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黑盒子一點也不黑的祕密

陸子鈞
・2014/03/10 ・2058字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 497 ・六年級

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。

Dave_Warren_with_BlackBox_Prototype
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。

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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:

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  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]
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陸子鈞
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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。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
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・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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傳說中的黑盒子:我們與飛航安全的距離
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・2023/04/18 ・3271字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文由 我的青航時代-2023航發會×暑期航空營 委託,泛科學企劃執行。

「緊急緊急,這裡是全美航空 1549 航班,遭到鳥擊,雙引擎失去推力,正要返回拉瓜地亞機場(LaGuardia Airport)……」這是美國空難電影〈薩利機長:哈德遜奇蹟〉中,機師緊急向塔台呼救的台詞。

〈薩利機長:哈德遜奇蹟〉中飛機迫降畫面。圖/IMDb

〈薩利機長:哈德遜奇蹟〉改編自 2009 年 真實發生的「全美航空 1549 號班機事故」。事件當下 1549 號班機遭受鳥擊,在來不及抵達最近機場的情況下,最後緊急迫降在哈德遜河面,幸好全機無人傷亡。直至今日,你都能在網路上找到當時飛機迫降前與塔臺最後的對話。

等等……這些對話是怎麼被保留下來的呢?

這個秘密就藏在飛機尾段的「黑盒子」裡。

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為什麼要有黑盒子?黑盒子的研發歷史

你常聽到在空難事件後,眾人的焦點都在搜尋「黑盒子」。「空難」成為一般人對「黑盒子」的第一印象,它的出現可以說是 20 世紀改善飛行安全的重要發明。

最初為了要記錄飛機的飛行變化,例如1939 年的法國馬里尼亞納試飛中心,以及1942 年的芬蘭航空的工程師 Veijo Hietala ,他們都曾運用照相機原理,以滾動式照相機的感光底片,記錄飛機的高度與速度的變化。

但他們都無法解決如何在當飛機失事後,保存資料的問題。這個大問題,挑戰著全歐洲工程師們的腦神經。

直到 1953 年,由澳洲科學家大衛·沃倫(David Warren, 1925-2010),做出劃時代的突破!

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黑盒子的發明者,大衛·沃倫。圖/wikimedia

原本在航空研究實驗室(ARL)擔任火箭研究員的他,受到上級指派,負責了解為何英國哈維蘭航空公司所推出哈維蘭彗星型噴氣式客機(British de Havilland Comet jet)會接連失事。這場調查對大衛也別具意義,因為他的父親也是在 19 年前的空難中離世。

但如何破解,卻是一個大問題。正當大衛傷透腦筋時,沒想到小組同事隨口說最新墜機事件的原因可能是因為劫機,他靈機一動想到「要是能將飛機上的對話錄下來就好了」。因此他藉著父親留給他的收音機組裝件,利用類似於錄影帶的運作原理,發明了黑盒子的雛形「ARL Flight Memory Unit」,可以記錄約 4 小時的聲音,以及 8 項飛航資料。

然而,這項發明在澳洲一開始並沒有受到重視,甚至引來飛行員的抗議,認為這有監聽機上人員的疑慮,但也有人從中看出了這項發明的重要性。1958 年,英國航空管理局的秘書長直接到實驗室找大衛,並邀請他帶著發明一起來英國發展,之後也正式應用在英國的民航機上。

為了能在飛機失事後迅速被找到,生產公司其實將裝置盒子塗成亮橘色。但在一場 BBC 與大衛的訪談時,記者誤用電子裝備的統稱「黑盒子」介紹這具裝置。

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「黑盒子」也就成為最廣為人知的暱稱。

黑盒子在記錄什麼?

黑盒子的真式名稱為「飛行紀錄器」,全名就寫在它亮橘色的外殼上,「FLIGHT RECORDER DO NOT OPEN」(飛行紀錄器,不要打開)。只有當飛機失事時,調查人員會將它打開。

黑盒子外盒上用法語寫「飛行紀錄器,不要打開」。圖/wikimedia

它的內部主要分為兩個部分:飛行資料紀錄器(FDR)以及座艙通話紀錄器(CVR)。飛行數據紀錄器記錄飛行數據,例如飛行高度、速度和位置等。座艙通話紀錄器則會記錄駕駛員和機組人員的對話,以及飛機內部的所有聲音。各國規定,飛行期間不能關閉飛航資料紀錄器。唯有在航空器失事、重大意外發生後,必須立即關閉飛航紀錄器。而在取出紀錄前,不得再開啟黑盒子,以免對話遭到洗掉。

