的參數已上升至數百個，且功能已從單純的飛行事故調查，外延至日常飛行監控以及飛行維護與故障診斷。隨着對於航空器墜毀時黑匣子破壞情形研究的不斷深入，第三代黑匣子的抗強衝擊指標已提升至3400g重力加速度，而在1100攝氏度高温下的耐火時間達到60分鐘，耐海水浸泡時間則為30天，且新增了耐6000米深海壓力標準。 ^[1] 

當前，新一代的黑匣子已經出現，其不僅可以對視頻數據予以記錄，且記錄的參數也高達數千個，並能通過衞星定期傳輸黑匣子的關鍵信息數據。此外，新型黑匣子的拋放式功能，令其在航空器墜毀時能夠自動與機體分離，且具備無線電、衞星定位及水面漂浮功能，最大限度地提升了黑匣子的生存能力。 ^[1] 

黑匣子通常為橙紅色，是兩個長約40釐米，寬與高分別約20釐米的長方體，每個重約20-30千克。 ^[7] 

黑匣子這一名稱最初源於1954年所提出的在航空器駕駛艙內安裝聲音記錄器的設想。彼時航空器內所有的電子設備均放置於大小、形狀完全統一的黑色方形盒內。而作為聲音記錄器的設備則安置於最為堅固的一個黑色方盒中。 ^[1]  儘管黑匣子不再是黑色，但人們仍習慣沿用這一稱呼，部分原因也是出於真正需要尋找黑匣子時就意味着發生了可怕的空難，而黑色在大多數國家都與“死亡”相關。 ^[8] 

黑匣子是航空器失事後查明事故緣由最為科學、可靠且有效的方式。從現代黑匣子的工作原理而言，航空器在通電後，黑匣子即自動開啓工作狀態，並不受人為影響與控制。其能夠實時記錄航空器各系統的運行狀態、飛行員對於航空器的操作情況以及航空器上相關音頻信息，且黑匣子記錄的數據信息不可刪節或更改。根據民航業要求，黑匣子所採集的實時信息，必須保存斷電前至少25小時以上的飛行數據以及最後2小時的音頻信息。 ^[1] 

黑匣子作為一種事關飛行安全的重要航空電子設備，具有抗強衝擊、抗穿透、抗高温火燒、抗深海壓力、耐海水浸泡、耐腐蝕性液體浸泡等特種防護能力，能在各種飛機事故中保存其內部存儲的信息。 ^[9] 

按照黑匣子的用途，它被形象地稱為“法官”、“教官”和“醫生”。所謂法官，是基於飛行事故調查的用途，事故發生後通過找回黑匣子，對數據譯碼分析，可以判定事故真正原因，避免同類事故再次發生；所謂教官，是指在飛行員監控方面的功能，通過日常分析黑匣子的數據，糾正飛行員不良駕駛習慣，預防事故發生；所謂醫生，則是在飛機故障診斷與維護方面的作用，通過對黑匣子數據進行日常分析，監控、預測飛機主要部件的健康狀態，排查故障隱患，防止故障發展為事故。 ^[9] 

為了事故調查時獲取客觀、全面的信息，黑匣子記錄數據的種類和數量不斷增加。數據種類從最初的飛行、音頻數據，拓展到了視頻和數據鏈數據；參數數量從最初的五個逐步發展到幾百個甚至上千個。飛行數據一般包括飛機和發動機運行狀態、飛行員操縱情況、飛機外部信息等；音頻數據一般包括正、副駕駛員的通話、飛機與地面的通話、機組之間的通話以及駕駛艙環境聲音等；視頻數據一般包括駕駛艙儀表顯示、飛行員動作、飛機前方視景、起落架收放狀態等。通過專用數據回放軟件，可用黑匣子數據直觀真實地再現飛機飛行過程，自動分析飛機可能存在的故障隱患和人員操作異常，預防故障或事故發生，極大地提高了航空飛行安全水平。 ^[9] 

