Blackbox

Hintergrund

Black Box ist ein Oberbegriff für die computergestützten Flugdatenschreiber, die von modernen Verkehrsflugzeugen mitgeführt werden. Der Flight Data Recorder (FDR) ist ein miniaturisiertes Computersystem, das eine Vielzahl von Flugdaten wie Fluggeschwindigkeit, Position und Höhe aufzeichnet. Dieses Gerät wird typischerweise in Verbindung mit einer zweiten Blackbox, dem Cockpit Voice Recorder (CVR), verwendet, der Funkübertragungen und Geräusche im Cockpit wie die Stimmen der Piloten und Motorgeräusche dokumentiert. Im Schadensfall können die in diesen Blackboxen gespeicherten Informationen zur Ermittlung der Unfallursache genutzt werden.

Black Boxes werden seit den Anfängen der Luftfahrt verwendet. Auf einem ihrer ersten Flüge trugen die Gebrüder Wright den ersten Flugschreiber in die Höhe. Dieses grobe Gerät registrierte begrenzte Flugdaten wie Dauer, Geschwindigkeit und Anzahl der Motorumdrehungen. Ein anderer früher Luftfahrtpionier, Charles Lindbergh, verwendete eine etwas anspruchsvollere Version, die aus einem Barographen bestand, der Tinte auf Papier markierte, das um eine rotierende Trommel gewickelt war. Das gesamte Gerät befand sich in einer kleinen Holzkiste in der Größe eines Karteikartenhalters. Leider waren diese frühen Prototypen nicht stabil konstruiert und konnten einen Absturz nicht überstehen.

In den 1940er Jahren, als die kommerzielle Luftfahrt sprunghaft wuchs, veranlasste eine Reihe von Abstürzen das Civil Aeronautics Board, die Bedeutung von Flugdaten ernster zu nehmen. Sie arbeiteten mit einer Reihe von Unternehmen zusammen, um eine zuverlässigere Methode zur Datenerhebung zu entwickeln. General Electric stellte sich der Herausforderung und entwickelte ein System namens "Selsyns", das aus einer Reihe winziger Elektroden bestand, die direkt an den Instrumenten des Flugzeugs angebracht waren. Diese Sensoren verkabelten Informationen mit einem Rekorder im Heck des Flugzeugs. (Rekorder werden normalerweise im Heckbereich des Flugzeugs aufbewahrt, da dies der am besten absturzsichere Bereich des Flugzeugs ist.) Die Ingenieure von GE haben eine Reihe technischer Herausforderungen bei der Konstruktion der Selsyns gemeistert. Zum Beispiel erkannten sie geschickt, dass die in großen Höhen herrschenden Bedingungen mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur dazu führen würden, dass die Tinte, die normalerweise in Aufzeichnungsgeräten verwendet wird, einfriert oder die Stifte verstopft. Ihre Lösung war ein Aufzeichnungssystem, das auf einem Stift beruhte, um ein Bild in schwarzes Papier zu schneiden, das mit weißem Lack beschichtet war. Trotz ihrer Bemühungen wurde die Einheit jedoch nie in einem tatsächlichen Flug eingesetzt. Ungefähr zur gleichen Zeit entwickelte ein anderes Maschinenbauunternehmen, Frederick Flader, ein frühes Magnetbandgerät; dieses Gerät wurde jedoch auch nie verwendet.

Die Black-Box-Technologie kam erst 1951 weiter, als Professor James J. Ryan in die mechanische Abteilung von General Mills eintrat. Ryan war Experte für Instrumentierung, Schwingungsanalyse und Maschinenkonstruktion. Ryan griff das Problem der FDRs an und entwickelte seinen eigenen VGA-Flugrekorder. Das "V" steht für Velocity (Fluggeschwindigkeit); "G" für G-Kräfte (vertikale Beschleunigung); und "A" steht für die Höhe. Der Ryan Recorder war ein 4,5 kg schweres Gerät von der Größe eines Brotkastens mit zwei separaten Fächern. Ein Abschnitt enthielt die Messgeräte (Höhenmesser, Beschleunigungsmesser und Fahrtmesser) und der andere enthielt das Aufzeichnungsgerät, das mit den drei Instrumenten verbunden war.

Ryans grundlegendes unterteiltes Design wird auch heute noch in Flugschreibern verwendet, obwohl es zahlreiche Verbesserungen erfahren hat. Das Aufnahmegerät mit Stift und Lackfilm wurde durch ein 1/4-Zoll-Magnetband (6,4 mm) ersetzt, das wiederum durch digitale Speicherchips ersetzt wurde. Die Anzahl der Variablen, die Rekorder verfolgen können, hat sich ebenfalls dramatisch erhöht, von drei oder vier Parametern auf etwa 300. FDRs können jetzt Flugeigenschaften wie Geschwindigkeit, Höhe, Klappenposition, Autopilot-Modus und sogar den Rauchstatus an Bord verfolgen Alarm. In den frühen 1960er Jahren fügte die Luftfahrtindustrie die Sprachaufzeichnungsfunktion mit dem Cockpit Voice Recorder (CVR) hinzu. Der vielleicht bedeutendste Fortschritt bei der Herstellung von Flugschreibern waren jedoch die Verbesserungen bei der Konstruktion, die es den Einheiten ermöglichen, der zerstörerischen Kraft eines Absturzes besser standzuhalten. Frühere Modelle mussten nur etwa 100 g (100-fache Schwerkraft) aushalten, was ungefähr der Kraft entspricht, wenn man aus etwa 3 m über dem Boden auf eine Betonoberfläche fällt. Um die tatsächlichen Crashbedingungen besser zu simulieren, wurden die Anforderungen 1965 auf 1.000 Gs für fünf Millisekunden und später auf 3.400 Gs für 6,5 Millisekunden erhöht.