當飛機發生事故後,調查與維修人員等相關人員能透過黑盒子的數據,幫助找出事故原因,針對問題持續加強飛機設計或人員訓練等,降低飛機飛行的各項風險。黑盒子本身也歷經四代的改良後,更利於它在各種極端的情況下還能夠運作。現在它不僅更耐高溫與抗壓,還可以承受 3400 公斤的重力加速度,相當於一臺小型貨車的重量。除此之外,它更發展出水下定位的發報器與影像紀錄器,可以記錄艙內的影像。

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確保它的運作:黑盒子的檢測與維護

黑盒子既然與飛行安全緊密相關,那麼又是多久需檢測與維護呢?

根據我國「航空器飛航作業管理規則」中,提到黑盒子每五年需至少重新校準一次。另外,當高度及空速之參數是飛航資料紀錄系統所專屬的感應器所提供時,應依據其製造廠家的建議重新校準,或每二年執行一次校準。

座艙通話紀錄器則與飛航資料紀錄器其他裝置,如有裝設內建測試功能時,應列為每天第一次飛行前的檢查項目。

黑盒子的法規與國際標準

1947 年,聯合國「國際民航組織」(ICAO)成立,為了管理與發展世界民用航空業務,每三年集會一次並召開理事會,制定相關規定。除此之外,它也會針對全球層級之航空事故,以中立身分進行跨國調查。

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國際民航組織(ICAO)標誌。圖/wikimedia

在國際法規上,由 52 個國家立定的《國際民用航空公約》針對任何有關空領域、航空器安全等制定,是具有法律效益的國際公約。其中也包含 18 條附約,規範航空器相關的規定、規格、操作,以及搜索服務等。其中,與黑盒子有關的法規則集中在第 6 號附約「航空器之操作」,以及第 13 號附約「航空器失事及意外調查」。臺灣所制定黑盒子的法規,以及標準都是從此而來。

臺灣在 1987 年跟進附約要求,規定當民航機「最大起飛重量(航空器起飛時所容許的最大重量)」超過 5,700 公斤時,就要安裝黑盒子。

在臺灣的「航空器飛航作業管理規則」中,規定每年都須進行年度檢查,確保紀錄器在記錄期間內能正常運作。

針對黑盒子的兩部分——飛航資料紀錄器及座艙通話紀錄器,則有各自不同的檢查方式。

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飛航資料紀錄的年度檢查中,只要出現有一重要區間的資料品質不佳,信號不可理解,或其中一項或多項主要之參數未被正確記錄。這些都會將飛航紀錄系統視為不可用。另外在民航局要求下,年度檢查報告應隨時能夠提供飛航資料紀錄作為監視之用。

座艙通話紀錄器的年度檢查,會以重新播放所記錄信號之方式實施。當裝置於飛機上時,座艙通話紀錄器應記錄來自每一個信號源及相關外部信號源之測試信號,以確認所有必要之信號達到可辨識的標準。

結語

2014 年 3 月 8 日凌晨,一架從馬來西亞的吉隆坡前往北京的馬航 MH370 航班,起飛後失去聯繫後,至今仍下落不明。

這起事故引發大眾對黑盒子的討論,也因此有廠商針對飛機下落不明的情況,提出增加即時資料傳輸的設計。但這項提議仍存在著侵犯機組人員隱私,以及不信任飛行的爭議。

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在黑盒子問世之後,人們藉由黑盒子的紀錄,得以逐漸增強飛航的安全性,使失事率急速下降。時至今日,加強黑盒子可用性的同時,也必須維持機組人員的隱私,如何取得兩者間的平衡或許是黑盒子的下一個發展重點。

參考資料

  1. 行政院安全飛行委員會,飛航紀錄器法規與調查實務與調查實務
  2. 科技大觀園,「黑盒子」其實不是黑色——揭開飛行紀錄器的秘密
  3. BBC NEWS,「黑匣子」:誰發明了飛行記錄儀?
  4. BBC NEWS,馬航 MH370:為什麼黑盒子不一定給出答案?
  5. 官文霖(Wen-Lin Guan)、 陳沛仲(Pei-Chung Chen),國籍民用及公務航空器之飛航紀錄器普查與建議,《航空安全及管理季刊》,4 卷 2 期,頁133-144。
  6. 歐文翻譯,瞭解國際民航組織,《飛行安全春季刊》,2013,頁 60-66。
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穿梭機場中的飛安守門人——航務員
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・2021/04/30 ・1894字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 460 ・五年級

