黑匣子芯片是怎么在空难中“活下来”的

文章来源：与非网eefocus作者：刘浩然

2023年1月15日，一架ATR-72小型飞机在尼泊尔博克拉地区坠毁。

官方消息称，失事飞机的黑匣子已经找到，专家也可以通过解析黑匣子中记录的飞机失事前的飞行状态与飞行员的操作方式，解开飞机坠毁的真正原因。解释空难原因，黑匣子就是关键中的关键。自1956年黑匣子实装后，全世界的所有空难，现场搜救人员第一时间要做的，除了救人，就是寻找那个颜色并不“黑”的黑匣子。

黑匣子怎么记录这些重要信息？在飞机从万米高空坠落后，它怎么保证芯片可读、数据完整？本文将带你了解黑匣子数据的秘密。

黑匣子是调查空难原因的关键

黑匣子，全称飞行记录器（Flight Recorder），是一个通体喷满亮眼橘色的数据记录装置。黑匣子一词来源于航空工程师François Hussenot发明的飞行记录仪前身，它的原理类似于照相机，利用拍照来记录飞行情况，因此就需要一个“黑匣子”来处理胶卷的曝光。黑匣子这一词汇也在真正的飞行记录仪发明后沿用至今。

国际民航组织（ICAO）要求现代客机上安装两个黑匣子，分别是飞行资料记录器（Flight Data Recorder，FDR）与驾驶舱通话记录器（又称座舱通话记录器，Cockpit Voice Recorder，CVR）。FDR可以记录飞机在飞行时的工作状态、引擎参数以及飞行参数等，包括速度、高度、航向、发动机推力等许多详细数据。空难后，专家通过这些数据解析飞机在失事前飞机是以一种什么样的飞行姿态工作的，数据可以被记录24个小时以上。CVR可以记录飞行员与地面的空管人员之间的对话，此外客舱内机组人员的广播语音以及仓内乘客的声音也会被记录下来。它可以帮助专家复原飞机失事前仓内发生的具体情况，所有声音可以被记录两个小时。一些较新的飞行记录设备将FDR和CVR的功能组合成一个单元，这些装置被称为驾驶舱语音与数据记录仪（CVDR）或组合记录仪。

两种黑匣子外观

图源 |Timesofindia

除了数据记录装置外，找到客机失事的位置是一切的前提。ICAO除了要求客机需要安装两台黑匣子记录飞行数据外，还规定载客量超过19人的商用飞机还需装备至少一部紧急定位发射仪（ELT）。ELT也称应急电台，当飞机受到巨大外力撞击或触水时，这个一般位于机身后方的装置会自动开启并发射信号，持续时间一般不少于24小时，国际卫星搜救组织的卫星系统可以接收信号。ELT的工作频率为121.5MHz、243MHz和406-406.1MHz，分别向航空移动业务电台、营救电台与有人飞行器以及卫星发射信号。

除了飞机自带定位装置外，黑匣子也有自己的定位装置。

从上图黑匣子外观图中，我们可以看到机构右侧有银白色金属包裹的圆柱体，这其实就是黑匣子的定位装置，也称水下定位信标（ULB）。当飞机在水上失事后，黑匣子就会落入水中，信标就会因为被水浸透而导通电路，持续发出37.5KHz的超声脉冲鸣叫，虽然人很难听到，但它很容易被声呐或其他声学定位设备检测到。官方资料解释，这种声音可以从4267米深处的水中传到水面。此前它可以每秒发出一次信号并持续30天，后来经过马航MH370事件后，这个标准被提升到了90天。

不同功能的黑匣子相互配合就能帮助空难专家精准还原事故前仓内的各种细节，找出失事的真正原因，推动飞机设计改善，避免下次危机发生。但这一切都有一个前提，那就是黑匣子中记录的数据必须清晰完整。

黑匣子如何工作

自1953年发明以来，黑匣子已经更新迭代了多次。最初的黑匣子是由澳大利亚的研究员David Warren发明的“飞行记忆单元”，用来检测世界上第一架喷气式客机的频繁坠毁情况。那时的黑匣子还在采用金属丝与纸带记录飞行数据，后逐渐转为磁带记录。由于磁带的介质的耐热性不高，在上世纪90年代Flash闪存技术成熟后，黑匣子逐渐换装闪存芯片。简单的说，过去空难就是寻找“磁带”，现在则变成了寻找“U盘”，不过他们的共性就是——非常结实。

我们从这张黑匣子的透视图中可以分析一下整体结构。

黑匣子内部结构

图源 | howstuffworks

黑匣子的结构基本可以分为两类——数据处理与数据存储。而空难后调查真相的关键就在于数据存储模块，据接触过黑匣子的相关人士透露，整个装置的重量大部分都来源于那个圆柱体，也就是数据存储模块。

或许你经历过曾经Sony随身听时代的辉煌，由于它需要在磁带上进行读取操作，整体结构被做成了长方体。事实上在应用闪存颗粒之前，黑匣子也一样是长方体。不过这种结构在受到外力冲击时强度不佳，在技术换代后存储模块就变成了承压能力更强的圆柱体。

