جعبه سیاه چیست؟نحوه ساخت آن
جعبهٔ سیاه، یا ضبطکننده اطلاعات پرواز در هواپیما (و همچنین در کشتی، بالگرد(هلی کوپتر) و فضاپیماهای سرنشین دار) ابزاری است که در طول پرواز جهت ذخیره پارامترهای خاصی به کار میرود.
با بروز هر سانحهای برای یک هواپیما یا هلی کوپتر پرسش های بسیار زیادی در مورد علت سقوط هواپیما مطرح میشود. پاسخ به این سوالات به کمک این دستگاه ثبت و اطلاعات فنی پرواز و ثبت صداهای کابین و اطلاعات فنی دیگر را در اختیار مرکز قرار میدهد که در مجموعه جعبه سیاه نامیده میشود، انجام میگیرد.
این سیستمها که هر یک قیمتی حدوداً بین ۱۰ تا ۱۵ هزار دلار دارند، جزئیات پرواز را در طول مسیر ضبط میکنند. سیستم جعبه سیاه علیرغم آنچه از نامش پیداست، دارای رنگ نارنجی آتشین است. داشتن چنین رنگ شاخصی به همراه نوار انعکاس دهنده متصل شده به بخش خارجی ضبطکننده بعد از وقوع سانحه در پیدا کردن جعبه سیاه بهخصوص در هنگام سقوط هواپیما در آب، بسیار مؤثر است.
برادران رایت اولین کسانی بودند که از این سیستمها استفاده کردند. آنها از وسیلهای برای ضبط چگونگی چرخش پرههای ملخ استفاده میکردند. اما استفاده گسترده از اینگونه سیستمها تا پیش از جنگ جهانی دوم آغاز نشد. این سیستم در واقع بیشتر اطلاعات مربوط به نحوه عملکرد هواپیما را ضبط مینمود. با این وجود استفاده از جعبه سیاه بعد حملات یازده سپتامبر بسیار جدی تر دنبال شد.
پارامترهای ضبط شده
جعبه سیاه پارامترهای پروازی را ضبط میکند. حساسههای زیادی از قسمتهای مختلف هواپیما از طریق سیمکشی به سیستم FDR مرتبط شدهاند. زمانی که کلیدی روشن یا خاموش میشود، عملیات آن توسط سیستم FDR به ثبت میرسد. کمیت و بازه اطلاعات ضبط شده توسط این سیستم به میزان زیادی متفاوت بوده و به عمر و اندازه هواپیما وابسته است. طبق استانداردهای هوایی حداقل اطلاعاتی که باید توسط این سیستم ضبط شود شامل موارد زیر است:
زمان
شتاب عمودی هواپیما
موقعیت دستهٔ کنترل پرواز
موقعیت پدال کنترل رادار
موقعیت فرامین هواپیما
تثبیتکننده وضعیت افقی هواپیما
جریان سوخت
سرعت
ارتفاع فشاری
جهت مغناطیسی هواپیما
شتاب طبیعی هواپیما
روشن و خاموش شدن میکروفون
زمان ارتباطهای رادیویی برقرار شده توسط خدمه را ضبط میکند و برای تطبیق اطلاعات ضبط شده توسط دستگاه ثبت اطلاعات فنی پرواز (FDR) و دستگاه ثبت صداهای کابین و هواپیما (CVR) بکار میرود. سیستمهای کنونی به منظور بررسی تمامی جهات عملکردی هواپیما تا صدها پارامتر را ضبط میکنند.
روش ضبط اطلاعات
جعبههای سیاه معمولاً اطلاعات ۲۵ ساعت آخر پرواز را ضبط میکنند. جعبههای سیاه قدیمیتر از نوارهای مغناطیسی که همانند نوار ضبط صوت عمل میکنند، با استفاده از هد الکترومغناطیسی به ثبت اطلاعات میپردازند. از سال ۱۹۹۰، سازندگان سیستم جعبه سیاه به سمت استفاده از تکنولوژیهایی پیش رفتهاند که در آن قطعهٔ متحرک وجود نداشته باشد، و جعبههای سیاه مدرن به جای نوارهای مغناطیسی بکار رفته در نوع متوسط آن از تراشههای حافظهٔ الکترونیکی استفاده میکنند.