按照航空法的規定，在大型商業飛機上必須安裝飛行數據記錄器(FDR)。飛行數據記錄器在發動機工作（或飛機離地）後，自動實時地記錄飛機的飛行狀態參數和發動機工作狀態參數，為分析飛行情況及飛機性能提供必要的數據。因此，飛機制造廠根據試飛數據改進設計方案或製造工藝，消除飛機上的各種隱患，使飛機有更好的安全性能和經濟性能；在飛行培訓中，可利用記錄的數據來評定駕駛員的駕駛技術，確保訓練質量；航空工程部門根據數據的衰變，快速準確地判明飛機的故障、飛機性能及發動機性能的變化趨勢，以便確定維修實施程序進行維修。此外，當飛機出現事故後，可以根據記錄數據幫助分析事故原因等。 ^[10] 

機載飛行數據記錄器記錄飛機最近25 小時的實時飛行狀態參數與系統數據以及飛機系統工作狀況和發動機工作參數等。飛行數據記錄器從最初僅記錄幾個參數發展到可記錄幾十類上萬個參數。例如，時間、航向、高度、空速、垂直加速度、發射監控信號、發動機參數、襟翼位置、橫滾角、俯仰角、縱軸和橫軸的加速度、飛行控制舵面的位置、無線電導航信息、自動駕駛儀的工作情況、大氣温度、電源系統的參數和駕駛艙警告等。 ^[10] 

現代飛行數據記錄器有兩種類型，一種是磁帶式飛行數據記錄器，另一種稱為數字式飛行數據記錄器。飛機大多選用數字式飛行數據記錄器為固態飛行記錄器存儲數據。為使記錄器上的信息在較為惡劣的環境下不丟失，記錄器必須具有抗墜毀、耐火燒、耐海水和各種液體浸泡的能力。 ^[10] 

數字式飛行數據記錄器系統(DFDRS)包括：飛行數據記錄器、飛行數據獲取組件、加速度傳感器、控制面板和水下定位裝置等。飛行數據記錄器安裝在一個防震的塗成黃色或亮橙紅色的盒子裏，其堅固的殼體對內部器件起着保護作用。盒子安裝在飛機尾艙附近，能經受極高的衝擊力，並防火、防水。 ^[11] 

沿飛機三軸安裝的加速度傳感器，測量飛機的縱向、橫向和航向加速度，並將測量數據輸送給飛行數據獲取組件；飛行數據獲取組件由飛機系統中獲取數據，並輸送給飛行數據記錄器記錄。 ^[11] 

飛行數據記錄器控制面板置於駕駛艙內，控制板上安裝有一個控制開關和故障指示燈，人工可將該開關置於“正常”位置，意味着處於正常工作狀態．當發動機工作後便自動進入記錄方式。如開關處於“檢查”位置，則處於地面檢查方式，供地面測試飛行數據記錄器使用。控制板上的故障指示燈用來向飛行人員提供記錄系統故障報警的目視信號。當飛行數據記錄器失效時，失效警告燈點亮。 ^[11] 

航班/日期編碼器包括六個人工調定的拇指輪和事件(EVENT)、重複(REPEAT)按鈕以及剩餘時間指示器。拇指輪中的前四個用於給定航班號，後兩個用於給定日期。事件按鈕供飛行員記錄發生的事件，當飛行員發現某一異常情況時，可立即按下此按鈕，記錄器便記下此時的信號。重複按鈕在開始飛行或飛行中某一時刻按下時，將航班和日期編碼寫入飛行記錄器，當編碼器工作時，指示燈點亮。 ^[11] 

水下定位裝置，即飛行數據記錄器上安裝的水下信標發射器，可使記錄器在深水中定位，發射器的發射距離為2-3米。發射器具有一個獨立的電源，一旦進入水中立即開始工作，並能連續工作30天。 ^[11] 

