Black Box

Achtergrond

Black box is een algemene term die wordt gebruikt om de geautomatiseerde vluchtgegevensrecorders te beschrijven die worden vervoerd door moderne commerciële vliegtuigen. De Flight Data Recorder (FDR) is een geminiaturiseerd computersysteem dat een verscheidenheid aan gegevens over de vlucht van het vliegtuig bijhoudt, zoals luchtsnelheid, positie en hoogte. Dit apparaat wordt meestal gebruikt in combinatie met een tweede zwarte doos die bekend staat als de Cockpit Voice Recorder (CVR), die radio-uitzendingen en geluiden in de cockpit documenteert, zoals de stemmen van de piloten en motorgeluiden. In het geval van een ongeluk kan de informatie die in deze zwarte dozen is opgeslagen, worden gebruikt om de oorzaak van het ongeval te achterhalen.

Sinds de begindagen van de luchtvaart worden zwarte dozen gebruikt. De gebroeders Wright droegen de eerste vluchtrecorder op een van hun eerste vluchten. Dit grove apparaat registreerde beperkte vluchtgegevens zoals duur, snelheid en aantal motoromwentelingen. Een andere vroege luchtvaartpionier, Charles Lindbergh, gebruikte een wat geavanceerdere versie, bestaande uit een barograaf, die inkt markeerde op papier dat om een ​​roterende trommel was gewikkeld. Het hele apparaat zat in een kleine houten doos ter grootte van een indexkaarthouder. Helaas waren deze vroege prototypes niet stevig gebouwd en konden ze een crash niet overleven.

In de jaren veertig, toen de commerciële luchtvaart met grote sprongen groeide, spoorde een reeks crashes de Civil Aeronautics Board aan om het belang van vluchtgegevens serieuzer te nemen. Ze werkten samen met een aantal bedrijven om een ​​betrouwbaardere manier te ontwikkelen om gegevens te verzamelen. General Electric ging de uitdaging aan en ontwikkelde een systeem genaamd de 'selsyns', dat bestond uit een reeks kleine elektroden die rechtstreeks op de instrumenten van het vliegtuig waren bevestigd. Deze sensoren stuurden informatie door naar een recorder achter in het vliegtuig. (Recorders worden meestal opgeslagen in het staartgedeelte van het vliegtuig, omdat dit het meest crash-overleefbare gebied van het vliegtuig is.) GE-ingenieurs hebben een aantal technische uitdagingen overwonnen bij het ontwerp van de selsyns. Ze realiseerden zich bijvoorbeeld slim dat de inkt op grote hoogte, zoals lage druk en temperatuur, ervoor zou zorgen dat de inkt die normaal gesproken in opnameapparatuur wordt gebruikt, zou bevriezen of de pennen zou verstoppen. Hun oplossing was een opnamesysteem dat met een stylus een afbeelding sneed in zwart papier bedekt met witte lak. Ondanks hun inspanningen werd de eenheid echter nooit gebruikt in een echte vlucht. Rond dezelfde tijd ontwikkelde een ander engineeringbedrijf, Frederick Flader, een vroege magnetische bandrecorder; dit apparaat werd echter ook nooit gebruikt.

De black box-technologie ging pas verder in 1951, toen professor James J. Ryan toetrad tot de mechanische afdeling van General Mills. Ryan was een expert in instrumentatie, trillingsanalyse en machineontwerp. Ryan viel het probleem van FDR's aan en bedacht zijn eigen VGA Flight Recorder. De "V" staat voor Velocity (luchtsnelheid); "G" voor G-krachten (verticale versnelling); en "A" is voor hoogte. De Ryan Recorder was een apparaat van 4,5 kg dat ongeveer zo groot was als een brooddoos met twee afzonderlijke compartimenten. Eén sectie bevatte de meetapparatuur (de hoogtemeter, de accelerometer en de luchtsnelheidsindicator) en de andere bevatte het opnameapparaat, dat op de drie instrumenten was aangesloten.

Ryan's gecompartimenteerde basisontwerp wordt nog steeds gebruikt in vluchtrecorders, hoewel het talrijke verbeteringen heeft ondergaan. De stylus en het lakfilmopnameapparaat werden vervangen door een kwart inch (6,4 mm) magneetband, die op zijn beurt werd vervangen door digitale geheugenchips. Het aantal variabelen dat recorders kunnen volgen is ook drastisch toegenomen, van drie of vier parameters tot ongeveer 300. FDR's kunnen nu tijdens de vlucht kenmerken volgen zoals snelheid, hoogte, kleppositie, automatische pilootmodus, zelfs de status van rook aan boord alarmen. In het begin van de jaren zestig voegde de luchtvaartindustrie spraakopnamemogelijkheden toe met de Cockpit Voice Recorder (CVR). Maar misschien wel de belangrijkste vooruitgang in de fabricage van vluchtrecorders zijn de verbeteringen die zijn aangebracht in de constructie, waardoor de eenheden beter bestand zijn tegen de vernietigende kracht van een crash. Vroege modellen moesten slechts ongeveer 100 Gs (100 keer de zwaartekracht) weerstaan, wat losjes overeenkomt met de kracht van een val van ongeveer 10 ft (3 m) van de grond op een betonnen oppervlak. Om de werkelijke crashomstandigheden beter te simuleren, werden de vereisten in 1965 verhoogd tot 1.000 Gs gedurende vijf milliseconden en later tot 3.400 Gs gedurende 6.5 milliseconden.

