飞机航行记录仪：黑匣子（Black Box）
黑匣子（black box）通常指飞行数据记录仪，或飞行信息记录系统。现代商用飞机一般安装两个黑匣子，分别是“驾驶舱语音记录器”和“飞行数据记录器”，用于航空器事故的调查、维修和飞行试验。黑匣子可以用来记录飞机在飞行过程中的各种参数，如飞行的时间、速度、高度、飞机倾斜度、发动机的转速及温度等，以及驾驶员与乘务人员和各个塔台之间的对话等。当飞机发生故障或事故时，找到黑匣子，从中读出记录的各种数据，能够帮助技术人员分析飞机出现故障或失事的原因。
两种黑匣子的外观
黑匣子的外壳由很厚的钢板和多层绝热防冲击保护材料构成，通常安装在飞机尾部最安全的部位，以防止其在空难中损坏。国际航协对黑匣子有明确要求，比如在耐高温方面，对于1000摄氏度左右的高温要能承受30分钟左右；耐水浸方面，正常情况下要保证半年以上。在耐酸碱、耐冲击等方面也都有一定要求，只有符合要求的黑匣子才能装在飞机上。
随着科学技术的不断发展和完善，黑匣子技术已经不再局限于飞机领域，而是被广泛应用到各个领域，如导弹、火箭、潜艇、轮船、汽车等，用来记录各种目标对象在运行过程中的各项性能参数。
黑匣子是航空器失事后查明事故缘由最为科学、可靠且有效的方式。从现代黑匣子的工作原理而言，航空器在通电后，黑匣子即自动开启工作状态，并不受人为影响与控制。其能够实时记录航空器各系统的运行状态、飞行员对于航空器的操作情况以及航空器上相关音频信息，且黑匣子记录的数据信息不可删节或更改。根据民航业要求，黑匣子所采集的实时信息，必须保存断电前至少25小时以上的飞行数据以及最后2小时的音频信息。
黑匣子作为一种事关飞行安全的重要航空电子设备，具有抗强冲击、抗穿透、抗高温火烧、抗深海压力、耐海水浸泡、耐腐蚀性液体浸泡等特种防护能力，能在各种飞机事故中保存其内部存储的信息。
按照黑匣子的用途，它被形象地称为“法官”、“教官”和“医生”。所谓法官，是基于飞行事故调查的用途，事故发生后通过找回黑匣子，对数据译码分析，可以判定事故真正原因，避免同类事故再次发生；所谓教官，是指在飞行员监控方面的功能，通过日常分析黑匣子的数据，纠正飞行员不良驾驶习惯，预防事故发生；所谓医生，则是在飞机故障诊断与维护方面的作用，通过对黑匣子数据进行日常分析，监控、预测飞机主要部件的健康状态，排查故障隐患，防止故障发展为事故。
为了事故调查时获取客观、全面的信息，黑匣子记录数据的种类和数量不断增加。数据种类从最初的飞行、音频数据，拓展到了视频和数据链数据；参数数量从最初的五个逐步发展到几百个甚至上千个。飞行数据一般包括飞机和发动机运行状态、飞行员操纵情况、飞机外部信息等；音频数据一般包括正、副驾驶员的通话、飞机与地面的通话、机组之间的通话以及驾驶舱环境声音等；视频数据一般包括驾驶舱仪表显示、飞行员动作、飞机前方视景、起落架收放状态等。通过专用数据回放软件，可用黑匣子数据直观真实地再现飞机飞行过程，自动分析飞机可能存在的故障隐患和人员操作异常，预防故障或事故发生，极大地提高了航空飞行安全水平。
黑匣子在飞机上放置位置
按照航空法的规定，在大型商业飞机上必须安装飞行数据记录器(FDR)。飞行数据记录器在发动机工作（或飞机离地）后，自动实时地记录飞机的飞行状态参数和发动机工作状态参数，为分析飞行情况及飞机性能提供必要的数据。因此，飞机制造厂根据试飞数据改进设计方案或制造工艺，消除飞机上的各种隐患，使飞机有更好的安全性能和经济性能；在飞行培训中，可利用记录的数据来评定驾驶员的驾驶技术，确保训练质量；航空工程部门根据数据的衰变，快速准确地判明飞机的故障、飞机性能及发动机性能的变化趋势，以便确定维修实施程序进行维修。此外，当飞机出现事故后，可以根据记录数据帮助分析事故原因等。
机载飞行数据记录器记录飞机最近25 小时的实时飞行状态参数与系统数据以及飞机系统工作状况和发动机工作参数等。飞行数据记录器从最初仅记录几个参数发展到可记录几十类上万个参数。例如，时间、航向、高度、空速、垂直加速度、发射监控信号、发动机参数、襟翼位置、横滚角、俯仰角、纵轴和横轴的加速度、飞行控制舵面的位置、无线电导航信息、自动驾驶仪的工作情况、大气温度、电源系统的参数和驾驶舱警告等。
