大連某航修廠高級工程師張明為您解讀——
黑匣子裡的「黑科技」
■韓 秋 孫 暢 宋 茹
「飛行員和管制員均未遵守標準規則。」這是日前巴基斯坦航空部長針對空客A320型客機墜毀問題給予的回應。
發生在今年5月22日的空難事故終於揭開了謎底。得出這個結論，依據是失事飛機黑匣子讀取的數據。作為每起飛行事故中出現頻率最高的詞彙，黑匣子成為破解空難之謎的關鍵。
那麼，黑匣子到底是什麼？
它真正的名字是飛行數據記錄器。顧名思義，它是一種將飛機飛行數據採集並存儲下來的儀器，當需要了解飛行情況時，可以通過重放設備把這些信息讀取出來。
當然，黑匣子不只是民航客機的「專利」。在軍用飛機中，也裝有黑匣子。無論是人們耳熟能詳的F-16、幻影-2000等戰鬥機，還是C-135、P-3C等軍用運輸機和反潛機上，都裝有黑匣子。為了提高飛行數據倖存率，F-16C上還裝了兩個黑匣子。
在德國拉姆施泰因航展上，義大利空軍「三色箭」飛行表演隊發生飛行事故。資料照片
黑匣子並不黑，橙色「外衣」硬內核
黑色的，方盒子，易打開？提起黑匣子，不少人的腦海裡會這樣去聯想。
然而，這並不是黑匣子的「真面目」。
其實，黑匣子並不黑，外形也不像個匣子。大多數黑匣子被漆成橙色，並帶有反光條，便於飛行事故發生後很快被搜尋到。
為什麼叫黑匣子呢？一種普遍流傳的說法是，空難事故發生後，飛機往往解體，甚至被烈火燒毀，原本橙色「外衣」被燒灼成黑色，再加上人們對空難的忌諱，「橙盒子」也就變成了黑匣子。
黑匣子的誕生最早可以追溯到二戰時期。1908年，世界上發生了第一起軍用飛機事故。之後，隨著飛行事故增加，人們迫切需要一種分析事故原因的儀器。
1939年，2名法國工程師發明了基於照相原理的記錄器，隨後1名英國工程師發明了鋼絲記錄器。不過，這些記錄器僅用於記錄試飛過程數據，並不具備抗毀功能，也不適用於飛行事故的調查。
直到1953年，美國洛馬公司生產了109-C型飛行數據記錄器，才具備了抗毀功能。當時，這型數據記錄器僅裝配在軍用運輸機等大型飛機上。
上世紀50年代，澳大利亞工程師大衛·沃倫設計了一款既能記錄儀器數據、還能記錄座艙聲音的儀器，這便是黑匣子的原型。
從此以後，民航飛機才逐漸「享受」到了原本只有軍機才擁有的「待遇」，裝配了民用飛機黑匣子。
在實際應用中，軍用飛機和民用飛機黑匣子的外觀和功能差別並不大。
從上世紀60年代起，為了便於搜尋和發現空難現場中的黑匣子，世界上幾乎每家航空公司都使用了橙色飛行數據記錄器。
當飛機不幸失事後，外觀醒目的橙色記錄器易於發現。此外，部分黑匣子的外殼表面還會標註「FLIGHTRECORDER,DO NOT OPEN」（飛行記錄儀，不能打開）的字樣，並貼有反光標識，以增加夜間被尋獲的概率。
在亮麗鮮豔的「外衣」下，包裹著黑匣子最為核心的部件——存儲器。
現在較為常見的黑匣子外形尺寸相當於一個菠蘿大小，而其存儲器只有拇指大小，兩者體積相差100倍以上。
雖然外形減小了，但存儲器實現的功能卻越來越強大，可存儲25個小時的飛行數據和2個小時的駕駛艙語音數據。
存儲器的發展是一個漫長的過程，也是人類與飛行事故作鬥爭的過程。從萊特兄弟發明飛機後的50年裡，設計師們使用了滾動紙筒、鋼絲、鋁箔帶、磁帶等各種記錄數據載體，但均因體積大、記錄數據少、抗毀性差等各種原因被歷史淘汰。
上世紀90年代，隨著計算機以及通信技術的發展，固態記錄器研製成功，世界各國戰鬥機才普遍開始安裝飛行數據記錄器。
隨著科技發展，記錄數據參數已經從最早的幾項數據發展到了上千項，飛機在飛行時的速度、時間、位置、發動機轉速以及機艙內的對話信息都會被黑匣子完整記錄下來。
黑匣子的應用範圍也變得更加廣泛，在飛彈、車輛、軍艦上也可以找到它的身影。
國外某型飛行數據記錄器。資料照片
抗摔耐壓燒不化，擁有「金剛不壞之身」
作為飛行事故的「見證者」，黑匣子總能夠在各種事故中「死裡逃生」。
當飛行事故發生時，飛機往往從幾萬米的高空急速墜落，還伴隨著解體、燃燒，甚至爆炸。黑匣子會經歷強烈的衝擊、高溫的灼燒甚至還有海水的擠壓。
儘管如此，黑匣子仍然能確保最大可能地在極端惡劣環境下保存下來。
黑匣子為什麼不會損壞呢？
其實，這一切都源於它獨特的安裝位置、結構和材料等，源自於它獨門擁有的「黑科技」。
在對很多起飛行事故分析後，設計人員發現了一個讓飛機設計者足以興奮的事實——