飛行數據記錄器採用數字方法記錄和存儲數據。對於要求安裝FDR的系統，必須能記錄飛行中的一些重要參數。如：時間、高度、空速、垂直加速度、航向、無線電發射鍵控狀態、俯仰姿態、橫滾姿態、橫向加速度、駕駛杆或升降舵的位置、俯仰配平的位置、駕駛盤或副翼的位置、方向舵腳蹬或方向舵的位置、每台發動機的推力、發動機反推的位置、後緣襟翼或襟翼手柄的位置、前緣襟翼或襟翼手柄的位置等。飛行數據記錄器記錄參數的多少取決於記錄器的形式和飛機本身的需要。 ^[11] 

駕駛艙語音記錄器（CVR）主要記錄飛機機組人員通信信息，包括飛機機組人員通信、聲音警告、飛機接收和發送的數據鏈信息。駕駛艙語音記錄器除對駕駛艙語音進行記錄外，同樣可以記錄無線電接口裝置通過 ARINC429總線傳輸來的數據鏈信息。一個UTC時鐘輸入用於同步語音記錄器和飛行數據記錄器。CVR收集音頻記錄和可用的數據鏈信息並以“先進先出”的方式存儲。語音信息最少可記錄120分鐘的數據。數據都存儲在防撞擊記憶裝置 CSMU的固態存儲器內，該存儲器經過墜毀撞擊或浸泡在水裏仍能保存。 ^[12] 

駕駛艙語音記錄器上有4條音軌，分別用來記錄飛行員與航空管制員的通話，正、副駕駛員之間的對話，駕駛員、空服員對乘客的廣播以及駕駛艙內的各種聲音(引擎聲、警報聲等)。錄完後，會自動從頭錄起。依照法規，所安裝的語音記錄器應該保留運行過程中至少最後2小時所記錄的信息。 ^[11] 

語音記錄器和飛行數據記錄器一樣，安裝在飛機尾艙後部的一個盒子裏。該盒子也是黃色或橙紅色的，防衝擊、防震、防火、防水。通常必須獨立於飛行數據記錄器。語音記錄器從飛行前啓動發動機之前使用檢查單開始，到飛行結束完成最後的檢查單為止．始終連續工作。 ^[11] 

駕駛艙語音記錄器主要由記錄器和控制板組成。早期的語音記錄器採用磁帶作為記錄介質，現代飛機多采用固態的語音記錄器，即將數據存儲到半導體芯片上。語音記錄器控制板用於對記錄器進行遠距離的控制和測試。 ^[11] 

2023年，美國聯邦航空局（FAA）3月16日在一份聲明中表示，它計劃延長駕駛艙語音記錄器（CVR）的記錄時間，要求CVR能捕捉長達25小時的駕駛艙聲音，目前CVR僅被要求記錄2小時。 ^[19] 

黑匣子在陸地的定位主要依靠人工目視，找到飛機殘骸後，利用黑匣子外表明亮、獨特的顏色和反光標識進行搜尋。 ^[9]  在確定大致位置範圍後，即使黑匣子埋入土中，也可用金屬探測儀等探地工具尋找。 ^[3] 

黑匣子在水下定位主要依靠水下定位信標（ULB，Underwater Locator Beacon）。它是一個電池供電的水下超聲波脈衝發生器，牢固地安裝在黑匣子外部。一旦黑匣子入水，信標上的水敏開關啓動信標工作，通過信標的金屬外殼把頻率為37.5kHz的超聲波信號發射到周圍水域，每秒一個脈衝。其內置電池可連續工作至少30天，30天后隨着電量逐漸耗盡，超聲波信號將越來越微弱直至停止工作。 ^[9] 

信標可以在6096米的深度內發出超聲波，但在距離信標1800~3600米的範圍內才能夠被儀器探測到，海水的狀態、周圍的船隻、海洋動物、石油管道以及其他因素造成的周圍噪音都會影響信標的被探測範圍。 ^[9] 