黑匣子抗冲击试验
现代飞行数据记录器有两种类型，一种是磁带式飞行数据记录器，另一种称为数字式飞行数据记录器。飞机大多选用数字式飞行数据记录器为固态飞行记录器存储数据。为使记录器上的信息在较为恶劣的环境下不丢失，记录器必须具有抗坠毁、耐火烧、耐海水和各种液体浸泡的能力。
黑匣子高温火烧试验
数字式飞行数据记录器系统(DFDRS)包括：飞行数据记录器、飞行数据获取组件、加速度传感器、控制面板和水下定位装置等。飞行数据记录器安装在一个防震的涂成黄色或亮橙红色的盒子里，其坚固的壳体对内部器件起着保护作用。盒子安装在飞机尾舱附近，能经受极高的冲击力，并防火、防水。
沿飞机三轴安装的加速度传感器，测量飞机的纵向、横向和航向加速度，并将测量数据输送给飞行数据获取组件；飞行数据获取组件由飞机系统中获取数据，并输送给飞行数据记录器记录。
飞行数据记录器控制面板置于驾驶舱内，控制板上安装有一个控制开关和故障指示灯，人工可将该开关置于“正常”位置，意味着处于正常工作状态．当发动机工作后便自动进入记录方式。如开关处于“检查”位置，则处于地面检查方式，供地面测试飞行数据记录器使用。控制板上的故障指示灯用来向飞行人员提供记录系统故障报警的目视信号。当飞行数据记录器失效时，失效警告灯点亮。
航班/日期编码器包括六个人工调定的拇指轮和事件(EVENT)、重复(REPEAT)按钮以及剩余时间指示器。拇指轮中的前四个用于给定航班号，后两个用于给定日期。事件按钮供飞行员记录发生的事件，当飞行员发现某一异常情况时，可立即按下此按钮，记录器便记下此时的信号。重复按钮在开始飞行或飞行中某一时刻按下时，将航班和日期编码写入飞行记录器，当编码器工作时，指示灯点亮。 ]
水下定位装置，即飞行数据记录器上安装的水下信标发射器，可使记录器在深水中定位，发射器的发射距离为2-3米。发射器具有一个独立的电源，一旦进入水中立即开始工作，并能连续工作30天。
黑匣子静态挤压试验
飞行数据记录器采用数字方法记录和存储数据。对于要求安装FDR的系统，必须能记录飞行中的一些重要参数。如：时间、高度、空速、垂直加速度、航向、无线电发射键控状态、俯仰姿态、横滚姿态、横向加速度、驾驶杆或升降舵的位置、俯仰配平的位置、驾驶盘或副翼的位置、方向舵脚蹬或方向舵的位置、每台发动机的推力、发动机反推的位置、后缘襟翼或襟翼手柄的位置、前缘襟翼或襟翼手柄的位置等。飞行数据记录器记录参数的多少取决于记录器的形式和飞机本身的需要。
驾驶舱语音记录器（CVR）主要记录飞机机组人员通信信息，包括飞机机组人员通信、声音警告、飞机接收和发送的数据链信息。驾驶舱语音记录器除对驾驶舱语音进行记录外，同样可以记录无线电接口装置通过 ARINC429总线传输来的数据链信息。一个UTC时钟输入用于同步语音记录器和飞行数据记录器。CVR收集音频记录和可用的数据链信息并以“先进先出”的方式存储。语音信息最少可记录120分钟的数据。数据都存储在防撞击记忆装置 CSMU的固态存储器内，该存储器经过坠毁撞击或浸泡在水里仍能保存。
驾驶舱语音记录器上有4条音轨，分别用来记录飞行员与航空管制员的通话，正、副驾驶员之间的对话，驾驶员、空服员对乘客的广播以及驾驶舱内的各种声音(引擎声、警报声等)。录完后，会自动从头录起。依照法规，所安装的语音记录器应该保留运行过程中至少最后2小时所记录的信息。
语音记录器和飞行数据记录器一样，安装在飞机尾舱后部的一个盒子里。该盒子也是黄色或橙红色的，防冲击、防震、防火、防水。通常必须独立于飞行数据记录器。语音记录器从飞行前启动发动机之前使用检查单开始，到飞行结束完成最后的检查单为止．始终连续工作。
驾驶舱语音记录器主要由记录器和控制板组成。早期的语音记录器采用磁带作为记录介质，现代飞机多采用固态的语音记录器，即将数据存储到半导体芯片上。语音记录器控制板用于对记录器进行远距离的控制和测试。
2023年，美国联邦航空局（FAA）3月16日在一份声明中表示，它计划延长驾驶舱语音记录器（CVR）的记录时间，要求CVR能捕捉长达25小时的驾驶舱声音，目前CVR仅被要求记录2小时。
