Что такое «черный ящик» на борту самолета?

Пока самолет летит штатно, этот оранжевый шар записывает каждый щелчок тумблера, траекторию полета и то, как пилоты жалуются на погоду или обсуждают коллег. Но что происходит с этими гигабайтами данных после посадки или в экстренной ситуации? И почему вокруг обычного бортового регистратора выросло столько мифов? Разбираемся с помощью доцента кафедры «Аэродинамика, динамика и управление летательных аппаратов» Московского авиационного института Михаила Тяглика.

Как появилось название «черный ящик»

Устройство называют «черным ящиком», но на самом деле выглядит оно как ярко-оранжевый шар или цилиндр.

Яркий цвет — это сознательное решение. После аварии устройство нужно как можно быстрее найти среди обломков, в воде или в труднодоступной местности. Кроме яркого цвета на корпус наносят светоотражающие полосы и ставят подводный акустический маяк — если самописец оказался в воде, это упрощает поиск.

У появления термина «черный ящик» есть несколько версий. Один из первых регистраторов создали французы Франсуа Юссено и Поль Бодуэн в 1939 году. Это был светолучевой осциллограф, в котором параметры полета, высота и скорость, отражались зеркалом на фотопленку. Чтобы солнечный свет не засвечивал запись, корпус выкрасили в черный цвет. Возможно, отсюда и пошло название.

Есть и другая версия. Еще до авиации понятие «черный ящик» использовали в науке. Так называли систему, внутреннее устройство которой неизвестно, а важно лишь то, как она реагирует на входные данные. Когда речь зашла об авиационных самописцах, этот образ перенесли: даже если внутри сложная электроника, для специалистов важно лишь то, что записано, а не как именно это устроено.

Существует и более образная версия. В этом устройстве после происшествия, пока данные не расшифрованы, содержимое остается тайной — как в предмет в непроницаемом черном ящике.

Что касается формы — это инженерное решение. Шар или цилиндр позволяют лучше сопротивляться внешнему давлению и удару при падении.

Так что термин «черный ящик» — это смесь истории, научного подхода и воображения.  Правильным, все-таки, является название «бортовой самописец».

Что внутри «черного ящика»

В современном самолете фактически два ключевых устройства, которые и называют «черными ящиками».

1. Регистратор полетных данных. Он пишет параметры движения самолета: скорость, высоту, курс, углы крена и тангажа, положение рулей и закрылков, работу двигателей, положение шасси, перегрузки и т. д. Все это позволяет восстановить точную траекторию и углы полета самолета. 

2. Речевой самописец. Он записывает переговоры пилотов, команды диспетчера, звуки в кабине: сигналы тревоги, щелчки тумблеров, шумы систем. Современные самописцы пишут не только переговоры экипажа, но и общую акустическую обстановку в кабине.

Часто регистратор полетных данных и речевой самописец — это отдельные модули, но они могут стоять в одном защитном корпусе.

Данные записываются на модули памяти, которые представляют из себя твердотельные флеш-накопители, и информация на них хранится в цифровом виде. Их контроллер и интерфейсы управляют записью, буферизацией, форматированием данных, следят за целостностью. Кроме этого есть электроника, которая обеспечивает питание систем, работу часов реального времени, управление буферами  данных и преобразует сигналы от датчиков.

Также в состав «черного ящика» входит подводный акустический маяк, излучающий ультразвуковой сигнал. Работает маяк от батареи до 30 дней и помогает найти устройство под водой. Автономное питание обеспечивается батареями.

Как устроены бортовые самописцы

Главная часть самописца, которая должна быть защищена — это блок памяти. Именно он должен сохраниться при ЧП во что бы то ни стало.

Поэтому блок памяти состоит из нескольких слоев, каждый из которых выполняет свою функцию. 

• Внутренний — представляет собой тонкий алюминиевый корпус, являющийся электромагнитным экраном, защищающим платы от помех. 
• Средний — состоит из сухого диоксида кремния, толщиной около 2,5 см, обеспечивающий теплоизоляцию при температурах до 1100 °C в течение 30 минут.
• Внешний — сделан из нержавеющей стали или титана толщиной около 0,64 см, которая обеспечивает целостность конструкции при ударе, высоком давлениии и защищает от коррозии.

