黑匣子
背景
黑匣子是一个通用术语，用于描述现代商用飞机携带的计算机化飞行数据记录器。飞行数据记录器 (FDR) 是一种微型计算机系统，可跟踪有关飞机飞行的各种数据，例如空速、位置和高度。该设备通常与称为驾驶舱语音记录器 (CVR) 的第二个黑匣子结合使用，该黑匣子记录驾驶舱内的无线电传输和声音，例如飞行员的声音和发动机噪音。如果发生事故，存储在这些黑匣子中的信息可用于帮助确定事故原因。
黑匣子从最早的航空时代就被使用了。莱特兄弟在他们最初的一次飞行中携带了第一台飞行记录器。这个粗糙的设备记录了有限的飞行数据，例如持续时间、速度和发动机转数。另一位早期的航空先驱 Charles Lindbergh 使用了一种更复杂的版本，包括一个气压计，它在纸上标记墨水，缠绕在一个旋转的鼓上。整个设备装在一个索引卡夹大小的小木箱中。不幸的是，这些早期的原型机构造不坚固，无法幸免于难。
1940 年代，随着商业航空的突飞猛进，一系列的坠机事件促使民航局更加重视飞行数据的重要性。他们与许多公司合作开发了一种更可靠的数据收集方式。面对挑战，通用电气开发了一种称为“selsyns”的系统，该系统由一系列直接连接到飞机仪表的微型电极组成。这些传感器将信息连接到飞机后部的记录器。 （记录仪通常存储在飞机的尾部，因为它是飞机最容易发生碰撞的区域。）GE 工程师在 selsyns 的设计中克服了许多技术挑战。例如，他们巧妙地认识到，低压和低温的高海拔条件会导致通常用于记录设备的墨水冻结或堵塞笔。他们的解决方案是一种记录系统，它依靠手写笔将图像切割成涂有白漆的黑纸。然而，尽管他们付出了努力，但该装置从未在实际飞行中使用过。大约在同一时间，另一家工程公司 Frederick Flander 开发了早期的磁带录音机；然而，这个装置也从未被使用过。
直到 1951 年，James J. Ryan 教授加入 General Mills 的机械部门，黑匣子技术才进一步发展。 Ryan 是仪器仪表、振动分析和机器设计方面的专家。针对 FDR 的问题，Ryan 想出了他自己的 VGA 飞行记录器。 “V”代表速度（空速）； “G”表示 G 力（垂直加速度）； “A”代表海拔。 Ryan Recorder 是一个 10 磅（4.5 公斤）的设备，大约有两个独立隔间的面包盒大小。一个部分包含测量设备（高度计、加速度计和空速表），另一部分包含连接到三个仪器的记录设备。
Ryan 的基本分隔设计今天仍在飞行记录器中使用，尽管它经历了许多改进。手写笔和漆膜记录设备被四分之一英寸（6.4 毫米）的磁带所取代，而磁带又被数字存储芯片所取代。记录器可以跟踪的变量数量也显着增加，从三四个参数增加到大约 300 个。 FDR 现在可以跟踪诸如速度、高度、襟翼位置、自动驾驶模式、甚至机载烟雾状态等飞行特性警报。在 1960 年代初期，航空业通过驾驶舱录音机 (CVR) 添加了录音功能。但也许飞行记录器制造中最重要的进步是其结构的改进，使单元能够更好地承受坠毁的破坏力。早期的模型只能承受大约 100 Gs（重力的 100 倍），这大致相当于从离地面约 10 英尺（3 m）处跌落到混凝土表面上的力。为了更好地模拟实际碰撞条件，1965 年要求增加到 1,000 Gs 持续 5 毫秒，后来增加到 3,400 Gs 持续 6.5 毫秒。
今天，美国联邦航空局要求大型商用飞机和一些较小的商用、公司和私人飞机配备驾驶舱语音记录器和飞行数据记录器。如果发生撞车事故，黑匣子可以回收并在密封状态下发送给美国国家运输安全委员会 (NSTB) 进行分析。
组件
飞行数据记录器和语音数据记录器（或驾驶舱语音记录器）由相似的组件构建而成。两者都包括电源、存储单元、电子控制板、输入设备和信号信标。
电源
FDR 和 CVR 都使用双电压电源（115 VAC 或 28 DC），这使这些装置可以灵活地用于各种飞机。电池设计为连续运行 30 天，保质期为 6 年。
崩溃生存内存单元 (CSMU)
CSMU 旨在保留 25 小时的数字航班信息。存储的信息质量非常高，因为该单元的最先进的电子设备允许它以未压缩的形式保存数据。
集成控制器和电路板 (ICB)
该板包含用作输入数据的交换机的电子电路。
飞机接口