现在客机在启动后，黑匣子就开始自动记录各类参数。无论是旧版还是现代的客机操作系统，飞行传感器收集到的所有参数都会首先发送到飞机前端的飞行数据采集单元（FDAU），它是客机系统的“总指挥”与“管理者”，同时负责将参数发送到黑匣子内。

目前互联网上有不少相关人士分享了黑匣子内部结构图，记者从国内论坛中找到了某款CVR的内部电路结构图。

黑匣子的电路板

图源 |CSDN论坛

首先看下上图电路板，可以发现两块明显的DSP芯片，且有串口负责接收外部数据。DSP（Digital Signal Processing）数字信号处理芯片，它的其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化。猜测这块主板负责将机舱内的声音数据经过处理后转换为数字信号，再将数据输出给存储单元。

下图有一个QuckLogic快辑半导体的芯片，这是一家美国上市半导体企业，主业为电源管理芯片的制造。仔细观察这块板子还连接了供电电池，所以它大概率为黑匣子的充电管理模块。

我们从各类飞机失事后寻找到黑匣子的现场新闻图片中，往往只能看到一个圆柱体，那其实就是存储信息的关键——事故数据存储单元（Crash-Survivable Memory Unit，CSMU）。

闪存颗粒的电路板

图源 | CSDN论坛

图片中的圆形PCB搭载了两颗英特尔的存储颗粒，这也是在各大新闻中经常提到的黑匣子芯片。黑匣子的整体结构与系统也基本围绕着这个存储模块来设计。多个存储板在模块中垂直堆叠，并用螺丝固定在一起。CSMU模块被防火棉与不锈钢外壳紧密包裹，通过排线与外部相连交换数据。

黑匣子如何保护数据

当我们了解了黑匣子的工作方式之后，就可以来回答标题的问题了，黑匣子是怎么保护存储芯片在事故后还完好如初的？

前文提到，CSMU模块是圆柱体结构，通常用螺栓固定在记录仪上。结构整体经过精心设计，有多层保护材料共同保护芯片的安全。离闪存芯片和PCB最近的是铝制外壳，它除了能防辐射外，还能在坠落时提供一定的吸能保护作用；中间是近3厘米的绝缘隔热材料（特种隔热棉），可提供高温保护；最外侧则是不锈钢或钛钢外壳，保护结构承受外部冲击。

为了确保黑匣子的生存能力，工程师会对CSMU模块进行全面测试。在测试前，工程师会将测试数据写入储存颗粒中，测试结束后会对数据进行检查。黑匣子要经过的测试考验包括：

碰撞

测试

测试人员将CSMU模块通过空气炮发射出去与其他目标碰撞，过程中将产生3,400G的冲击力（1G是正常的地球引力）。

坠落

测试

测试人员将一个227Kg带钢销的重物拉起到3米高的地方扔下，钢销会撞击CSMU模块的中间薄弱部位来测试它的结构强度。

静态挤压

测试

CSMU模块会在5分钟内承受6个主轴上每个方向34MPa的挤压力。（1MPa相当于用一只手托起质量1000千克的物体）

高温

测试

测试人员将该CSMU放入丙烷源火焰中，使用三个燃烧器烤制，装置中温度将达到1100摄氏度，合格标准为数据能承受高温1小时不损坏。（火山喷发的岩浆温度约为900-1400℃）

浸没

测试

该测试分三类，盐水加压罐中测试24小时；在盐水槽中存放 30 天；各类航空流体、燃料、润滑剂与灭火溶剂冲刷测试。

高温测试

图源 | 深圳机械行业协会

在如此高强的测试中，除CSMU模块外的其他模块，包括接口与排线在内的结构基本都会损毁。不过也因为如此严苛的测试，黑匣子芯片才会在各种严酷的飞行事故中存活。

此外，据飞行专家分析，能被装载在CSMU模块中的闪存颗粒基本为SLC颗粒，这也能尽力保证数据的存储安全，也有利于事故专家对数据进行解析。

写在最后

有一句话我认为可以总结黑匣子的功劳：对飞行事故的分析，并不在于责任的分摊，而是要分析事故发生的原因，保证以后所有飞行都会更加安全。有了黑匣子的帮助，航空业才能更好的从每一次事故中吸取教训，让悲剧不再重演。

参考资料：

How Black Boxes Work

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

维基百科：Flight recorder

https://en.wikipedia.org/wiki/Flight_recorder

央广网：已找到黑匣子！尼泊尔坠机事故最新进展→

https://mp.weixin.qq.com/s?search_click_id=935423496966677676-1674034816120-7579619640__biz=Mzg4NjcwMzI1Mg==mid=2247684114idx=2sn=257affb52cd2527f4d10565916b99a8fchksm=cf99c5e9f8ee4cff93d10e734bf58227dd60872bb365c3f3257ffc7c4ac597134d59e6e144descene=7#rd

拆解飞机黑匣子，看看内部构造、PCB及芯片

https://blog.csdn.net/best_xiaolong/article/details/123725283

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编辑：了之