Как тестируют «черный ящик»

Устройство закрепляют на стенде так же, как оно будет установлено в самолете. Его подвергают многократным ударам в разных направлениях — чтобы сымитировать столкновение, взрыв или сильный удар при падении. 

Также проводят тесты на вибропрочность: устройство трясут в разных частотных диапазонах, чтобы проверить, не разрушатся ли внутренние компоненты от постоянной вибрации в полете. После таких нагрузок уточняют, не появились ли механические повреждения, не сместились ли детали, сохранилась ли работоспособность электроники. 

Затем следуют испытания на тепловое воздействие. Самописец помещают в камеру, где моделируют экстремальный нагрев. Например, при пожаре в отсеке или длительном нахождении в горящих обломках. Устройство выдерживают при высокой температуре определенное время, а затем проверяют, не деформировались ли материалы, не нарушилась ли изоляция, сохранилась ли целостность памяти. Иногда проводят и обратный тест — на устойчивость к резким перепадам температур. 

Поскольку после падения в воду самописец может долго находиться под давлением, его тестируют на герметичность. Устройство подвергают воздействию повышенной влажности, а затем проводят тесты на погружение — имитируют давление воды на определенной глубине. Важно, чтобы внутрь не проникла вода и не замкнула электронику. Отдельно проверяют подводный акустический маяк: убеждаются, что он корректно активируется под водой, стабильно излучает сигнал на нужной частоте и работает заявленное время — до 30 дней. 

После каждого этапа инженеры анализируют результаты: если где-то есть сбой, конструкцию дорабатывают и запускают новый цикл испытаний. Только когда устройство последовательно проходит все эти барьеры, его допускают к сертификации и установке на самолеты.

Сколько времени есть на поиски, если «черный ящик» оказался в воде

Если самолет падает в океан, подводный акустический маяк включается автоматически, как только касается воды. Работает он на специальной частоте 37,5 кГц ± 1 кГц. 

Такая частота редко встречается в естественных шумах океана, поэтому сонары поисковых судов могут легко отличить сигнал маяка от шума морских обитателей и сейсмической активности.  Периодичность — примерно один импульс в секунду, длительность каждого — не менее 9 мс. 

Дальность обнаружения — 1–2 км в обычных условиях, до 4–5 км в идеальных. Звук проходит через слои воды с разной температурой, которые могут отклонять и ослаблять сигнал, поэтому реальная дальность сильно зависит от условий. 

Сигнал ловят с помощью гидрофонов — подводных микрофонов, которые буксируют или опускают с поисковых судов. 

После катастрофы рейса Air France 447 в 2009 году, который упал в Атлантику на глубину около 3900 м, обломки нашли быстро, а самописцы искали два года. 

После этого случая ввели новый стандарт (TSO-C121b, он же «Blue 90»), требующий минимум 90 дней непрерывной работы. С 2015 года все новые маяки выпускаются с 90-дневной батареей, а с 2018 года все самолеты должны были перейти на такие маяки. То есть у поисковых команд сейчас есть примерно три месяца на то, чтобы найти устройство по активному сигналу. После этого маяк выключается и поиск продолжается уже другими методами.

Может ли пилот или бортинженер стереть запись

У экипажа есть возможность стереть запись, но только речевого самописца, причем только на земле и только при определенных условиях. То, что зафиксировал параметрический самописец, пилот стереть не может никаким образом.

Стирание речевого самописца возможно кнопкой на панели в кабине. Но она не сработает просто от случайного нажатия, так как на нее наложена целая система блокировок и условий.

Самолет должен быть на земле. В полете функция физически заблокирована. Стояночный тормоз должен быть включен, что говорит о том, что полет завершен.

На некоторых самолетах необходимо, чтобы все двигатели были остановлены. 

Кнопку нужно удерживать около двух секунд, тогда отменится защита от случайного касания. Только при одновременном выполнении всех этих условий запись стирается.

Эту опцию сделали для того, чтобы сохранить приватность разговоров. В кабине пилоты обсуждают не только работу, но и личные вещи, здоровье и коллег. Если рейс прошел штатно, никто не пострадал, то нет причины хранить эти разговоры. Кнопка позволяет очистить запись после нормального полета. 