Tegenwoordig moeten grote commerciële vliegtuigen en sommige kleinere commerciële, zakelijke en privévliegtuigen door de FAA worden uitgerust met een Cockpit Voice Recorder en een Flight Data Recorder. In het geval van een crash kunnen de zwarte dozen worden geborgen en nog steeds verzegeld naar de National Transportation Safety Board (NSTB) worden gestuurd voor analyse.

Componenten

De Flight Data Recorder en de Voice Data Recorder (of Cockpit Voice Recorder) zijn opgebouwd uit vergelijkbare componenten. Beide bevatten een voeding, een geheugeneenheid, een elektronische controllerkaart, invoerapparaten en een signaalbaken.

Voeding

Zowel FDR's als CVR's werken op een voeding met dubbele spanning (115 VAC of 28 DC), waardoor de units flexibel kunnen worden gebruikt in verschillende vliegtuigen. De batterijen zijn ontworpen voor 30 dagen continu gebruik en hebben een houdbaarheid van zes jaar.

Crash Survivable Memory Unit (CSMU)

De CSMU is ontworpen om 25 uur aan digitale vluchtinformatie te bewaren. De opgeslagen informatie is van zeer hoge kwaliteit omdat de ultramoderne elektronica van het apparaat het mogelijk maakt om gegevens in een ongecomprimeerde vorm vast te houden.

Geïntegreerde controller en printplaat (ICB)

Dit bord bevat het elektronische circuit dat fungeert als schakelbord voor de binnenkomende gegevens.

Vliegtuiginterface

Deze poort dient als aansluiting voor de invoerapparatuur waaruit black boxes al hun informatie over het vliegtuig halen. De FDR-interface ontvangt en verwerkt signalen van een verscheidenheid aan instrumenten aan boord van het vliegtuig, zoals de luchtsnelheidsindicator, waarschuwingsalarmen aan boord, hoogtemeter, enz. De interface die voor de CVR wordt gebruikt, ontvangt en verwerkt signalen van een cockpitmicrofoon, die meestal ergens op het bovenliggende instrumentenpaneel tussen de twee piloten is gemonteerd. De microfoon is bedoeld om geluiden op te vangen die onderzoekers kunnen helpen bij het bepalen van de oorzaak van een crash, zoals motorgeluid, overtrekwaarschuwingen, uit- en intrekken van het landingsgestel en andere klikken en ploffen. Deze geluiden kunnen helpen bij het bepalen van het tijdstip waarop bepaalde crashgerelateerde gebeurtenissen hebben plaatsgevonden. De microfoon geeft ook communicatie door met de luchtverkeersleiding, geautomatiseerde radioweerbriefings en gesprekken tussen de piloten en het grond- of cabinepersoneel.

Onderwater Locator Beacon (ULB)

Elke recorder kan zijn uitgerust met een Underwater Locator Beacon (ULB) om te helpen bij het identificeren van de locatie in het geval van een ongeval boven water. Het apparaat, informeel bekend als een "pinger", wordt geactiveerd wanneer de recorder wordt ondergedompeld in water. Het zendt een akoestisch signaal uit op 37,5 KHz dat kan worden gedetecteerd met een speciale ontvanger. De De Flight Data Recorder (FDR) is een geminiaturiseerd computersysteem dat een verscheidenheid aan gegevens over de vlucht van de vliegtuig, inclusief de luchtsnelheid, positie en hoogte. Het systeem is gehuisvest in een zware metalen container die is gebouwd om de stress van een crash te weerstaan. baken kan zenden van diepten tot 14.000 ft (4.200 m).

Het fabricageproces

De sleutel tot het maken van een succesvolle zwarte doos is om deze zo onverwoestbaar mogelijk te maken. Dit wordt gedaan door de componenten in een meerlaagse beschermende schaal te omhullen. De verschillende makers van blokfluiten hebben elk hun eigen ontwerp, maar in het algemeen kan het fabricageproces als volgt worden beschreven:

