黑匣子芯片是怎么在空難中“活下來”的

2023年1月15日，一架ATR-72小型飛機(jī)在尼泊爾博克拉地區(qū)墜毀。據(jù)最新報道，機(jī)上載有的68名乘客與4名機(jī)組人員全部遇難。

空難令人哀傷，不過16日官方消息稱，失事飛機(jī)的黑匣子已經(jīng)找到，專家也可以通過解析黑匣子中記錄的飛機(jī)失事前的飛行狀態(tài)與飛行員的操作方式，解開飛機(jī)墜毀的真正原因。解釋空難原因，黑匣子就是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。自1956年黑匣子實(shí)裝后，全世界的所有空難，現(xiàn)場搜救人員第一時間要做的，除了救人，就是尋找那個顏色并不“黑”的黑匣子。

黑匣子怎么記錄這些重要信息？在飛機(jī)從萬米高空墜落后，它怎么保證芯片可讀、數(shù)據(jù)完整？本文中與非網(wǎng)將帶你了解黑匣子數(shù)據(jù)的秘密。

黑匣子是調(diào)查空難原因的關(guān)鍵

黑匣子，全稱飛行記錄器（Flight Recorder），是一個通體噴滿亮眼橘色的數(shù)據(jù)記錄裝置。黑匣子一詞來源于航空工程師Fran?ois Hussenot發(fā)明的飛行記錄儀前身，它的原理類似于照相機(jī)，利用拍照來記錄飛行情況，因此就需要一個“黑匣子”來處理膠卷的曝光。黑匣子這一詞匯也在真正的飛行記錄儀發(fā)明后沿用至今。

國際民航組織（ICAO）要求現(xiàn)代客機(jī)上安裝兩個黑匣子，分別是飛行資料記錄器（Flight Data Recorder，FDR）與駕駛艙通話記錄器（又稱座艙通話記錄器，Cockpit Voice Recorder，CVR）。FDR可以記錄飛機(jī)在飛行時的工作狀態(tài)、引擎參數(shù)以及飛行參數(shù)等，包括速度、高度、航向、發(fā)動機(jī)推力等許多詳細(xì)數(shù)據(jù)。空難后，專家通過這些數(shù)據(jù)解析飛機(jī)在失事前飛機(jī)是以一種什么樣的飛行姿態(tài)工作的，數(shù)據(jù)可以被記錄24個小時以上。CVR可以記錄飛行員與地面的空管人員之間的對話，此外客艙內(nèi)機(jī)組人員的廣播語音以及倉內(nèi)乘客的聲音也會被記錄下來。它可以幫助專家復(fù)原飛機(jī)失事前倉內(nèi)發(fā)生的具體情況，所有聲音可以被記錄兩個小時。一些較新的飛行記錄設(shè)備將FDR和CVR的功能組合成一個單元，這些裝置被稱為駕駛艙語音與數(shù)據(jù)記錄儀（CVDR）或組合記錄儀。

除了數(shù)據(jù)記錄裝置外，找到客機(jī)失事的位置是一切的前提。ICAO除了要求客機(jī)需要安裝兩臺黑匣子記錄飛行數(shù)據(jù)外，還規(guī)定載客量超過19人的商用飛機(jī)還需裝備至少一部緊急定位發(fā)射儀（ELT）。ELT也稱應(yīng)急電臺，當(dāng)飛機(jī)受到巨大外力撞擊或觸水時，這個一般位于機(jī)身后方的裝置會自動開啟并發(fā)射信號，持續(xù)時間一般不少于24小時，國際衛(wèi)星搜救組織的衛(wèi)星系統(tǒng)可以接收信號。ELT的工作頻率為121.5MHz、243MHz和406-406.1MHz，分別向航空移動業(yè)務(wù)電臺、營救電臺與有人飛行器以及衛(wèi)星發(fā)射信號。

除了飛機(jī)自帶定位裝置外，黑匣子也有自己的定位裝置。

從上圖黑匣子外觀圖中，我們可以看到機(jī)構(gòu)右側(cè)有銀白色金屬包裹的圓柱體，這其實(shí)就是黑匣子的定位裝置，也稱水下定位信標(biāo)（ULB）。當(dāng)飛機(jī)在水上失事后，黑匣子就會落入水中，信標(biāo)就會因?yàn)楸凰付鴮?dǎo)通電路，持續(xù)發(fā)出37.5KHz的超聲脈沖鳴叫，雖然人很難聽到，但它很容易被聲吶或其他聲學(xué)定位設(shè)備檢測到。官方資料解釋，這種聲音可以從4267米深處的水中傳到水面。此前它可以每秒發(fā)出一次信號并持續(xù)30天，后來經(jīng)過馬航MH370事件后，這個標(biāo)準(zhǔn)被提升到了90天。

