Черный ящик

<час />

Фон

Черный ящик - это общий термин, используемый для описания компьютеризированных регистраторов полетных данных, имеющихся в современных коммерческих самолетах. Регистратор полетных данных (FDR) - это миниатюрная компьютерная система, которая отслеживает различные данные о полете самолета, такие как скорость полета, положение и высота. Это устройство обычно используется вместе со вторым черным ящиком, известным как регистратор голоса в кабине (CVR), который регистрирует радиопередачи и звуки в кабине, такие как голоса пилотов и шумы двигателя. В случае аварии информация, хранящаяся в этих черных ящиках, может быть использована для определения причины аварии.

Черные ящики использовались с первых дней авиации. Братья Райт подняли в воздух первый бортовой самописец во время одного из своих первых полетов. Это грубое устройство регистрировало ограниченные данные полета, такие как продолжительность, скорость и количество оборотов двигателя. Другой пионер авиации Чарльз Линдберг использовал несколько более сложную версию, состоящую из барографа, который наносил чернила на бумагу, обернутую вокруг вращающегося барабана. Все устройство было помещено в небольшую деревянную коробку размером с картотеку. К сожалению, эти ранние прототипы не имели прочной конструкции и не выдерживали аварии.

В 1940-х годах, когда коммерческая авиация росла семимильными шагами, серия аварий побудила Совет по гражданской аэронавтике более серьезно отнестись к важности полетных данных. Они работали с рядом компаний, чтобы разработать более надежный способ сбора данных. Приняв вызов, General Electric разработала систему под названием «сельсины», которая состояла из серии крошечных электродов, прикрепленных непосредственно к приборам самолета. Эти датчики передавали информацию на записывающее устройство в задней части самолета. (Регистраторы обычно хранятся в хвостовой части самолета, потому что это наиболее устойчивая зона самолета.) Инженеры GE преодолели ряд технических проблем при разработке сельсинов. Например, они ловко осознали, что высокогорные условия с низким давлением и температурой могут вызвать замерзание или засорение перьев чернилами, обычно используемыми в записывающих устройствах. Их решением стала записывающая система, в которой стилус вырезал изображение на черной бумаге, покрытой белым лаком. Однако, несмотря на их усилия, в реальных полетах аппарат так и не использовался. Примерно в то же время другая инженерная компания, Frederick Flader, разработала первый магнитофон; однако это устройство также никогда не использовалось.

Технология черного ящика не развивалась до 1951 года, когда профессор Джеймс Дж. Райан присоединился к механическому подразделению General Mills. Райан был экспертом в области контрольно-измерительных приборов, анализа вибрации и проектирования машин. Обращаясь к проблеме FDR, Райан придумал свой собственный VGA Flight Recorder. «V» означает скорость (воздушная скорость); «G» для силы G (вертикальное ускорение); а «А» - высота. Регистратор Райана представлял собой устройство весом 10 фунтов (4,5 кг) размером с хлебный ящик с двумя отдельными отсеками. Одна секция содержала измерительные устройства (высотомер, акселерометр и индикатор воздушной скорости), а другая содержала записывающее устройство, которое подключалось к трем приборам.

Базовая секционная конструкция Райана до сих пор используется в бортовых самописцах, хотя и претерпела многочисленные улучшения. Стилус и записывающее устройство на лаковой пленке были заменены магнитной лентой толщиной в четверть дюйма (6,4 мм), которая, в свою очередь, была заменена микросхемами цифровой памяти. Количество переменных, которые могут отслеживать регистраторы, также резко увеличилось - с трех или четырех параметров до примерно 300. FDR теперь могут отслеживать такие характеристики в полете, как скорость, высота, положение закрылков, режим автопилота и даже состояние дыма на борту. будильники. В начале 1960-х годов авиационная отрасль добавила возможность записи голоса с помощью диктофона кабины экипажа (CVR). Но, пожалуй, самым значительным достижением в производстве бортовых самописцев стали улучшения, внесенные в его конструкцию, позволяющие устройствам лучше противостоять разрушительной силе столкновения. Ранние модели должны были выдерживать всего около 100 G (в 100 раз превышающую силу тяжести), что примерно эквивалентно силе падения с высоты около 10 футов (3 м) на бетонную поверхность. Чтобы лучше моделировать реальные условия аварии, в 1965 году требования были увеличены до 1000 G в течение пяти миллисекунд, а затем до 3400 G в течение 6,5 миллисекунд.