رمزگشایی اطلاعات
مرکز تحقیقات اطلاعات پرواز بریتانیا در فارنبورو یکی از سه مرکزی در اروپا است که اطلاعات ثبت شده در جعبه سیاه هواپیماها را بررسی میکند. این مراکز بسیار محرمانه هستند و بر اساس قوانین بینالمللی تنها بازرسان این مراکز و خدمه پرواز اجازه ورود به آنها را دارند. تحقیقات در این مراکز در اتاقهای عایق صوتی با قفلهای مغناطیسی انجام میشود تا جلوی هر گونه شنود الکترونیک گرفته شود. در چهار دیواری این اتاقهای عایق، بلندگوهایی نصب شده تا حال و هوای داخل هواپیما را بازنمایی کنند.
در صورت بیرون کشیدن جعبه سیاه از آب، متخصصان ابتدا جعبه سیاه را در آب مقطر غوطهور میکنند تا سرعت خوردگی آن را کمتر کنند و سپس آن را به صورت کامل خشک میکنند. برای این کار جعبه سیاه را سه روز در محفظههای خشک کن قرار میدهند. در این محفظه تمام آب جعبه سیاه کشیده میشود تا رطوبت باعث از دست رفتن اطلاعات نشود. متخصصان وقتی مطمئن شدند احتمال از دست رفتن اطلاعات منتفی شده شروع به گوش دادن و بررسی اطلاعات ضبط شده میکنند. متخصصان به صداهای پس زمینه نیز با دقت گوش میکنند که زیرا میتواند اطلاعاتی مثلاً دربارهٔ کارکرد موتورها فراهم کند. وقتی اطلاعات آماده شد، متخصصان با ترکیب صداهای ضبط شده و اطلاعات فنی دقیق، سعی میکنند تصویری از آنچه ممکن است اتفاق افتاده باشد ترسیم کنند.
میزان مقاومت جعبه سیاه
در بسیاری از سوانح هوایی، معمولاً اسکلت و بقیه اجزاء داخلی به میزان زیادی آسیب میبینند و تنها بخشی از هواپیما که سالم میماند، واحدهای حافظه مقاوم در برابر سانحه است (CSMU)، که مربوط به دستگاههای FDR و CVR هواپیما است. دستگاه CSMU وسیلهٔ استوانهای شکل بزرگی است که به دستگاه ضبط اطلاعات متصل شدهاست. این وسیله به گونهای ساخته شدهاست که در برابر گرمای شدید، سقوطهای سخت و فشارهای بالای چند تُن مقاوم است. در نمونههای قدیمی نوارهای مغناطیسی این بخش درون یک جعبه مستطیل شکل قرار میگرفت.
قسمتهای خارجی جعبه سیاه
غشاء آلومینیومی جیوه مانند : لایه نازکی از آلومینیوم است که اطراف کارتهای حافظه را فرا گرفتهاست.
عایق مقاوم در برابر حرارت شدید: این بخش که شامل ماده سیلیس خشک است، با داشتن ضخامتی در حدود یک اینچ، پوشش حرارتی مقاومی را ایجاد میکند و در صورت بروز آتشسوزی از واحد حافظه محافظت میکند.
لایه استنلس استیل: عایق حرارتی فوق، در پوشش محافظ فولادی ضدزنگی که تقریباً یک چهارم اینچ ضخامت دارد، قرار میگیرد که البته برای مقاومت بیشتر آن از تیتانیوم هم در قسمتهای بیرونی استفاده میشود.جعبههای سیاه علاوه بر این به یک راهنمای یابنده زیرآبی یا ULB نیز مجهز میشوند.
در صورت سقوط هواپیما در آب، این بخش امواج مادون صوتی منتشر میکند که توسط گوش انسان شنیده نمیشود ولی به سرعت توسط سنسورها و تجهیزات آکوستیکی موجود تشخیص داده میشود. سنسور موجود درون این بخش به محض تماس با آب، آن را فعال میکند. فرکانس پالسهای فرستاده شده توسط ULB برابر ۳۷٫۵ کیلوهرتز بوده و از عمق ۲۰ هزار پایی دریا توان رسیدن به سطح را دارند. زمانی که ULB فعال میشود، در هر ثانیه یک بار به صدا در میآید و این عمل را تا ۳۰ روز انجام میدهد. واحد ULB توسط باتری کار میکند و احتمال آسیب دیدگی آن در اثر ضربات شدید بسیار کم است.