Что мешает авиации полностью перейти на «облачные» самописцы, чтобы не искать потом «ящики»?

За один дальний рейс накапливается около 20 ГБ: сотни параметров полета плюс несколько аудиоканалов. Постоянно передавать такой поток через спутник — очень дорого и нагружает канал связи. Приходится сжимать данные, а это дополнительная нагрузка на бортовые вычислители и риск потери части информации. 

Есть зоны, где спутниковая связь ненадежна — например, над океанами. Пока глобальное покрытие не стало абсолютно стабильным, полагаться только на передачу в облако рискованно. 

В «облаке» информация хранится на сторонних серверах, и возникает вопрос: как обеспечить ее неизменяемость и доказать, что в облако ушла именно та запись, которая была на борту, без возможности подмены?

Авиационная отрасль крайне консервативна в вопросах безопасности. Любые новые системы должны пройти жесткую процедуру сертификации, чтобы доказать: они не создадут новых рисков и обеспечат требуемый уровень сохранности данных. 

В подавляющем большинстве аварий физические самописцы находят, и данные с них удается считать. Поэтому вложения в повсеместное внедрение «облачных» решений пока сложно полностью оправдать — риск потери данных в реальных сценариях остается низким. 

Полностью отказываться от бортовых носителей пока не планируют. Более понятный путь — дополнять их: например, внедрить системы, которые в момент нештатной ситуации автоматически инициируют экстренную передачу последних секунд полета в облако. Так сохраняются данные и в самописце на борту, и дубликат в облаке. 

Поэтому «облачные» самописцы — не замена, а скорее полезное дополнение. Сейчас все чаще говорят о гибридных решениях, где бортовые устройства остаются основным гарантом сохранности данных, а «облако» используется для оперативного доступа и анализа.

Реальные случаи, когда «черный ящик» помог разобраться с ситуацией 

1. Airbus A310 под Междуреченском, 1994

Рейс «Аэрофлота» SU593 разбился, не подав ни одного сигнала бедствия. Двигатели работали штатно, самолет был новый, а экипаж опытный. Первой версией был теракт. Но расшифровка речевого самописца раскрыла все: второй пилот, оставшийся за командира, позвал в кабину своего 15-летнего сына и дочь «порулить». Мальчик случайно отключил автопилот, а экипаж заметил это слишком поздно. 

Что дал «черный ящик»: единственное доказательство, что в кабине были посторонние и что причина — не техническая неисправность и не теракт, а человеческий фактор.

2. Boeing 737 под Питтсбургом, 1994

Самолет внезапно перешел в крутой крен и врезался в землю за пять секунд. Данные показали, что руль направления заклинило в крайнем левом положении — это было слышно по сигналам датчика. В кабине раздались три резких щелчка, после чего пилоты безуспешно пытались вывести самолет. 

Вывод комиссии — фатальная недоработка конструкции руля. Boeing потратил более 500 млн долларов на модернизацию 2800 лайнеров по всему миру. 

Что дал «черный ящик»: выявил конструктивный дефект, который привел к глобальной модернизации флота 737.

3. Air France 447 над Атлантикой, 2009 

Airbus A330 пропал над океаном в шторме. Обломки нашли быстро, но «черные ящики» — только через два года, на глубине почти 4000 м. И они работали. 

Записи показали: трубки Пито (датчики скорости) обледенели, автопилот отключился. Второй пилот вместо того, чтобы держать горизонтальный полет, потянул ручку на себя — и спровоцировал тем самым срыв потока с крыла и сваливание самолета. Сигнал тревоги звучал 54 секунды подряд, но экипаж так и не произнес слово «сваливание» и не применил процедуру вывода. Самолет падал 3,5 минуты, пока не ударился о воду. 

Что дал «черный ящик»: без голосовой записи и данных параметров эксперты, возможно, решили бы, что самолет попал в сложную ветровую обстановку. На деле причиной стала цепочка: обледенение датчиков, затем отключение автопилота вместе с ошибочными действиями экипажа, нераспознанное ими сваливание. 

После этого изменили программы подготовки пилотов к ручному пилотированию на больших высотах.