黑匣子的发明:从间谍工具到事故调查利器

译者注:翻译此文时正是东方航空5735事故发生的第七天,也是132位遇难者的“头七”。沉痛悼念MU5735空难的所有遇难者!截至此文发表,目前搜救队已经找到了飞机的两部黑匣子:语音记录器和飞行数据记录器。还没有得到任何从黑匣子中解读到的数据。

因为东航的这次空难,网络上出现了很多有关“黑匣子”的科普文章,这些文章大多关注“黑匣子”的功能,却较少提到“黑匣子”的发明。我无意中看到了一篇讲述发明“黑匣子”的故事,让我颇有感触。原文发表在2021年6月18日的“IEEE光谱”专栏上,原文作者 Allison Marsh。此文在翻译中加入了必要的注释,并补充了一些图片便于理解。原文链接:https://spectrum.ieee.org/tech-history/space-age/the-inventor-of-the-black-box-was-told-to-drop-the-idea-and-get-on-with-blowing-up-fuel-tanks

1954年的四月,大卫・沃伦(David Warren)提交了四页的笔记“142号机械工程技术备忘录:协助调查航空器事故的工具”。在这份笔记中沃伦详细论述了航空事故调查遇到的困境,特别提到了当时刚刚发生的两起德・哈维兰“彗星”客机坠机事故,“彗星”客机是世界上第一架商用喷气客机,两起事故中都没有幸存者。

德・哈维兰“彗星”客机。世界上第一架商用喷气客机。刚推出几年就造成两起空中解体事故,最终认定是因为方形客舱窗户在加压舱反复加压释时应力失效(维基百科)。

沃伦希望通过解密事故前最后几分钟的关键数据,让法医学专家可以确定事故原因。他提出了一种可以将驾驶舱对话记录在磁化钢丝上的设备。为了能让该设备可以在事故后回收,他建议将这台设备放在飞机上最不容易受到严重损坏的部位,比如机尾。可令沃伦感到非常吃惊的是,他的老板非常不喜欢这个主意。如果这件事就这样结束了,可能也就不会出现现在无所不在的飞行数据记录器,也就是所谓“黑匣子”了。

间谍工具提供的灵感

大卫・沃伦于1925年生于澳大利亚北部的Groote Eylandt,是一位传教士的孩子。在他九岁的时候,他父亲在乘坐一架德・哈维兰 DH.86 飞机前往悉尼新教区的路上发生坠机事故而罹难。沃伦在晚年的采访中强调,父亲死于坠机事故并没有导致他发明飞行数据记录器,反而是父亲之前的一个礼物——一台矿石收音机,这点燃了他对科学与技术的兴趣。

德・哈维兰 DH.83 型飞机。图中正是当年澳航运营中使用的(维基百科)
青年时期的沃伦(BBC新闻图片)

就在沃伦学习他的业余无线电执照的时候,战争爆发了,因为战争禁止了所有业务无线电,他被迫将兴趣转向了化学。他在悉尼大学获得了化学本科和博士学位,在伦敦帝国研究所期间主攻燃油和能量学。后来沃伦还在Woomera火箭部队做了三年科学官员,这个部队是澳大利亚南部研究航天技术的民用和军用机构。最终他加入了航空研究实验室ARL,Aeronautical Research Laboratories),这是澳洲国防部下属的实验室,他把自己的余生都贡献在了这里。

沃伦最开始的专业是研究燃料箱设计,1953年ARL指派他调查那两起德・哈维兰“彗星”客机事故。沃伦发现他满脑子想的都是他在战后悉尼举办的首次交易会上看到的设备——Minifon,一台德国市场上的口袋型记录器。这款口袋型电池供电的机器最初是设计给商务人士(用来听写)和间谍(用于窃听)的,而沃伦则想到这货也许可以装在飞机上。

(译者注:一个讲述Minifon的视频:https://www.bilibili.com/video/BV1m4411F7P2/)

沃伦接收BBC采访时手持Minifon(BBC新闻图片)

然而事情并没有那么顺利。沃伦把最初想法写在了142号机械工程备忘录里,在这份备忘录中,他详细描述了如何用磁性钢丝记录几分钟的驾驶舱对话,而他的主管看到这份备忘录则完全没有兴趣。主管将这个创意给了仪表研发组。2019年BBC新闻专题里提到当时主管跟沃伦说“你还是去研究是什么导致油箱爆炸的吧”。