该端口用作输入设备的连接，黑匣子从中获取有关飞机的所有信息。 FDR 接口接收和处理来自飞机上各种仪器的信号，例如空速指示器、机载警告警报、高度计等。 CVR 使用的接口接收和处理来自驾驶舱区域麦克风的信号，它通常安装在两个飞行员之间的头顶仪表板上的某个地方。麦克风旨在拾取可能有助于调查人员确定坠机原因的声音，例如发动机噪音、失速警告、起落架伸展和收回以及其他咔嗒声和爆裂声。这些声音可以帮助确定某些与崩溃相关的事件发生的时间。麦克风还中继与空中交通管制、自动无线电天气简报以及飞行员与地面或机组人员之间的对话。
水下定位信标 (ULB)
每个记录仪都可能配备一个水下定位信标 (ULB)，以在发生水上事故时帮助确定其位置。该设备，非正式地称为“pinger”，当记录器浸入水中时会被激活。它以 37.5 KHz 的频率传输声音信号，可以用特殊的接收器检测到。这 
飞行数据记录器 (FDR) 是一种微型计算机系统，可跟踪有关飞行的各种数据包括空速、位置和高度。该系统安装在一个重型金属容器中，该容器可以承受碰撞压力。信标可以从深处传输到 14,000 英尺（4,200 米）。
制造
过程
制造成功的黑匣子的关键是使其尽可能坚不可摧。这是通过将组件包裹在多层保护壳内来实现的。不同的录音机制造商都有自己的专有设计，但总的来说，制造过程可以描述如下：
- 关键组件（电源、接口/控制器板和存储器电路）被构建为单独的单元，然后组装成完整的黑匣子。这种模块化方法允许在不拆卸整个设备的情况下轻松更换组件。这些组件中的每一个都有自己的特殊组装要求，但主要注意保护存储单元，因为它包含调查人员感兴趣的数据。
- 使用多层配置来确保内存单元的集成电路得到充分保护。最外层是外壳，由钢装甲板组成。
- 下面是一层绝缘层，然后是厚厚的石蜡板，形成了一个隔热块。当石蜡熔化时，它会吸收热量，从而使内存核心的温度保持在较低水平。
- 在石蜡下面是装有存储芯片的电路板。
- 在内存板下面是另一个石蜡隔热块，然后是另一层绝缘材料。整个组件安装在用作检修盖的钢板上。
- 组装好的防碰撞记忆单元然后用四个大固定螺栓用螺栓固定在重型金属板安装架的前面。电源连接在 CSMU 后面。
- 接口和控制电路板 (ICB) 通过螺钉连接到安装架的底部。金属检修盖可保护电路板并方便检修。
- 水下定位信标 (ULB) 固定在从内存单元前部伸出的两个臂上。 ULB 从外壳突出，呈圆柱形，可用作整个设备的手柄。如果要在没有 ULB 的情况下出售录音机，则在其位置安装一个空心金属手柄管。
- 外壳被涂成亮橙色或红色，以使其在碰撞中更加明显。
质量控制
制造完成后，这些单元会暴露在一系列艰苦且有些奇怪的折磨测试条件下。黑匣子是从大炮中射出的，被细钢棒刺伤，附着在 500 磅（227 公斤）的重物上，从离地 10 英尺（3 米）的地方掉下来，在 5,000 磅（2,270 公斤）的压力下用虎钳压碎，煮熟用喷灯在 2,012°F (1,100°C) 下吹一小时，然后浸入相当于 20,000 英尺（6,000 米）的海水中一个月。在这样的测试之后，板载微处理器允许运行各种诊断以确保设备正常运行。高速接口允许在五分钟内检查整个内存单元。可以在工厂进行此评估以检查设备是否正常工作，然后在安装后再次进行以确保它仍然正常运行。按照规定，新制造飞机的飞行记录仪必须准确监测至少 28 个关键因素，如时间、高度、空速、航向和飞机姿态。这些设备的平均故障间隔时间应大于 15,000 小时，并且它们设计为免维护。如果该装置通过了上述所有测试，则它符合 FAA（联邦航空管理局）制定的要求。
未来
对于黑匣子制造商来说，未来已经展开。飞行记录器的主要供应商史密斯工业公司最近宣布，它正在开发一种单一设备，将取代单独的 FDR 和 CVR 单元。他们的设备被称为集成数据采集记录器 (IDAR)，它将飞行和语音数据整合在一个盒子配置中，以及用于维护数据检索的数据传输系统。 IDAR 的引入使关键系统重量减少了 25%。有趣的是，产品开发的这一新方向与新立法同时提出，该立法强制要求记录与空中交通管制信息相关的数据。这项新法律将要求黑匣子包含更多信息。飞行记录设备的制造商很可能会迎接挑战，开发出可以在不断缩小的包装中存储越来越多信息的黑匣子。
制造工艺