随着航空器制造水准的不断提升以及对于飞行安全的迫切需求，黑匣子从诞生至今，亦经历着数次的更新换代。
第一代
第一代黑匣子
20世纪50年代初所诞生的第一代黑匣子，系在航空器试飞记录设备的基础上所研发的。其主要依靠针头在金属箔上所刻画的痕迹来显示数据曲线，通常仅能记录为数不多的飞行基本参数。
第二代
第二代黑匣子
20世纪50年代末至60年代初，经过更新后的第二代黑匣子，主要借助于磁带机工作原理，并在机器外侧加装了具有耐火、耐撞的保护外罩。同时，第二代黑匣子已能满足抗静态挤压、抗穿透、耐海水以及腐蚀液体浸泡的要求。在具体功能上，第二代黑匣子中出现了驾驶舱话音记录器，且记录的飞行参数也增加至了数十个。
第三代
第三代黑匣子
随着微电子技术的迅猛发展，20世纪90年代起诞生了第三代的黑匣子。其采用半导体材料来作为数据记录的储存设备，所记录的参数已上升至数百个，且功能已从单纯的飞行事故调查，外延至日常飞行监控以及飞行维护与故障诊断。随着对于航空器坠毁时黑匣子破坏情形研究的不断深入，第三代黑匣子的抗强冲击指标已提升至3400g重力加速度，而在1100摄氏度高温下的耐火时间达到60分钟，耐海水浸泡时间则为30天，且新增了耐6000米深海压力标准。
第四代
当前，新一代的黑匣子已经出现，其不仅可以对视频数据予以记录，且记录的参数也高达数千个，并能通过卫星定期传输黑匣子的关键信息数据。此外，新型黑匣子的抛放式功能，令其在航空器坠毁时能够自动与机体分离，且具备无线电、卫星定位及水面漂浮功能，最大限度地提升了黑匣子的生存能力。
下一代飞行记录仪 Next Generation Flight Recorders
记录飞行数据和驾驶舱音频的当前版本的飞行记录器已经使用了几十年，除了存储介质之外几乎没有变化。这种缺乏变化并不是因为技术停滞不前，而是来自行业的阻力。
目前飞行记录仪最明显的改进是能够录制视频。这项技术已经开发出来，现在可以使用。空中客车直升机公司开发了Vision 1000系统，该系统通过内置陀螺仪记录机组人员头部后面的视频和惯性数据。该装置重半磅，内置存储器可以录制2小时的音频和视频（视频以每秒4帧的速度录制），以及200多小时的惯性飞行数据。此外，可移动SD卡可以记录双倍的音频和视频。这允许趋势监测和更高效的维护，以及增强的事故调查能力。
视频是飞行记录仪最显著的改进，但它肯定不是唯一的。已经开发了允许两个独立的飞行记录器的设计，其中一个记录器在事故发生前自动与飞机分离，从而提高了生存能力。
飞行记录仪的下一代改进涉及数据存储。马来西亚航空公司370航班神秘失踪后，人们对事故后找到飞行记录仪的可行性提出了质疑。
找到飞行记录仪可能会带来很大的问题和成本，而且通常需要花费大量的时间。法航447航班的飞行记录仪在事故发生近两年后才被发现，尽管飞机残骸是在事故发生五天后发现的。
随着卫星技术的进步和成本的降低，已经开发出通过卫星将飞行数据流式传输到地面基地的系统。这消除了对物理存储介质的需要，或者允许两个系统并行记录数据。目前，物理固态飞行记录仪是必要的，不会很快被取代。
黑匣子在陆地的定位主要依靠人工目视，找到飞机残骸后，利用黑匣子外表明亮、独特的颜色和反光标识进行搜寻。 在确定大致位置范围后，即使黑匣子埋入土中，也可用金属探测仪等探地工具寻找。
黑匣子在水下定位主要依靠水下定位信标（ULB，Underwater Locator Beacon）。它是一个电池供电的水下超声波脉冲发生器，牢固地安装在黑匣子外部。一旦黑匣子入水，信标上的水敏开关启动信标工作，通过信标的金属外壳把频率为37.5kHz的超声波信号发射到周围水域，每秒一个脉冲。其内置电池可连续工作至少30天，30天后随着电量逐渐耗尽，超声波信号将越来越微弱直至停止工作。
信标可以在6096米的深度内发出超声波，但在距离信标1800~3600米的范围内才能够被仪器探测到，海水的状态、周围的船只、海洋动物、石油管道以及其他因素造成的周围噪音都会影响信标的被探测范围。