پس از یافتن جعبه سیاه و انتقال آن به آزمایشگاه اطلاعات از روی ضبطکنندهها پیاده شده و تلاش برای بازسازی سانحه آغاز میشود. این فرایند تا تکمیل شدن میتواند هفتهها یا ماهها ادامه یابد. در حال حاضر تولیدکنندگان این سیستم در آمریکا، NTSB را برای تحلیل کامل اطلاعات ذخیره شده در ضبطکنندهها به سیستمهای بازخوانی و نرمافزارهای لازم برای انجام این امر مجهز مینمایند.
در صورتیکه جعبه سیاه آسیب ندیده باشد، محققان به آسانی میتوانند با اتصال آن به سیستم بازخوانی، اطلاعات ذخیره شده را بخوانند. اما در بسیاری از موارد پس از یافتن ضبطکنندهها از میان لاشه هواپیما، واحد حافظه الکترونیکی آن را خارج کرده و پس از تمیز کردن آن، یک کابل رابط بر روی آن نصب کرده و حافظه را مستقیماً به یک دستگاه بازخوانی حافظه متصل مینمایند. این دستگاه دارای نرمافزار مخصوصی است که اطلاعات را بدون کوچکترین کم و کاستی بازخوانی میکند.
جعبه سیاه (شامل FDR و CVR) هر دو سیستمهای ارزشمندی برای هواپیما محسوب میشوند و از آنجائیکه معمولاً تنها بخش سالم باقیمانده از هواپیما هستند مهمترین کلید در فهم چگونگی بروز سانحه میباشند.
واما
در دهه 1940، زمانی که هوانوردی تجاری با جهش و مرز رشد کرد، یک سری تصادفات، هیئت هواپیمایی غیرنظامی را تشویق کرد تا اهمیت دادههای پرواز را جدیتر بگیرد. آنها با تعدادی از شرکت ها کار کردند تا روش قابل اعتمادتری برای جمع آوری داده ها ایجاد کنند .جنرال الکتریک با توجه به این چالش، سیستمی به نام “selsyns” را توسعه داد که شامل یک سری الکترودهای ریز بود که مستقیماً به ابزار هواپیما متصل بودند. این حسگرها اطلاعات را به یک ضبط کننده در پشت هواپیما متصل می کردند.
(ضبطکنندهها معمولاً در قسمت دم هواپیما ذخیره میشوند، زیرا این منطقه قابل تحملترین و امن ترین منطقه هواپیما است.)
مهندسان جنرال الکتریک بر تعدادی از چالشهای فنی در طراحی سلسینها غلبه کردند. به عنوان مثال، آنها هوشمندانه تشخیص دادند که شرایط ارتفاع زیاد فشار و دمای پایین باعث میشود جوهر مورد استفاده در دستگاههای ضبط یخ بزند یا قلمها را مسدود کند. راه حل آنها یک سیستم ضبط بود که به یک قلم برای برش تصویر به کاغذ سیاه پوشیده شده با لاک سفید متکی بود. با این حال، علیرغم تلاش آنها، این واحد هرگز در یک پرواز واقعی مورد استفاده قرار نگرفت. تقریباً در همان زمان، یک شرکت مهندسی دیگر، فردریک فلدر، ضبط نوار مغناطیسی اولیه را توسعه داد. با این حال، این دستگاه هرگز استفاده نشد.
فناوری جعبه سیاه تا سال 1951 پیشرفت بیشتری نکرد، زمانی که پروفسور جیمز جی رایان به بخش مکانیکی جنرال میلز پیوست. رایان در ابزار دقیق، آنالیز ارتعاشات و طراحی ماشین متخصص بود. با حمله به مشکل FDR ها، رایان با VGA Flight Recorder خودش آمد. “V” مخفف Velocity (سرعت هوا) است. “G” برای نیروهای G (شتاب عمودی)؛ و “الف” برای ارتفاع است. Ryan Recorder یک دستگاه 10 پوندی (4.5 کیلوگرمی) به اندازه یک جعبه نان با دو محفظه مجزا بود. یک بخش شامل دستگاه های اندازه گیری (ارتفاع سنج، شتاب سنج و نشانگر سرعت هوا) و قسمت دیگر شامل دستگاه ضبط بود که به سه ابزار متصل می شد.