不同功能的黑匣子相互配合就能幫助空難專家精準(zhǔn)還原事故前倉內(nèi)的各種細(xì)節(jié)，找出失事的真正原因，推動飛機(jī)設(shè)計(jì)改善，避免下次危機(jī)發(fā)生。但這一切都有一個前提，那就是黑匣子中記錄的數(shù)據(jù)必須清晰完整。

黑匣子如何工作

自1953年發(fā)明以來，黑匣子已經(jīng)更新迭代了多次。最初的黑匣子是由澳大利亞的研究員David Warren發(fā)明的“飛行記憶單元”，用來檢測世界上第一架噴氣式客機(jī)的頻繁墜毀情況。那時的黑匣子還在采用金屬絲與紙帶記錄飛行數(shù)據(jù)，后逐漸轉(zhuǎn)為磁帶記錄。由于磁帶的介質(zhì)的耐熱性不高，在上世紀(jì)90年代Flash閃存技術(shù)成熟后，黑匣子逐漸換裝閃存芯片。簡單的說，過去空難就是尋找“磁帶”，現(xiàn)在則變成了尋找“U盤”，不過他們的共性就是——非常結(jié)實(shí)。

我們從這張黑匣子的透視圖中可以分析一下整體結(jié)構(gòu)。

黑匣子的結(jié)構(gòu)基本可以分為兩類——數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)存儲。而空難后調(diào)查真相的關(guān)鍵就在于數(shù)據(jù)存儲模塊，據(jù)接觸過黑匣子的相關(guān)人士透露，整個裝置的重量大部分都來源于那個圓柱體，也就是數(shù)據(jù)存儲模塊。

或許你經(jīng)歷過曾經(jīng)Sony隨身聽時代的輝煌，由于它需要在磁帶上進(jìn)行讀取操作，整體結(jié)構(gòu)被做成了長方體。事實(shí)上在應(yīng)用閃存顆粒之前，黑匣子也一樣是長方體。不過這種結(jié)構(gòu)在受到外力沖擊時強(qiáng)度不佳，在技術(shù)換代后存儲模塊就變成了承壓能力更強(qiáng)的圓柱體。

現(xiàn)在客機(jī)在啟動后，黑匣子就開始自動記錄各類參數(shù)。無論是舊版還是現(xiàn)代的客機(jī)操作系統(tǒng)，飛行傳感器收集到的所有參數(shù)都會首先發(fā)送到飛機(jī)前端的飛行數(shù)據(jù)采集單元（FDAU），它是客機(jī)系統(tǒng)的“總指揮”與“管理者”，同時負(fù)責(zé)將參數(shù)發(fā)送到黑匣子內(nèi)。

目前互聯(lián)網(wǎng)上有不少相關(guān)人士分享了黑匣子內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，記者從國內(nèi)論壇中找到了某款CVR的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖。

首先看下上圖電路板，可以發(fā)現(xiàn)兩塊明顯的DSP芯片，且有串口負(fù)責(zé)接收外部數(shù)據(jù)。DSP（Digital Signal Processing）數(shù)字信號處理芯片，它的其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化。猜測這塊主板負(fù)責(zé)將機(jī)艙內(nèi)的聲音數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再將數(shù)據(jù)輸出給存儲單元。

下圖有一個QuckLogic快輯半導(dǎo)體的芯片，這是一家美國上市半導(dǎo)體企業(yè)，主業(yè)為電源管理芯片的制造。仔細(xì)觀察這塊板子還連接了供電電池，所以它大概率為黑匣子的充電管理模塊。

我們從各類飛機(jī)失事后尋找到黑匣子的現(xiàn)場新聞圖片中，往往只能看到一個圓柱體，那其實(shí)就是存儲信息的關(guān)鍵——事故數(shù)據(jù)存儲單元（Crash-Survivable Memory Unit，CSMU）。

