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黑盒子一點也不黑的祕密

2014/03/10 | | 標籤:

每當有飛安意外,新聞媒體很可能會報導:「正在進行一個搜救黑盒子的動作。」記者使用了「搜救」,又談到黑盒子可以幫助釐清事發原因,或許有人會以為「黑盒子」是一位見證飛安意外的倖存者(應該不會吧?)。「黑盒子」(Black Box)嚴格來說應該稱作「飛行紀錄器」(Flight Data Recorder, FDR),而且一點也不黑。

最早的黑盒子可以追溯到二戰時期,芬蘭的航空工程師Veijo Hietala 設計了一款黑色外觀的盒子,並以已故的知名女間諜瑪塔·哈里(Mata Hari)為名。不過這個黑盒子並不是為了記錄資料以釐清飛安意外原因,而是為了記錄試飛過程的重要數據,設計出更精良的飛機。

到了1950年代,澳洲的工程師大衛華倫(David Warren)設計了一款不只能記錄儀器讀數的黑盒子,同時還能記錄座艙的聲音,也就是「座艙通話記錄器」(Cockpit Voice Recorder, CVR)的原型。1956年發生了「大峽谷空中相撞事件」,促使飛行規定大大改進,包括規定民航機必須安裝黑盒子。幾年之後,黑盒子的位置規定裝在飛機尾端,以提高飛機墜毀後資料保存的機會;黑盒子也改為橘色外觀,方便在殘骸堆中搜尋,不過「黑盒子」的外號仍保留下來一直到現在。

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現代黑盒子的發明者,澳洲工程師大衛華倫。

早期的黑盒子使用磁帶來記錄,在1990年代之後,黑盒子的紀錄元件改用固態記憶體,減少機件故障的風險,也能承受更大的撞擊力道。不同大小的飛機的記錄器形狀略有不同,但相同的是,它們都必須能抵擋3400G的撞擊、磁場干擾、穿刺、持續1小時的1100℃高溫、海水的高鹽環境、飛機油料的侵蝕。橘色外觀上貼著反光條、還有一行「FLIGHT RECORD DO NOT OPEN」(飛航資料記錄器,不可打開)的字樣,就像標註著這款黑盒子通過煉獄般的考驗,耐得起各種重大災難並忠實記錄著事發經過。

 

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FDR

2.54公分厚的矽材質抗高溫層、0.64公分厚的不鏽鋼(或鈦合金)層,讓座艙通話記錄器能在劇烈飛航意外下依然保存著資料。

如果飛機不幸墜毀在海中,水下定位信標在遇到水後,會因為短路而每秒發出一次37.5 kHz的超音波訊號,能穿透4267公尺的深海。雖然人耳聽不到的,但水下聲吶可以找出發出訊號的位置;信標的電池夠讓訊號連續發出30天。

飛行記錄器能記錄長達25小時的資料,以往磁帶能記錄的資料不超過100項,但固態記憶體能記錄超過700項資料,從飛行速度、高度、羅盤方位、平衡、油料殘量……到油箱溫度、液壓系統狀況、機翼姿勢、駕駛艙各控制桿的位置,鉅細靡遺,依照各種飛機的複雜程度不同,有不同的資料量。美國聯邦航空管理局規定,2002年8月之後,飛行記錄器至少要記錄88種資料,現在大型噴射客機可能記錄到多達3000種資料-不過誰也無法保證會不會有哪個造成事故的參數沒被記錄到。

1999年墜毀的埃及航空990班機上,黑盒子裡的磁帶。

1999年墜毀的埃及航空990班機上,黑盒子裡的磁帶。

座艙通話記錄器則是記錄著駕駛員通話記錄還有座艙的環境音,但是記錄器的設計只循環記錄了最近時段的聲音記錄,不會完整記錄整趟飛行過程的聲音;如果以2小時為一循環,那麼最近的一則聲音,會取代兩小時前的那筆記錄。不過這情況未來可能會改變。

2009年法航447號班機空難,黑盒子在兩年後才尋獲,這讓世界第三大的飛機製造商-加拿大的龐巴迪(Bombardier)開始思考「即時飛航遙測」的可能。「即時飛航遙測」和黑盒子不同,能將飛機的即時狀況透過3G基地台或是衛星傳給地面的接收站。要是飛機不幸失事,能從接收到的最近幾筆資料推斷出事發地點,使搜救行動更有效,而且也不必擔心黑盒子在空難中損毀,就沒有資料可以調查。

目前龐巴迪在2013年出廠的C-Series噴射客機配備有「即時飛航遙測」,然而這項設計並不是一開始就是為了空難鑑定,是為了收集駕駛員的操作習慣,作為依據來調整飛機的設計或者規劃出更節能的飛航方式。聽起來很棒,不過「即時飛航遙測」現階段還無法取代黑盒子;從技術上來看,得有足夠的衛星能夠覆蓋航線,目前可能的候選是由66個通訊衛星組成的銥衛星網路(Iridium Network);此外,還要有足夠的通訊頻寬才能傳輸這麼龐大的資料量,光是建置硬體的成本就高得嚇人。(除了技術之外,飛行員的專業隱私是另一個重要的考量,可以參考〈The future of the black box flight recorder explored〉一文)

也許能以「間歇傳輸」取代「全時傳輸」,或者只傳輸最最重要的幾項資料,將其他細節資料依然記錄在黑盒子中,如此能減少通訊的資料量。「即時飛航遙測」的極致是希望有一天當飛機出事時,從地面接管飛行員的操控,避免像是911事件的自殺恐怖攻擊、或者飛行員慌亂,讓飛機安然降落。什麼?你覺得太唬爛?不會吧,美國現在都遙控無人飛機殺人了,遙控飛機救人也不是這麼不切實際。

黑盒子拆解介紹。

參考資料:

  1. Flight recorder — Wikipedia
  2. How Black Boxes Work — HowStuffWorks
  3. The future of the black box flight recorder explored. WIRED.uk [26 July 2011]
  4. Bombardier readies C-Series for avionics testing. Avionics Intelligence [December 23, 2013]

科技大觀園延伸閱讀:

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關於作者

陸子鈞

Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。