綜合各類數據分析，在飛行事故中保存最為完好的往往是飛機尾部。所以，飛機設計者一般都把黑匣子安裝在飛機尾部。
更重要的是，黑匣子本身就有著「金剛不壞之身」。為了保存記錄器內部的存儲介質，這些年來，無論是軍用飛機還是民用飛機的設計者，都在抗毀性設計上下足了功夫。
國外某軍工企業擁有悠久的黑匣子製造歷史，產品覆蓋軍用和民用兩個領域，其產品橫跨第一代戰機到第四代戰機。
有一段宣傳片可以窺探究竟——
在該公司的試驗室裡，設計師正在對黑匣子進行分解和檢測。把外殼拆卸後，我們能看到第一層防毀殼體。這一層防毀殼體採用高強度合金製造，是直接承受重力加速度的一道防線，能夠防止內部存儲介質受到強烈衝擊造成的破壞。
第二層則是隔熱填充物，大多採用幹矽石、小蘇打等隔熱性較好的材料，可實現很好的絕熱效果。
第三層是採用鋁合金或陶瓷材料製造的小殼體，以及石棉、矽膠兩層填充物。把這些材料剝開後，我們才能看到內部存儲器的「真面目」。
這樣層層包裹的設計，使黑匣子具有極強的抗火、耐壓、耐衝擊、耐海水浸泡、抗磁幹擾等能力。
現在黑匣子的強度讓最安全的保險柜都甘拜下風。它可以經受超過自身3500倍重量的撞擊，在1100℃的高溫下耐火1小時，能承受2噸的重物擠壓5分鐘，在汽油、酸液、海水等環境中浸泡30天以上，且能承受6000米深海壓力標準。
這些嚴苛的標準是黑匣子安全性的體現。即便飛機摔得「四分五裂」，黑匣子也能將數據保存得完好無損，擁有名副其實的「金剛不壞之身」。
正是黑匣子的高可靠性，讓其維修成為不可實現的任務。在日常維修中，修理工廠只能對其進行數據檢測，無法打開修理。一旦發生事故後，只要能夠讀取數據就已實現了價值，黑匣子自身也失去了修理意義。
小匣子功能大，全身上下「科技範」
對黑匣子來說，僅有「金剛不壞之身」是不夠的，還要具備強大的專業功能。
黑匣子經歷幾代的發展，發揮的作用也在不斷拓展。除了充當裁定飛行事故原因的「法官」，它還經常以「教官」的身份出現。
對戰鬥機來講，黑匣子可以真實記錄飛行員空中技戰術動作，回放空戰對抗訓練的全過程，對飛行員完成飛行課目進行質量評估，讓對抗訓練有了權威的「裁判」。同時，黑匣子還可以監控飛機發動機的各種參數變化，幫助飛行員分析戰術動作，研究論證新的戰法，對於提高訓練質量和預防飛行安全事故意義重大。
實際應用中，一些國外空軍經常通過黑匣子對飛行數據記錄進行復盤，為軍事演習提供更加真實的數據支持。
很多人有疑問，製造這樣一個硬核又神秘的黑匣子，要滿足什麼樣的標準呢？
早在1958年，美國聯邦航空局就頒布了第一部飛行數據記錄器技術標準，對黑匣子的外觀、尺寸、抗毀性等有了明確的規定。
隨著世界航空工業的發展，飛機性能越來越高，飛行數據記錄越來越多，對黑匣子的製造提出了更高的要求。
不同型號、不同功用的飛機，黑匣子的製造標準也不盡相同。
目前，黑匣子的製造標準主要使用美國聯邦航空局、美國航空無線電公司，以及歐洲民航設備組織等制定的標準，部分軍機根據實際情況也有著特殊的要求。
無論是哪種製造標準，墜毀倖存能力是黑匣子製造最為關鍵的指標之一。
墜毀倖存能力要求越高，黑匣子設計製造的難度越大。通常情況下，設計人員很難實現飛機墜毀試驗，導致試驗驗證這個環節成為一大難題。
強衝擊試驗是抗毀性試驗中最關鍵的一項，也是困難係數最高的一項。利用常規的方法，很難產生規定範圍內的衝擊載荷。
為此，科研人員嘗試將黑匣子帶到空中拋下、利用火箭橇試驗等方法，試圖最大程度模擬真實墜機情況，但最終無一例試驗成功。
經過多年的摸索，科研人員終於發現了一種全新的方法——利用壓縮空氣炮裝置進行試驗。
以國外某型黑匣子測試要求為例，進行這項試驗需要將200多千克的重物從3米處落下，撞擊黑匣子最為薄弱的軸線，且會在撞擊裝置上安裝一個堅硬的鋼釘，用於檢測撞擊力度是否達標。
撞擊試驗後，黑匣子完好無損才是合格的產品。
但這樣就可以結束試驗出廠了嗎？
不，還遠遠沒有達到試驗目標。
設計人員還要對黑匣子進行高溫火焰測試，在1100℃的高溫下承受不少於1小時的「煙燻火燎」。試驗結束後，要確保其內部晶片完好，電路板能夠正常工作。
除此之外，黑匣子還要經過靜態擠壓、深海壓力、液體浸泡等重重考驗，才能貼上「合格」的標籤，最終順利出廠。
對於黑匣子的性能要求，設計人員從來沒有停下創新的腳步。隨著一些更加先進的技術不斷投入使用，黑匣子的功能也將越來越強大。