Heutzutage müssen große Verkehrsflugzeuge und einige kleinere Verkehrs-, Geschäfts- und Privatflugzeuge von der FAA mit einem Cockpit-Sprachaufzeichnungsgerät und einem Flugdatenaufzeichnungsgerät ausgestattet sein. Im Falle eines Absturzes können die Blackboxes geborgen und noch versiegelt an das National Transportation Safety Board (NSTB) zur Analyse geschickt werden.

Komponenten

Der Flight Data Recorder und der Voice Data Recorder (oder Cockpit Voice Recorder) sind aus ähnlichen Komponenten aufgebaut. Beide beinhalten ein Netzteil, eine Speichereinheit, eine elektronische Controllerplatine, Eingabegeräte und eine Signalleuchte.

Stromversorgung

Sowohl FDRs als auch CVRs werden mit einer Doppelspannungsversorgung (115 VAC oder 28 DC) betrieben, was den Einheiten die Flexibilität verleiht, in einer Vielzahl von Flugzeugen verwendet zu werden. Die Batterien sind für 30 Tage Dauerbetrieb ausgelegt und haben eine Haltbarkeit von sechs Jahren.

Crash Survivable Memory Unit (CSMU)

Die CSMU ist so konzipiert, dass sie 25 Stunden digitale Fluginformationen speichert. Die gespeicherten Informationen sind von sehr hoher Qualität, da die hochmoderne Elektronik des Gerätes es ermöglicht, Daten in unkomprimierter Form zu speichern.

Integrierter Controller und Schaltkreisplatine (ICB)

Diese Platine enthält die elektronische Schaltung, die als Schalttafel für die eingehenden Daten dient.

Flugzeugschnittstelle

Dieser Port dient als Anschluss für die Eingabegeräte, von denen Blackboxen alle ihre Informationen über das Flugzeug beziehen. Die FDR-Schnittstelle empfängt und verarbeitet Signale von einer Vielzahl von Instrumenten an Bord des Flugzeugs, wie z. die normalerweise irgendwo auf dem Overhead-Instrumentenbrett zwischen den beiden Piloten montiert ist. Das Mikrofon soll Geräusche aufnehmen, die Ermittlern bei der Bestimmung der Unfallursache helfen können, wie etwa Motorgeräusche, Überziehwarnungen, Fahrwerksaus- und -einfahrbewegungen sowie andere Klick- und Knackgeräusche. Diese Geräusche können helfen, den Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem bestimmte absturzbezogene Ereignisse aufgetreten sind. Das Mikrofon überträgt auch die Kommunikation mit der Flugsicherung, automatisierte Funkwetter-Briefings und Gespräche zwischen Piloten und Boden- oder Kabinenpersonal.

Unterwasser-Locater Beacon (ULB)

Jeder Rekorder kann mit einem Underwater Locator Beacon (ULB) ausgestattet sein, um im Falle eines Überwasserunfalls bei der Identifizierung seines Standorts zu helfen. Das Gerät, informell als "Pinger" bekannt, wird aktiviert, wenn der Rekorder in Wasser eingetaucht wird. Es sendet ein akustisches Signal auf 37,5 KHz, das mit einem speziellen Empfänger erkannt werden kann. Der Der Flight Data Recorder (FDR) ist ein miniaturisiertes Computersystem, das eine Vielzahl von Flugdaten aufzeichnet Flugzeug, einschließlich seiner Fluggeschwindigkeit, Position und Höhe. Das System ist in einem schweren Metallbehälter untergebracht, der so konstruiert ist, dass er den Belastungen eines Aufpralls standhält. Beacon kann aus Tiefen bis zu 4.200 m senden.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Der Schlüssel zur Herstellung einer erfolgreichen Blackbox besteht darin, sie so unzerstörbar wie möglich zu machen. Dies geschieht durch Umhüllen der Komponenten mit einer mehrschichtigen Schutzhülle. Die verschiedenen Hersteller von Blockflöten haben jeweils ihr eigenes proprietäres Design, aber im Allgemeinen kann der Herstellungsprozess wie folgt beschrieben werden:

1. Die Schlüsselkomponenten (das Netzteil, die Schnittstellen-/Controller-Platine und die Speicherschaltungen) werden als separate Einheiten gebaut und dann zusammengebaut, um die vollständige Blackbox zu bilden. Dieser modulare Ansatz ermöglicht einen einfachen Austausch der Komponenten ohne Demontage des gesamten Geräts. Jede dieser Komponenten hat ihre eigenen speziellen Montageanforderungen, jedoch wird dem Schutz der Speichereinheit größtes Augenmerk geschenkt, da sie die Daten enthält, die für die Ermittler von Interesse sind.
2. Eine mehrschichtige Konfiguration wird verwendet, um sicherzustellen, dass die integrierten Schaltkreise der Speichereinheit angemessen geschützt sind. Die äußerste Schicht ist das Gehäuse, das aus einer Stahlpanzerplatte besteht.
3. Darunter befindet sich eine Isolierschicht, gefolgt von einer dicken Paraffinplatte, die einen Wärmeblock bildet. Wenn das Paraffin schmilzt, nimmt es Wärme auf und hält daher die Temperatur des Speicherkerns niedriger.
4. Unter dem Paraffin liegt die Platine mit den Speicherchips.
5. Unter der Speicherplatine befindet sich ein weiterer Paraffin-Wärmeblock, gefolgt von einer weiteren Isolierschicht. Die gesamte Baugruppe ist auf einer Stahlplatte montiert, die als Zugangsabdeckung dient.
6. Die zusammengebaute Crash Survivable Memory Unit wird dann mit vier großen Halteschrauben an der Vorderseite eines schweren Metallplatten-Montageregals festgeschraubt. Das Netzteil ist direkt hinter der CSMU angebracht.
7. Die Schnittstellen- und Steuerplatine (ICB) wird mit Schrauben an der Unterseite des Montagefachs befestigt. Eine Metallabdeckung schützt das Board und bietet einfachen Zugang.
8. Das Underwater Locator Beacon (ULB) ist an den beiden Armen befestigt, die sich von der Vorderseite der Speichereinheit erstrecken. Der ULB ragt aus dem Gehäuse heraus und hat eine zylindrische Form, die es ermöglicht, ihn als Griff für das gesamte Gerät zu verwenden. Soll der Blockflöte ohne ULB verkauft werden, wird stattdessen ein hohles Metallgriffrohr verbaut.
9. Die Außenhülle ist leuchtend orange oder rot lackiert, um sie bei einem Crash besser sichtbar zu machen.

Qualitätskontrolle

Nach der Herstellung werden die Einheiten einer Reihe von zermürbenden und etwas bizarren Foltertestbedingungen ausgesetzt. Black Boxes werden aus Kanonen geschossen, von dünnen Stahlstangen durchbohrt, an Gewichten von 500 lb (227 kg) befestigt und aus 3 m über dem Boden fallen gelassen, in einem Schraubstock mit einem Druck von 5.000 lb (2.270 kg) zerquetscht, gekocht mit einer Lötlampe für eine Stunde bei 2.012 ° F (1.100° C) und einen Monat lang unter das Äquivalent von 20.000 ft (6.000 m) Meerwasser getaucht. Nach einem solchen Test ermöglicht der integrierte Mikroprozessor eine Vielzahl von Diagnosen, um sicherzustellen, dass das Gerät richtig funktioniert. Die Highspeed-Schnittstelle ermöglicht das Einchecken der gesamten Speichereinheit in weniger als fünf Minuten. Diese Bewertung kann im Werk durchgeführt werden, um die einwandfreie Funktion des Geräts zu überprüfen, und dann nach der Installation erneut, um sicherzustellen, dass es noch richtig funktioniert. Gemäß Vorschriften müssen Flugschreiber für neu hergestellte Flugzeuge mindestens 28 kritische Faktoren wie Zeit, Höhe, Fluggeschwindigkeit, Kurs und Flugzeuglage genau überwachen. Die durchschnittliche Zeit zwischen den Ausfällen dieser Geräte sollte mehr als 15.000 Stunden betragen und sie sind wartungsfrei ausgelegt. Wenn das Gerät alle oben beschriebenen Tests besteht, erfüllt es die von der FAA (Bundesluftfahrtbehörde) festgelegten Anforderungen.

Die Zukunft

Für die Hersteller von Blackboxen entfaltet sich bereits die Zukunft. Smith Industries, ein bedeutender Anbieter von Flugschreibern, hat kürzlich angekündigt, ein einziges Gerät zu entwickeln, das separate FDR- und CVR-Einheiten ersetzen wird. Ihr Gerät ist als Integrated Data Acquisition Recorder (IDAR) bekannt und integriert Flug- und Sprachdaten in einer einzigen Box-Konfiguration zusammen mit einem Datenübertragungssystem zum Abrufen von Wartungsdaten. Die Einführung des IDAR ermöglicht eine Reduzierung des kritischen Systemgewichts um 25 %. Interessanterweise geht diese neue Richtung in der Produktentwicklung gleichzeitig mit einer neuen Gesetzgebung einher, die die Aufzeichnung von Daten in Verbindung mit Flugsicherungsnachrichten obligatorisch macht. Dieses neue Gesetz würde verlangen, dass Blackboxes noch mehr Informationen enthalten. Wahrscheinlich werden sich die Hersteller von Flugaufzeichnungsgeräten der Herausforderung stellen und Blackboxen entwickeln, die immer mehr Informationen in immer kleiner werdenden Paketen speichern können.