水下定位信標發出信號時，可以通過專用聲吶探測儀進行定位。由於信標信號的可探測範圍相對於大海而言極其有限，一般先要進行殘骸大致範圍定位，然後再通過拖曳式聲吶縮小定位範圍，最後再使用可以定位信號來源方向的水聽器，定位黑匣子的方位。 ^[9] 

如果黑匣子沉入淺海，可由潛水員進行打撈。如果黑匣子沉入深海，超過人工潛水深度時，需要使用專門的搜索、打撈設備，一般可使用輪船放下水下線控機器人，操作人員在船上通過綜合顯示控制枱，控制機器人攜帶的海底聲吶掃描設備、信標方位定位器、深海攝像頭定位黑匣子，通過機械手打撈黑匣子。 ^[9] 

雖然黑匣子帶有水下定位信標，但由於信標作用距離僅為幾千米，墜毀時可能與黑匣子分離，一旦打撈時間超過30天，定位信號可能消失，造成黑匣子定位困難。即使定位成功，深海打撈也存在難度大、時間長、費用高，甚至無法打撈等問題。據統計，1970-2009年，大型民用航空器在公海墜毀的36起事故中有4起未找到飛機殘骸、9起未找到黑匣子，反映出水下定位信標定位方式存在一定的侷限性。 ^[9] 

除了黑匣子能夠在飛機事故後發出定位信號，民航規章要求載客19人以上的飛機必須至少裝備一台應急定位發射機（ELT，Emergency Locator Transmitter），其在事故後通過無線電和衞星方式發送定位信號。但如果在水面失事時倖存人員來不及攜帶和打開ELT，或ELT與殘骸一同沉入水下，其就會失去作用。據統計，近年來飛行事故中ELT發揮了作用的僅為29%。從目前得到的信息看，MH370航班的多個ELT設備均還沒有發揮作用。 ^[9] 

此外，雖然傳統黑匣子的抗墜毀性能標準在不斷提高，然而在一些嚴重事故中，黑匣子損壞的情況仍時有發生。據統計，陸地墜毀的飛機中黑匣子存活率僅為82%。 ^[9] 

為了解決水上事故後定位打撈黑匣子困難以及陸地事故後黑匣子存活率達不到100%的難題，拋放式黑匣子應運而生。此類黑匣子可通過其墜毀感知傳感器監控飛機事故時觸地或墜海瞬間的特徵參數異常變化，迅速控制其與機體拋放分離，原理與汽車在撞擊瞬間釋放安全氣囊相似。黑匣子在事故瞬間離機後，如果落在陸地，可避免機體殘骸的衝擊和火燒等破壞；如果落在海上，可避免隨機體墜入海底，其設計還可保證以預定的姿態漂浮在海面上。之後，黑匣子通過無線電和衞星自動發送定位信號。定位拋放黑匣子的過程首先是通過搜救衞星406MHz頻率初步確定搜尋範圍，然後再通過121.5MHz頻率的無線電定位儀完成定位，衞星可實現全球定位，無線電定位範圍通常為幾十到幾百千米。 ^[9] 

由於具有以上特點，拋放式黑匣子不但便於事故後搜尋和打撈，同時可作為傳統黑匣子的備份提高數據存活率。 ^[9] 

中國的飛機黑匣子技術雖然起步較晚，但緊跟國際民航標準，產品發展也歷經了四代。中國已經建有國家級飛機黑匣子墜毀防護性能驗證試驗室，1978年研製了中國第一台磁帶式黑匣子；1990年研製出了中國第一台採用半導體記錄介質的黑匣子；1991年取得中國第一個機載設備適航證；2000年成功研製了緊跟TSO-C124a標準的黑匣子；2012年成功研製了抗飛機高速墜毀的黑匣子，超出TSO-C124b標準要求。研發的新型拋放式黑匣子，具備水上漂浮、無線電和衞星定位功能。 ^[9] 