水下定位信标发出信号时，可以通过专用声呐探测仪进行定位。由于信标信号的可探测范围相对于大海而言极其有限，一般先要进行残骸大致范围定位，然后再通过拖曳式声呐缩小定位范围，最后再使用可以定位信号来源方向的水听器，定位黑匣子的方位。
如果黑匣子沉入浅海，可由潜水员进行打捞。如果黑匣子沉入深海，超过人工潜水深度时，需要使用专门的搜索、打捞设备，一般可使用轮船放下水下线控机器人，操作人员在船上通过综合显示控制台，控制机器人携带的海底声呐扫描设备、信标方位定位器、深海摄像头定位黑匣子，通过机械手打捞黑匣子。 [9]
虽然黑匣子带有水下定位信标，但由于信标作用距离仅为几千米，坠毁时可能与黑匣子分离，一旦打捞时间超过30天，定位信号可能消失，造成黑匣子定位困难。即使定位成功，深海打捞也存在难度大、时间长、费用高，甚至无法打捞等问题。据统计，1970-2009年，大型民用航空器在公海坠毁的36起事故中有4起未找到飞机残骸、9起未找到黑匣子，反映出水下定位信标定位方式存在一定的局限性。
除了黑匣子能够在飞机事故后发出定位信号，民航规章要求载客19人以上的飞机必须至少装备一台应急定位发射机（ELT，Emergency Locator Transmitter），其在事故后通过无线电和卫星方式发送定位信号。但如果在水面失事时幸存人员来不及携带和打开ELT，或ELT与残骸一同沉入水下，其就会失去作用。据统计，近年来飞行事故中ELT发挥了作用的仅为29%。从目前得到的信息看，MH370航班的多个ELT设备均还没有发挥作用。
此外，虽然传统黑匣子的抗坠毁性能标准在不断提高，然而在一些严重事故中，黑匣子损坏的情况仍时有发生。据统计，陆地坠毁的飞机中黑匣子存活率仅为82%。
黑匣子抛放减速坠海示意图
为了解决水上事故后定位打捞黑匣子困难以及陆地事故后黑匣子存活率达不到100%的难题，抛放式黑匣子应运而生。此类黑匣子可通过其坠毁感知传感器监控飞机事故时触地或坠海瞬间的特征参数异常变化，迅速控制其与机体抛放分离，原理与汽车在撞击瞬间释放安全气囊相似。黑匣子在事故瞬间离机后，如果落在陆地，可避免机体残骸的冲击和火烧等破坏；如果落在海上，可避免随机体坠入海底，其设计还可保证以预定的姿态漂浮在海面上。之后，黑匣子通过无线电和卫星自动发送定位信号。定位抛放黑匣子的过程首先是通过搜救卫星406MHz频率初步确定搜寻范围，然后再通过121.5MHz频率的无线电定位仪完成定位，卫星可实现全球定位，无线电定位范围通常为几十到几百千米。
由于具有以上特点，抛放式黑匣子不但便于事故后搜寻和打捞，同时可作为传统黑匣子的备份提高数据存活率。
黑匣子的存储芯片并不大，一般只有32MB，通过堆叠阵列的形式排列，总体存储大小在1～4GB。而每一个32MB的存储芯片都可以记录超过120分钟的通话记录和100小时的飞行数据。 黑匣子的压缩格式用的是ARINC 573协议。这种协议最大的好处就是可以将二进制代码变成图形来压缩。
中国的飞机黑匣子技术虽然起步较晚，但紧跟国际民航标准，产品发展也历经了四代。中国已经建有国家级飞机黑匣子坠毁防护性能验证试验室，1978年研制了中国第一台磁带式黑匣子；1990年研制出了中国第一台采用半导体记录介质的黑匣子；1991年取得中国第一个机载设备适航证；2000年成功研制了紧跟TSO-C124a标准的黑匣子；2012年成功研制了抗飞机高速坠毁的黑匣子，超出TSO-C124b标准要求。研发的新型抛放式黑匣子，具备水上漂浮、无线电和卫星定位功能。
中国在抛放式黑匣子领域紧跟国际发展。根据最新国际标准，已研制出相关产品，具备坠毁前抛放功能，离机后能抗一定的冲击和火烧，具有漂浮功能，内部装有无线电定位信标、北斗卫星定位信标，可在复杂海况下工作。特别是内置的北斗卫星定位信标，可以坠毁后立即定位，性能优于通用的国际救援卫星系统，后者有平均1小时的定位延迟时间，还可以通过短报文功能直接向地面指挥中心发送报警和定位数据，以便第一时间准确定位和搜救打捞，提高了事故救援效率，缩短了事故调查时间。该系统的北斗短报文功能也可配置为正常飞行过程中飞机关键信息的定期报告。
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