1. De belangrijkste componenten (de voeding, de interface/controllerkaart en de geheugencircuits) worden als afzonderlijke eenheden gebouwd en vervolgens geassembleerd om de voltooide zwarte doos te vormen. Door deze modulaire aanpak kunnen de componenten eenvoudig worden vervangen zonder dat het hele apparaat hoeft te worden gedemonteerd. Elk van deze componenten heeft zijn eigen speciale montage-eisen, maar er wordt in de eerste plaats aandacht besteed aan de bescherming van de geheugeneenheid, aangezien deze de gegevens bevat die van belang zijn voor onderzoekers.
2. Er wordt een configuratie met meerdere lagen gebruikt om ervoor te zorgen dat de geïntegreerde schakelingen van de geheugeneenheid voldoende worden beschermd. De buitenste laag is de behuizing, die bestaat uit stalen pantserplaat.
3. Daaronder ligt een isolatielaag, gevolgd door een dikke plak paraffine, die een thermisch blok vormt. Als de paraffine smelt, neemt het warmte op en houdt daardoor de temperatuur van de geheugenkern lager.
4. Onder de paraffine ligt het bord met de geheugenchips.
5. Onder het geheugenkaartje zit nog een thermisch paraffineblok, gevolgd door nog een isolatielaag. Het geheel is gemonteerd op een stalen plaat die dienst doet als toegangsdeksel.
6. De geassembleerde Crash Survivable Memory Unit wordt vervolgens met vier grote bevestigingsbouten op de voorkant van een montageplank van zware metalen plaat vastgeschroefd. De voeding is net achter de CSMU aangesloten.
7. De interface- en besturingsprintplaat (ICB) is met schroeven aan de onderkant van de montageplank bevestigd. Een metalen toegangsklep beschermt het bord en zorgt voor gemakkelijke toegang.
8. Het Underwater Locator Beacon (ULB) is bevestigd aan de twee armen die uit de voorkant van de geheugeneenheid steken. De ULB steekt uit de behuizing en heeft een cilindrische vorm waardoor hij als handgreep voor het hele apparaat kan worden gebruikt. Als de recorder zonder ULB wordt verkocht, wordt daarvoor in de plaats een holle metalen handgreepbuis geplaatst.
9. De buitenmantel is fel oranje of rood geverfd om deze beter zichtbaar te maken bij een crash.

Kwaliteitscontrole

Na de fabricage worden de eenheden blootgesteld aan een reeks slopende en enigszins bizarre marteltestomstandigheden. Zwarte dozen worden uit kanonnen geschoten, door dunne stalen staven gestoken, aan gewichten van 500 lb (227 kg) bevestigd en van 3 m (10 ft) boven de grond gedropt, in een bankschroef bij 5.000 lb (2.270 kg) druk verpletterd, gekookt met een brander gedurende een uur bij 2.012 ° F (1100 ° C), en ondergedompeld in het equivalent van 20.000 ft (6.000 m) zeewater gedurende een maand. Na dergelijke tests maakt de ingebouwde microprocessor het mogelijk om een ​​verscheidenheid aan diagnoses uit te voeren om ervoor te zorgen dat het apparaat correct werkt. Dankzij de snelle interface kan de volledige geheugeneenheid in minder dan vijf minuten worden gecontroleerd. Deze evaluatie kan in de fabriek worden uitgevoerd om te controleren of het apparaat perfect werkt, en vervolgens na installatie om er zeker van te zijn dat het nog steeds goed functioneert. Volgens regelgeving moeten vluchtrecorders voor nieuw vervaardigde vliegtuigen nauwkeurig ten minste 28 kritische factoren bewaken, zoals tijd, hoogte, luchtsnelheid, koers en vliegtuighouding. De gemiddelde tijd tussen storingen voor deze apparaten moet meer dan 15.000 uur zijn en ze zijn ontworpen om onderhoudsvrij te zijn. Als het toestel alle hierboven beschreven tests doorstaat, voldoet het aan de eisen die zijn opgesteld door de FAA (Federal Aviation Authority).

De Toekomst

De toekomst ontvouwt zich nu al voor fabrikanten van zwarte dozen. Smith Industries, een belangrijke leverancier van vluchtrecorders, heeft onlangs aangekondigd dat het een enkel apparaat gaat ontwikkelen dat de afzonderlijke FDR- en CVR-eenheden zal vervangen. Hun apparaat staat bekend als een Integrated Data Acquisition Recorder (IDAR), en het bevat vlucht- en spraakgegevens in een enkele doosconfiguratie, samen met een gegevensoverdrachtsysteem voor het ophalen van onderhoudsgegevens. De introductie van de IDAR maakt een verlaging van het kritieke systeemgewicht met 25% mogelijk. Interessant is dat deze nieuwe richting in productontwikkeling tegelijkertijd komt met nieuwe wetgeving die het vastleggen van gegevens gekoppeld aan luchtverkeersleidingsberichten verplicht stelt. Deze nieuwe wet zou vereisen dat zwarte dozen nog meer informatie bevatten. Het is waarschijnlijk dat de fabrikanten van vluchtregistratieapparatuur de uitdaging aangaan en zwarte dozen ontwikkelen die steeds meer informatie kunnen opslaan in steeds kleiner wordende verpakkingen.