Сегодня FAA требует, чтобы большие коммерческие самолеты и некоторые меньшие коммерческие, корпоративные и частные самолеты были оснащены регистратором голоса в кабине и регистратором полетных данных. В случае аварии черные ящики могут быть извлечены и отправлены в запечатанном виде в Национальный совет по безопасности на транспорте (NSTB) для анализа.

Компоненты

Регистратор полетных данных и Регистратор голосовых данных (или Регистратор голоса в кабине экипажа) построены из аналогичных компонентов. Оба включают в себя источник питания, блок памяти, плату электронного контроллера, устройства ввода и сигнальный маяк.

Источник питания

И FDR, и CVR питаются от источника питания с двойным напряжением (115 В переменного тока или 28 постоянного тока), что дает им гибкость для использования в различных самолетах. Батареи рассчитаны на 30-дневную непрерывную работу и имеют шестилетний срок хранения.

аварийный блок памяти (CSMU)

CSMU рассчитан на хранение 25 часов цифровой полетной информации. Хранимая информация имеет очень высокое качество, поскольку современная электроника устройства позволяет хранить данные в несжатом виде.

Интегрированный контроллер и монтажная плата (ICB)

Эта плата содержит электронную схему, которая действует как коммутатор для входящих данных.

Интерфейс самолета

Этот порт служит соединением для устройств ввода, из которых черные ящики получают всю свою информацию о самолете. Интерфейс FDR принимает и обрабатывает сигналы от различных приборов на борту самолета, таких как индикатор воздушной скорости, бортовые аварийные сигналы, высотомер и т. Д. Интерфейс, используемый для CVR, принимает и обрабатывает сигналы от микрофона в кабине экипажа, который обычно устанавливается где-то на верхней приборной панели между двумя пилотами. Микрофон предназначен для улавливания звуков, которые могут помочь исследователям в определении причины аварии, например шума двигателя, предупреждений о сваливании, выдвижения и втягивания шасси и других щелчков и хлопков. Эти звуки могут помочь определить время, когда произошли определенные события, связанные с аварией. Микрофон также ретранслирует связь с авиадиспетчерской службой, автоматические брифинги погоды по радио и беседу между пилотами и наземным или бортпроводником.

Подводный маяк-локатор (ULB)

Каждый регистратор может быть оснащен подводным маяком-локатором (ULB), чтобы помочь в определении его местоположения в случае аварии над водой. Устройство, неофициально известное как «пингер», активируется, когда диктофон погружается в воду. Он передает акустический сигнал на частоте 37,5 кГц, который может быть обнаружен специальным приемником. В Регистратор полетных данных (FDR) - это миниатюрная компьютерная система, которая отслеживает различные данные о полете самолет, включая его скорость полета, положение и высоту. Система размещена в тяжелом металлическом контейнере, который выдерживает ударную нагрузку при столкновении. маяк может передавать с глубины до 14 000 футов (4200 м).