圖片中的圓形PCB搭載了兩顆英特爾的存儲顆粒，這也是在各大新聞中經(jīng)常提到的黑匣子芯片。黑匣子的整體結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)也基本圍繞著這個存儲模塊來設(shè)計(jì)。多個存儲板在模塊中垂直堆疊，并用螺絲固定在一起。CSMU模塊被防火棉與不銹鋼外殼緊密包裹，通過排線與外部相連交換數(shù)據(jù)。

黑匣子如何保護(hù)數(shù)據(jù)

當(dāng)我們了解了黑匣子的工作方式之后，就可以來回答標(biāo)題的問題了，黑匣子是怎么保護(hù)存儲芯片在事故后還完好如初的？

前文提到，CSMU模塊是圓柱體結(jié)構(gòu)，通常用螺栓固定在記錄儀上。結(jié)構(gòu)整體經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，有多層保護(hù)材料共同保護(hù)芯片的安全。離閃存芯片和PCB最近的是鋁制外殼，它除了能防輻射外，還能在墜落時提供一定的吸能保護(hù)作用；中間是近3厘米的絕緣隔熱材料（特種隔熱棉），可提供高溫保護(hù)；最外側(cè)則是不銹鋼或鈦鋼外殼，保護(hù)結(jié)構(gòu)承受外部沖擊。

為了確保黑匣子的生存能力，工程師會對CSMU模塊進(jìn)行全面測試。在測試前，工程師會將測試數(shù)據(jù)寫入儲存顆粒中，測試結(jié)束后會對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。黑匣子要經(jīng)過的測試考驗(yàn)包括：

碰撞測試：測試人員將CSMU模塊通過空氣炮發(fā)射出去與其他目標(biāo)碰撞，過程中將產(chǎn)生3,400G的沖擊力（1G是正常的地球引力）。

墜落測試：測試人員將一個227Kg帶鋼銷的重物拉起到3米高的地方扔下，鋼銷會撞擊CSMU模塊的中間薄弱部位來測試它的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

靜態(tài)擠壓測試：CSMU模塊會在5分鐘內(nèi)承受6個主軸上每個方向34MPa的擠壓力。（1MPa相當(dāng)于用一只手托起質(zhì)量1000千克的物體）

高溫測試：測試人員將該CSMU放入丙烷源火焰中，使用三個燃燒器烤制，裝置中溫度將達(dá)到1100攝氏度，合格標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)據(jù)能承受高溫1小時不損壞。（火山噴發(fā)的巖漿溫度約為900-1400℃）

浸沒測試：該測試分三類，鹽水加壓罐中測試24小時；在鹽水槽中存放 30 天；各類航空流體、燃料、潤滑劑與滅火溶劑沖刷測試。

在如此高強(qiáng)的測試中，除CSMU模塊外的其他模塊，包括接口與排線在內(nèi)的結(jié)構(gòu)基本都會損毀。不過也因?yàn)槿绱藝?yán)苛的測試，黑匣子芯片才會在各種嚴(yán)酷的飛行事故中存活。

此外，據(jù)飛行專家分析，能被裝載在CSMU模塊中的閃存顆?；緸镾LC顆粒，這也能盡力保證數(shù)據(jù)的存儲安全，也有利于事故專家對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

寫在最后

有一句話我認(rèn)為可以總結(jié)黑匣子的功勞：對飛行事故的分析，并不在于責(zé)任的分?jǐn)偅且治鍪鹿拾l(fā)生的原因，保證以后所有飛行都會更加安全。有了黑匣子的幫助，航空業(yè)才能更好的從每一次事故中吸取教訓(xùn)，讓悲劇不再重演。

參考資料：

How Black Boxes Work
https://science.howstuffworks.com/transport/flight/modern/black-box-data-stored-in-cloud.htm

維基百科：Flight recorder
https://en.wikipedia.org/wiki/Flight_recorder

央廣網(wǎng)：已找到黑匣子！尼泊爾墜機(jī)事故最新進(jìn)展→
https://mp.weixin.qq.com/s?search_click_id=935423496966677676-1674034816120-7579619640&__biz=Mzg4NjcwMzI1Mg==&mid=2247684114&idx=2&sn=257affb52cd2527f4d10565916b99a8f&chksm=cf99c5e9f8ee4cff93d10e734bf58227dd60872bb365c3f3257ffc7c4ac597134d59e6e144de&scene=7#rd

拆解飛機(jī)黑匣子，看看內(nèi)部構(gòu)造、PCB及芯片
https://blog.csdn.net/best_xiaolong/article/details/123725283