中國在拋放式黑匣子領域緊跟國際發展。根據最新國際標準，已研製出相關產品，具備墜毀前拋放功能，離機後能抗一定的衝擊和火燒，具有漂浮功能，內部裝有無線電定位信標、北斗衞星定位信標，可在複雜海況下工作。特別是內置的北斗衞星定位信標，可以墜毀後立即定位，性能優於通用的國際救援衞星系統，後者有平均1小時的定位延遲時間，還可以通過短報文功能直接向地面指揮中心發送報警和定位數據，以便第一時間準確定位和搜救打撈，提高了事故救援效率，縮短了事故調查時間。該系統的北斗短報文功能也可配置為正常飛行過程中飛機關鍵信息的定期報告。 ^[9] 

汽車黑匣子，又稱“汽車行駛記錄儀”或“汽車綜合信息記錄儀”，有人將其形象地稱為汽車電子警察。汽車黑匣子一般由傳感器、記錄器、顯示器等組成，其功能是在汽車行駛中精確地記錄下多種工作狀態時的參數，能及時反映出汽車行駛的動態數據，供駕駛員及時瞭解車況並糾控，在汽車發生超速行駛時還會自動報警。汽車一旦發生事故，它的處理軟件系統會根據記錄器中所採集的各種參數，用圖像形式再現發生事故時的行駛軌跡。 ^[13] 

火車黑匣子一般裝配在車頭部，又名“火車運行監控記錄器”。除了跟飛機黑匣子類似的記錄功能外，它還具有顯示、提醒、報警、自動鳴笛、緊急制動等監控管理功能。當列車司機駕駛不當、機車發生故障等危及列車安全的問題出現時，黑匣子會用語音及時提醒司機採取措施；如果司機不能馬上回應，它就會自動轉為緊急停車或減速，確保列車運行的絕對安全。 ^[13] 

船舶黑匣子的學名叫“船載航行數據記錄儀（簡稱VDR）”，主要功能是記錄、處理、壓縮、儲存和回放事故船舶在發生災難事故前16小時內，船舶上的各種重要信息參數，其功能與飛機上的黑匣子差不多。但船舶黑匣子一般都不安裝在船艙內，甚至有能在船難發生時自動與船舶主體分離的漂浮式黑匣子，這主要是出於便於打撈的考慮。 ^[13] 

2014年3月8日凌晨2點40分，馬來西亞航空公司稱有一架載有239人的波音777-200飛機與管制中心失去聯繫，該航班號為MH370，客機黑匣子未找到。 ^[16] 

2009年6月1日，法航AF447航班的空客A330-203飛機從巴西里約熱內盧起飛6個多小時後失去了聯繫。 ^[14]  2011年5月1日，海纜船伊爾德桑號找到飛行記錄儀的內存併成功打撈上水；5月7日，飛行記錄儀被送到巴黎進行分析。 ^[14]  2011年7月29日BEA公佈了最後的調查結果，認定空難是因為機組人員缺乏足夠的訓練、沒有遵循飛行程序指引並忽視失速警告而引起的。至此，總共耗資超過3500萬歐元（約合5000萬美元）的調查工作，終於畫上了句號。 ^[14] 

2022年3月21日，東航一架波音737客機在執行昆明——廣州航班任務時，於梧州上空失聯。已確認該飛機墜毀，機上人員共132人，其中旅客123人、機組9人。 ^[15]  3月23日，失事的MU5735航班的其中一部黑匣子被找到，並被確認為駕駛艙話音記錄器。 ^[3]  3月27日上午9時20分許，在撞擊點東側山坡坡面1.5米土層下，消防員發現一橙色罐體，經專家確認，是“3·21”東航飛行事故客機第二個黑匣子。 ^[17]  3月31日，民航局航空安全辦公室主任朱濤在舉行的“3·21”東航MU5735航空器飛行事故國家應急處置指揮部第十場新聞發佈會上表示，兩部黑匣子數據正在解碼中。 ^[18]