沃伦并没有就此放弃。1955年新主管走马上任,他名叫汤姆・基布尔(Tom Keeble),沃伦再次将他的创意给了这位新主管。基布尔很支持并想要了解更多信息。之后沃伦提交了更全面的报告“180号机械工程技术备忘录:坠机记录器的研发测试”。这份报告中,他描述了与民航部门合作,在几次测试飞行中,将麦克风固定在驾驶舱中,记录机组人员的通话。他认为早期军用飞机和商业航空器的背景噪音太吵,虽然限制了这种方法的应用,但在现代加压座舱中,54型Minifon记录下来的对话有超过八成的可解读性。

基布尔很喜欢这份报告,并让沃伦构思原型机的大致技术参数。ARL与Theon“Tych” Mirfield公司合作,这家公司在墨尔本主要做仪器仪表,由他们来生产第一台原型机。

ARL 飞行记录单元核心部件原型机(维多利亚博物馆 )

原型机名为ARL飞行记录单元(ARL Flight Memory Unit)在1958年推出,用直径0.05毫米的磁性钢丝作为存储媒介。它可以存储长达4小时的语音和其它仪表数据,比如空速、高度和客舱压力,这些参数以每秒八次的采样率存储。存储器是循环记录的,在记录的同时会删掉最开始记录的内容(原型机现藏于维多利亚博物馆)。

原型机并没有收到太多好评。根据1998年沃伦和同事肯・弗雷泽的记录,民航部门认为“沃伦博士的设备对民用航空器没有直接作用”。澳大利亚皇家空军也有类似的说法“并不需要这样的设备——为了解释记录器的作用反而会招来谩骂”。差评主要来自于飞行员联合会,他们认为这个设备是“在飞行中安装的间谍装置——澳洲的飞机不会在监控下起飞”。

也许命中注定飞行记录器会收到这些差评。英国航空注册委员会的秘书,罗伯特・哈丁汉姆,在拜访ARL的时候无意中看到了这款原型机,他非常惊讶并立刻安排沃伦飞到英国演示原型机。这款原型机在英国获得了压倒性的支持,无论是制造商还是运营商都愿意提供支持。沃伦的设备还出现在了BBC的晚间新闻和电台新闻中。沃伦晚年推测称为“黑匣子”(Black Box)可能是因为早年采访中他自己的口误。因为皇家空军里将所有电子设备泛称为“黑匣子”。而实际上飞行数据记录器的外壳往往是亮红色以便在事故救援中能更快定位。

回到澳洲后,ARL指派一个小组与沃伦一起,小组成员包括了弗雷泽、莱恩・西尔和华特・博斯威尔,他们一起将原型机改造升级到预生产标准。这些改造包括了对飞行仪表每秒24次的采样率,并可以在失去航空器电力供应以后继续记录数据。

ARL的系统从来没有申请过专利,也没有投入生产,不过英国的达瓦尔父子公司(S. Davall & Sons)接触了ARL并获得生产许可。达瓦尔的“红蛋”事故记录器一经面世就获得了大量的飞行记录器市场份额。沃伦帮助悉尼应用艺术与科学博物馆的馆长,找到并修复了一台“红蛋”记录器(如下图)。这台记录器曾在六十年代早期给航空公司人员演示飞行记录器的功能。前部和后部被切开,以便展示内部结构。

达瓦尔父子公司制造 “红蛋”飞行数据记录器(悉尼应用艺术与科学博物馆藏)

1963年,沃伦录制了一段视频来讲解飞行数据记录器是如何工作的:

于此同时,1963年一月,澳大利亚成为第一个要求在所有航空器上强制安装飞行数据和语音记录器的国家。1960年发生在昆士兰的一起致命空难,导致法官签发了相应的法令正式开启这场运动。1964年美国通过了首个黑匣子条例,三年后正式生效。英国则在1965年跟进发布相应法律。

现代客机上使用的黑匣子。注意写有“FLIGHT RECORDER DO NOT OPEN”字样(我拍摄)

其他人发明的飞行数据记录器

沃伦于2010年逝世,几乎所有的讣告都将他称为是黑匣子的发明人。没错实至名归。不过本专栏的读者(译者注:本公众号读者应该也差不多)应该都知道所谓“第一”是很难证明的,特别是在战争期间军队进行的秘密工作。比如英国在二战时开发的多腔磁控管(译者注:用于雷达或微波炉),这项技术几乎同时在美国、苏联、日本等世界上其他国家进行研究。

沃伦的棺材。棺材侧面贴有FLIGHT RECORDER INVENTOR DO NOT OPEN的字样(BBC新闻图片)