طراحی جعبه سیاه
طراحی پارتیشن بندی شده اولیه رایان هنوز هم امروزه در ضبط کننده های پرواز استفاده می شود، هرچند که دستخوش پیشرفت های متعددی شده است. نوار مغناطیسی یک چهارم اینچی (6.4 میلیمتری) جایگزین دستگاه ضبط فیلم لاک و قلم شد که با تراشههای حافظه دیجیتال جایگزین شد. تعداد متغیرهایی که ضبط کننده ها می توانند ردیابی کنند نیز به طور چشمگیری افزایش یافته است، از سه یا چهار پارامتر به حدود 300. FDR ها اکنون می توانند ویژگی های حین پرواز مانند سرعت، ارتفاع، موقعیت فلپ، حالت خلبان خودکار ، حتی وضعیت دود داخل هواپیما را ردیابی کنند. آلارم ها در اوایل دهه 1960، صنعت هواپیمایی قابلیت ضبط صدا را با ضبط صدای کابین خلبان (CVR) اضافه کرد.
اما شاید مهمترین پیشرفت در ساخت ضبطکننده پرواز، پیشرفتهای ایجاد شده در ساخت آن بوده است که به واحدها اجازه میدهد در برابر نیروی مخرب سقوط بهتر مقاومت کنند. مدلهای اولیه فقط حدود 100 Gs (100 برابر نیروی گرانش) را تحمل میکردند، که تقریباً معادل نیرویی است که از حدود 10 فوت (3 متر) از سطح زمین روی سطح بتنی پرتاب میشود. برای شبیهسازی بهتر شرایط تصادف واقعی، در سال 1965 نیاز به 1000 Gs برای پنج میلیثانیه و بعداً به 3400 Gs برای 6.5 میلیثانیه افزایش یافت.
امروزه، هواپیماهای تجاری بزرگ و برخی از هواپیماهای تجاری، شرکتی و خصوصی کوچکتر توسط FAA ملزم به تجهیز به ضبط کننده صدای کابین خلبان و ضبط کننده اطلاعات پرواز هستند. در صورت تصادف، جعبه های سیاه را می توان بازیابی کرد و برای تجزیه و تحلیل به هیئت ملی ایمنی حمل و نقل (NSTB) فرستاد، همچنان مهر و موم شده است.
عناصر
از اجزای مشابه ساخته شده اند. هر دو شامل یک منبع تغذیه، یک واحد حافظه، برد کنترل الکترونیکی، دستگاه های ورودی و یک چراغ سیگنال هستند.
منبع تغذیه
هر دو FDR و CVR از یک منبع تغذیه با ولتاژ دوگانه (115 VAC یا 28 DC) استفاده میکنند که به واحدها انعطافپذیری لازم برای استفاده در انواع هواپیماها را میدهد. باتری ها برای کار مداوم 30 روزه طراحی شده اند و عمر مفیدی 6 ساله دارند.
Crash Survivable Memory Unit (CSMU)
CSMU برای حفظ 25 ساعت اطلاعات دیجیتال پرواز طراحی شده است. اطلاعات ذخیره شده از کیفیت بسیار بالایی برخوردار است زیرا تجهیزات الکترونیکی پیشرفته این واحد به آن اجازه می دهد تا داده ها را به صورت فشرده نشده نگهداری کند.
کنترلر یکپارچه و برد مدار (ICB)
این برد حاوی مدارهای الکترونیکی است که به عنوان تابلوی انتقال داده های ورودی عمل می کند.