本文由 我的青航時代-2021航發會×暑期航空營 委託,泛科學企劃執行。

  • 文 / 林曉君

搭乘飛機時,除了大家熟知的地勤、海關與機組人員外,還有哪些人在為這趟飛行服務?能有一趟安全的飛行旅程,絕對不能不認識穿梭於跑道上的飛安守門人——航務員。

檢查的工作,從凌晨五點的開始

航務員從凌晨 5 點巡視滑行道開始一天的工作,他們必須確保地面與設施能維持正常運行。如果有鳥類進入滑行道,航務員也必須想辦法驅離,因為鳥類不會主動閃避飛機,若繼續待在滑行道上,可能導致鳥類被捲入飛機渦輪,造成飛機受損,更嚴重的是影響飛行安全。當然,巡視跑道也不是人人都可以執行的任務,要在機場的管制區內開車,需先取得空側駕照,不同機場也都有屬於該機場的通行與車輛管制作業程序須要遵守。

航務員一早以巡視滑行道開始,負責確保地面與設施能維持正常運行。圖/Pexels

航務員需確認跑道狀況,向塔台回報第一手資料,這也讓航務員有了「塔台的眼睛與耳朵」的稱號。

確認滑行道安全後,接著就要進行地勤車輛抽檢。除了例行性的酒測之外,更需要檢查是否有攜帶機場場面圖、滅火器與空側駕照。更特別的是,空側駕照還不只一種,水車、空廚、腹艙車等不同車種,都需要考取不同的空側駕照,航務員這時候就扮演督察員的角色,需一一檢查駕駛員是否取得應有的駕駛執照。

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除了機場場面上的工作人員,正副機長在出勤前的酒測也是由航務員執行。

都登上飛機了,為什麼還不出發?

上面提到的航務員工作,多半是起飛前的前置作業,如果航務員在事前都做好所有檢查與準備了,那為什麼還會有飛機延誤的情況呢?

其實,飛機延誤的原因有很多,包含出發地與目的地的天氣狀況,配合飛航管制而停留,或是飛機臨時被檢查出設備有問題,都會導致飛機延誤。

有搭乘飛機經驗的人也許經歷過,即使登機了仍需要等候一段時間才能起飛的狀況。圖/Pexels

對航務員而言,也許無法掌握天氣與旅客狀態,但可以監督每架飛機從降落到起飛離開的 SOP,遇到問題快速排除,才能避免人為的飛安危機。

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此外,當飛機延誤時,很有可能佔用下一班飛機原定使用的登機門,這時航務員必須跟塔台協調,引導飛機到其他登機門停留。

第一線維護機場安全

電影中常常會演出機場事故的橋段,在現實生活中,航務組的成員會負責擔任事故現場的總指揮,聯繫塔臺與其他單位。航務組也會負責救災資源調度,確保能在最快的時間內讓旅客安全撤離,降低傷害。

航務員是站在第一線維護機場安全的角色,機場內消防大隊、機場災害或飛航安全事故搶救等攸關安全的第一線任務,都由航務員負責管理或處理,因此,身為航務員必須有敏銳辨識危險的特質。

想成為一名合格的航務員,不只需要擁有臨機應變的能力,良好的英語溝通能力更是不可或缺的重要條件。

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機場攸關安全的第一線任務,都由航務員負責管理或處理。圖/Pexels

也許在搭乘飛機時,乘客不會注意到航務員忙碌工作的身影,不過也仰賴他們每天從凌晨五點開始的細心檢查、用心監督,才讓我們搭乘飛機時能平安順利的離開地面,翱翔於天空之中。

你是 18 歲以上、有著航空夢的在校生?我的青航時代-2021航發會X暑期航空營熱烈報名中!傳送門這邊走  

參考資料

  1. 《一日系列第八十三集》終於來到機場!!阿公究竟能不能勝任松機的工作呢?-一日松機航務員
  2. 航管員、航務員、簽派員怎麼分? 他們分別做些什麼工作?
  3. 航空交通管制
  4. 跑道
  5. 背景目的 – 交通部民用航空局 
  • 本文感謝 松山機場航務組 提供相關資料與諮詢

本文由 我的青航時代-2021航發會×暑期航空營 委託,泛科學企劃執行。