对飞行记录器而言,很多人可以自称为是发明人。在沃伦发现Minifon之前,1939年工作在法国玛丽尼亚飞行测试中心的弗朗索瓦・侯赛诺和保罗・博杜安,开发了一种在相机胶片上记录飞行数据的设备。同时期在英国,伦哈・里森和维克・哈斯班德开发了一种用刻笔在铝箔上记录仪表和飞行数据的记录器,这种记录器无法记录语音。芬兰飞行家和工程师别霍・希塔拉在1942年发明了一种记录器,他称之为Mata Hari。美国空军也用磁化钢丝记录下 B-17 轰炸机轰炸纳粹占领的法国时飞行员之间对话。

五十年代早期,明尼苏达大学的机械工程教授詹姆斯・瑞安,与米尔斯将军的机械部门合作,研发了一种飞行记录器。瑞安称他的设备是 VGA 飞行记录器,能将航空器在速度、重力加速度和姿态上的改变记录在一条铝带上。他在1953年8月4日提交了专利申请,1960年11月申请获批。米尔斯将军将相关技术卖给了洛克希德・马丁公司(有趣的事实:瑞安还发明了可收放式安全带,并竭力推动汽车安全)。

与此同时在加拿大的国立航空飞行研究实验室,哈利・史蒂文森解决了如何在雪地和复杂地形搜索空难幸存者的问题。他开始研究坠机地点定位器,这项研究从1940年一直持续到1960年代。坠机地点定位器是一个无线电信标,用于在坠机后从飞机上发出求救信号,以便让搜救队缩小搜索范围。美国空军在越南战争中大量使用这些设备。同样的,安装飞行记录器写入法律以后,无线电信标也可以用来定位飞行记录器。有趣的是,现在的飞行记录器要求安装水下定位信标,可以在37.5千赫的频率上每秒发送脉冲信号,并连续工作30天,在水面能探测到在 14,000 英尺(4267米)水深时信标发出的信号。但在地面坠毁时并没有相应的信标(译者注:飞机上都配有紧急定位器ELT,无论坠毁在什么地方都会发送定位信号)。

环球航空800事故之后寻获的两台黑匣子

飞行数据记录器与其他发明一样合乎逻辑,这也就是为什么全世界那么多工程师几乎前仆后继都在同时研究它。曾几何时,正因为这台设备的普适性,每每发生坠机事故人们总是寄希望于找到黑匣子,并期望从中获知悲剧发生的原因。但有些黑匣子再也没有找到,比如2014年三月坠毁在印度洋的马来西亚航空370号航班。现在有很多升级黑匣子的呼声,正如Krishna M. Kavi在“IEEE光谱”专栏中撰文《Beyond the Black Box》,提出了将航空器的飞行数据直接传到云端的设想。飞机也许是所有交通工具中最安全的,但这并不意味着我们要停下不断提升航空安全的脚步。

最后再次向在东方航空 5735 号班机事故中罹难的 132 位同胞,默哀!

One thought on “黑匣子的发明:从间谍工具到事故调查利器

  1. 感謝翻譯!
    文未提及將飛行數據傳到雲端的設想,其實已經由ADS-B的普及而部份實現。在Flightradar24等網站上也能找到MU5735的高度和速度記錄,雖然不能盡信,但單單看到那圖表已經足夠令人不安,作為飛行員實在難以想象。願逝者安息,家屬早日有個交代。
    在美國已經要求所有飛機具備ADS-B out,加拿大也正在試用衛星ADS-B來為北方空域作管制,可以肯定的是日後一架客機像MH370一樣消失的機會愈來愈少。作為飛行員,其實這令人放心,最少出事的時候,救援隊知道要去那裡找人。
    有說75%的飛行事故都跟人為因素有關係,所以座艙通話記錄器經常成為調查的突破點。其實以現今的科技,聲音錄制的時間絕對可以超過兩小時,甚至可以包括多角度的視像,記錄駕駛艙內的一舉一動。FAA在2021年已經建議引入Flight Video Recorder,倒是機師工會以私隱為主要理由大力反對,覺得自己會被僱主無時無刻地監察。
    過去我每次飛行都用一台GoPro錄制機艙視頻,一支錄音筆錄制耳機聽到的一切,配合iPad上的軌跡,每次飛行後都可以逐分逐秒檢討自己操作上的過錯,絕對幫助我戒掉不少自己無意識的懷習慣。有趣的是,飛行學校後來嚴正禁止我這樣做,理由是”裝設相機的吸盤並非合規的固定裝置”,”飛行途中操作會導致分心”,最重要的是”放到網上會引來當局對學校教學程序、機隊狀態的審視”。所以”可以做到”和”會不會做”是兩碼子的事。

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