رابط هواپیما
این پورت به عنوان اتصال برای دستگاه های ورودی عمل می کند که جعبه های سیاه تمام اطلاعات خود را در مورد هواپیما از آن به دست می آورند. رابط FDR سیگنالها را از ابزارهای مختلف روی هواپیما دریافت و پردازش میکند، مانند نشانگر سرعت هوا، آلارم هشدار داخل هواپیما، ارتفاع سنج، و غیره . که معمولاً در جایی بر روی صفحه ابزار بالای سر بین دو خلبان نصب می شود. ا
ین میکروفون برای دریافت صداهایی در نظر گرفته شده است که ممکن است به محققین در تعیین علت تصادف کمک کند، مانند صدای موتور، هشدار توقف، امتداد و جمع شدن ارابه فرود، و سایر کلیک ها و صداها. این صداها می توانند به تعیین زمانی که رویدادهای مربوط به خرابی خاص رخ داده اند کمک کنند. این میکروفون همچنین ارتباطات را با کنترل ترافیک هوایی، گزارش های آب و هوای رادیویی خودکار، و مکالمه بین خلبانان و خدمه زمینی یا کابین ارسال می کند.
چراغ یاب زیر آب (ULB)
هر ضبط کننده ممکن است به یک چراغ یاب زیر آب (ULB) مجهز باشد تا در صورت وقوع حادثه در بالای آب به شناسایی مکان آن کمک کند. این دستگاه که به طور غیر رسمی به عنوان “پینگر” شناخته می شود، زمانی فعال می شود که ضبط کننده در آب غوطه ور شود. این سیگنال صوتی را با فرکانس 37.5 کیلوهرتز ارسال می کند که با یک گیرنده خاص قابل تشخیص است. را
بیکن می تواند از اعماق تا 14000 فوت (4200 متر) ارسال کند.
فرآیند تولید
کلید ساخت جعبه سیاه موفق این است که آن را تا حد امکان تخریب ناپذیر کنید. این کار با پوشاندن اجزای داخل یک پوسته محافظ چند لایه انجام می شود. سازندگان مختلف هر کدام از طراحی های اختصاصی را دارند، اما به طور کلی خود تولید را می توان به شرح زیر توصیف کرد:
- اجزای کلیدی (منبع تغذیه، برد رابط/کنترل کننده و مدارهای حافظه) به عنوان واحدهای ساخته شده و سپس برای تشکیل جعبه سیاه تکمیل شده مونتاژ می شوند. این ماژولار اجازه می دهد تا قطعات به راحتی بدون جداسازی کل دستگاه تعویض شوند. هر یک از این اجزاء الزامات مونتاژ خاص خود را دارد، اما توجه به محافظت از یک حافظه داده می شود، زیرا حاوی آن است که مورد محققین است.
- برای اطمینان از امنیت کافی از مدارهای مجتمع واحد حافظه، از پیکربندی چند لایه استفاده می شود. بیرونی ترین لایه محفظه است که از صفحه زره فولادی تشکیل شده است.
- در زیر آن یک لایه عایق و به دنبال آن یک صفحه ضخیم از پارافین قرار دارد که یک بلوک حرارتی را تشکیل می دهد. همانطور که پارافین ذوب می شود، گرما را جذب می کند و بنابراین دمای هسته حافظه را پایین نگه می دارد.
- در زیر پارافین، برد حاوی تراشه های حافظه قرار دارد.
- در زیر برد حافظه یک بلوک حرارتی پارافینی دیگر قرار دارد و به دنبال آن یک لایه عایق دیگر قرار دارد. کل مجموعه بر روی یک صفحه فولادی نصب شده است که به عنوان پوشش دسترسی عمل می کند.
- سپس واحد حافظه قابل تحمل تصادف مونتاژ شده با چهار پیچ نگهدارنده بزرگ در جلوی قفسه نصب صفحه فلزی سنگین پیچ می شود. منبع تغذیه درست پشت CSMU وصل شده است.
- صفحه رابط و مدار کنترل (ICB) توسط پیچ به قسمت زیرین قفسه نصب متصل می شود. یک پوشش فلزی از برد محافظت می کند و دسترسی آسان را فراهم می کند.
- چراغ مکان یاب زیر آب (ULB) به دو بازویی که از جلوی واحد حافظه امتداد دارند چسبانده شده است. ULB از بدنه بیرون زده و شکل استوانه ای دارد که به آن اجازه می دهد به عنوان یک دسته برای کل دستگاه استفاده شود. اگر قرار است ضبط بدون ULB فروخته شود، یک لوله دسته فلزی توخالی به جای آن نصب می شود.