Производственный
процесс

Ключ к созданию успешного черного ящика - сделать его максимально прочным. Это достигается путем помещения компонентов в многослойную защитную оболочку. У разных производителей записывающих устройств есть свои собственные разработки, но в целом производственный процесс можно описать следующим образом:

1. Ключевые компоненты (источник питания, плата интерфейса / контроллера и схемы памяти) построены как отдельные блоки, а затем собраны в законченный черный ящик. Такой модульный подход позволяет легко заменять компоненты без разборки всего устройства. Каждый из этих компонентов имеет свои особые требования к сборке, но основное внимание уделяется защите блока памяти, поскольку он содержит данные, которые будут интересны исследователям.
2. Для обеспечения надлежащей защиты интегральных схем блока памяти используется многоуровневая конфигурация. Наружный слой - это корпус, состоящий из стальной броневой плиты.
3. Ниже находится слой изоляции, за которым следует толстая пластина парафина, которая образует тепловой блок. Когда парафин тает, он поглощает тепло и, следовательно, поддерживает более низкую температуру ядра памяти.
4. Под керосином лежит плата с микросхемами памяти.
5. Под платой памяти находится еще один термоблок из парафина, за которым следует еще один слой изоляции. Вся сборка установлена ​​на стальной пластине, которая служит крышкой для доступа.
6. Собранный блок памяти для выживания при столкновении затем прикручивается к передней части монтажной полки из тяжелой металлической пластины четырьмя большими удерживающими болтами. Блок питания прикреплен сразу за CSMU.
7. Плата интерфейса и управления (ICB) прикреплена винтами к нижней стороне монтажной полки. Металлическая крышка доступа защищает доску и обеспечивает легкий доступ.
8. Подводный маяк-локатор (ULB) прикреплен к двум рычагам, выходящим из передней части блока памяти. ULB выступает из корпуса и имеет цилиндрическую форму, что позволяет использовать его в качестве ручки для всего устройства. Если диктофон будет продаваться без ULB, на его место устанавливается полая металлическая ручка-трубка.
9. Внешний кожух окрашен в ярко-оранжевый или красный цвет, чтобы его было лучше видно при аварии.

Контроль качества

После изготовления устройства подвергаются ряду изнурительных и несколько странных условий испытаний. Черные ящики стреляют из пушек, пронзают тонкими стальными прутьями, прикрепляют к грузам массой 500 фунтов (227 кг) и сбрасывают с 10 футов (3 м) над землей, раздавливают в тисках при давлении 5000 фунтов (2270 кг), приготовленные с паяльной лампой в течение часа при температуре 1212 ° F (1100 ° C) и погружении в морскую воду, эквивалентную 6000 футов (6000 м), на один месяц. После такого тестирования встроенный микропроцессор позволяет запускать различные диагностические процедуры, чтобы убедиться, что устройство работает правильно. Высокоскоростной интерфейс позволяет проверить весь блок памяти менее чем за пять минут. Эту оценку можно провести на заводе-изготовителе, чтобы убедиться, что устройство работает безупречно, а затем еще раз после установки, чтобы убедиться, что он по-прежнему работает должным образом. Согласно правилам, бортовые самописцы для вновь изготовленных самолетов должны точно отслеживать по крайней мере 28 критических факторов, таких как время, высота, воздушная скорость, курс и ориентация самолета. Среднее время наработки на отказ для этих устройств должно быть более 15 000 часов, и они не требуют обслуживания. Если устройство проходит все тесты, описанные выше, он соответствует требованиям, установленным FAA (Федеральное управление гражданской авиации).

Будущее

Будущее производителей черных ящиков уже открывается. Smith Industries, крупный поставщик бортовых самописцев, недавно объявила о разработке единого устройства, которое заменит отдельные блоки FDR и CVR. Их устройство известно как интегрированный регистратор сбора данных (IDAR), и оно объединяет полетные и голосовые данные в единой конфигурации вместе с системой передачи данных для извлечения данных технического обслуживания. Внедрение IDAR позволяет снизить критический вес системы на 25%. Интересно, что это новое направление в разработке продукта появилось одновременно с новым законодательством, которое делает обязательной регистрацию данных, связанных с сообщениями управления воздушным движением. Этот новый закон потребует, чтобы черные ящики содержали еще больше информации. Вполне вероятно, что производители оборудования для записи полетов ответят на этот вызов и разработают черные ящики, которые могут хранить все больше и больше информации в постоянно уменьшающихся упаковках.