- پوشش بیرونی به رنگ نارنجی روشن یا قرمز رنگ آمیزی شده است تا در هنگام تصادف بیشتر نمایان شود.
کنترل کیفیت
پس از ساخت، واحدها در معرض یک سری شرایط آزمایش شکنجه طاقت فرسا و تا حدودی عجیب قرار می گیرند. جعبههای سیاه از توپ شلیک میشوند، با میلههای فولادی نازک میشوند، به وزنههای 500 پوندی (227 زمین) متصل میشوند و از ارتفاع 10 فوت (3 متر) از سطح زمین پرتاب میشوند، با فشار 5000 پوند (2270) له میشوند و میشوند. پخته میشوند.
با یک مشعل دمنده به مدت یک ساعت در دمای 2012 درجه فارنهایت (110 درجه سانتیگراد) و به مدت یک ماه در فوت زیر 20000 (6000 متر)آب دریا غوطه ور شد . پس از چنین آزمایشی، ریزپردازنده داخلی اجازه می دهد تا انواع تشخیصی را اجرا کند تا از عملکرد صحیح دستگاه اطمینان حاصل شود. با سرعت بالا اجازه می دهد تا کل یک حافظه در کمتر از پنج دقیقه بررسی شود. این ارزیابی را می توان در کارخانه انجام داد تا بررسی شود که دستگاه کاملاً کار می کند، سپس دوباره پس از نصب برای اطمینان از اینکه هنوز به درستی کار می کند.
طبق مقررات، ثبتکنندههای پرواز برای هواپیماهای تازهتولید شده باید حداقل ۲۸ فاکتور حیاتی مانند زمان، ارتفاع، سرعت هوا، حرکت و وضعیت هواپیما را به دقت کنترل کنند. نسبت زمان بین خرابی این دستگاه ها باید بیشتر از 15000 ساعت باشد و به گونه ای طراحی شود که بدون تعمیر و نگهداری باشد. اگر واحد تمام تستهای شرح داده شده در بالا را با موفقیت پشت سر بگذارید، الزامات تعیین شده توسط FAA (سازمان هوانوردی فدرال) را ارزیابی میکند.
آینده
آینده در حال حاضر برای سازندگان جعبه سیاه آشکار می شود. صنایع اسمیت، تامین کننده اصلی ضبط کننده های پرواز، اخیراً اعلام کرده است که در حال توسعه یک دستگاه واحد است که جایگزین واحدهای جداگانه FDR و CVR خواهد شد. دستگاه آنها به عنوان ضبط کننده یکپارچه اکتساب داده (IDAR) شناخته می شود، و داده های پرواز و صدا را در یک پیکربندی جعبه واحد، همراه با یک سیستم انتقال داده برای بازیابی داده های تعمیر و نگهداری ترکیب می کند.
معرفی IDAR امکان کاهش 25 درصدی وزن بحرانی سیستم را فراهم می کند. جالب توجه است، این جهت جدید در توسعه محصول همزمان با قانون جدیدی است که ضبط داده های مرتبط با پیام های کنترل ترافیک هوایی را اجباری می کند. این قانون جدید مستلزم آن است که جعبههای سیاه حاوی اطلاعات بیشتری باشند. این احتمال وجود دارد که سازندگان تجهیزات ضبط پرواز از پس چالش برآیند و جعبههای سیاهی را توسعه دهند که میتوانند اطلاعات بیشتر و بیشتری را در بستههای در حال کوچک شدن ذخیره کنند.
اما نکته در رابطه با نصب جعبه سیاه
هلیکوپتر جعبه سیاه دارد یا ندارد.باید گفت هر بالگردی جعبه سیاه ندارد و قابلیت نصب هم ندارد چرا که وزن بالا و هزینه بسیار سنگین آن مقرون بصرفه نیست در بسیاری از بالگرد های کوچک امکان استفاده جعبه سیاه موجود نیست مثلا در حادثه ای که برای رئیس جمهور اتفاق افتاد توانایی نصب جعبه سیاه موجود نبوده و نمیتوان از این مدل در باگردها استفاده کرد