Лично я всегда боялся летать. Не панически, но определенный дискомфорт испытывал. А из-за прошлой работы несколько лет назад мне часто приходилось это делать — иногда раз по 10 в месяц. Стресса хватало. Причем пугал даже не сам страх смерти (я же не боюсь на машине ездить, хотя смертность там намного выше), а ее неотвратимость: когда ты вместе с сотней таких же людей несешься в металлическом гробу на огромной скорости к Земле, и спастись невозможно… 

Но, конечно, этот страх несколько иррационален. Ведь все авиакатастрофы происходят по каким-то причинам: отказ техники, человеческий фактор или из-за военного конфликта. Понимая их, можно что-то исправить в конструкции самолета и подготовке экипажа. В этом как раз и помогают бортовые самописцы, также называемые «черными ящиками». 

Но откуда они появились? Как устроены? Чем реально помогли? Давайте посмотрим. 

Как устроен черный ящик

Начнем с базовой информации, чтобы ввести в курс дела широкий круг читателей. Просьба к авиационным инженерам не сильно ругаться на автора статьи. 

Бортовой самописец на самом деле не черный, как многие хорошо знают, а ярко-оранжевый — так его проще обнаружить среди обломков. Да и ящик он по форме мало напоминает. Его задача: записывать важные данные, которые помогут в случае катастрофы восстановить картину. 

В обычном пассажирском лайнере есть два типа самописцев: Cockpit Voice Recorders (СVR) и Flight Data Recorders (FDR). Сочетание их данных и позволяет следователям сделать выводы и разобраться в причинах катастрофы. 

СVR — это устройство, которое записывает голоса летного экипажа, а также другие звуки внутри кабины. Обычно оно расположено посередине верхней приборной панели между двумя пилотами. Кроме разговоров экипажа между собой и с диспетчерами, фиксируются и другие важные звуки: шум двигателя, предупреждения системы безопасности, выпуск шасси, посторонние хлопки. Все, что может помочь. 

Обычно в CVR используют 4 канала записи: они передают данные в блок CSMU (crash-survivable memory unit), в энергонезависимой памяти которого хранится 2 часа полета. Запись ведется циклично, как в автомобильных видеорегистраторах: новые данные затирают наиболее старые. Раньше использовали запись на магнитную ленту или проволоку (хранилось только 30 минут), однако в новых моделях сейчас применяют flash накопители — намного надежнее из-за отсутствия движущихся деталей. 

FDR — это устройство для записи эксплуатационных данных от систем самолета. Датчики из разных мест самолета подключены к блоку сбора полетной информации (FDAU или по-нашему БСПИ), который передает по интерфейсу данные непосредственно на микросхему FDR. 

Количество записываемых параметров разнится — по стандарту TSO-C123b/124 должны вестись логи минимум 88 параметров, но на практике для современной гражданской авиации речь идет о тысячах параметров. Условно когда пилот щелкает переключателем или поворачивает ручку, FDR фиксирует это действие. Данные хранятся за последние 25 часов и обновляются с частотой несколько раз в секунду. Вот лишь некоторые контролируемые показатели: высота, курс, положение рулей, расход и многое другое. 

По стандарту TSO-C123b/124 данные должны оставаться сохранными при перегрузках в 3400G в течение 6,5 мс (падение с любой высоты), полный охват огнем в течение 30 минут (пожар от воспламенения топлива при столкновении самолета с землей) и нахождении на глубине 6 км в течение месяца (при падении самолета в воду в любой точке Мирового океана.

Часто блоки FDR и CVR дублируются: отдельно используют эксплуатационный, который не имеет дополнительной защиты и предназначен для штатного контроля, и аварийный — тот, который должен уцелеть. Но за счет чего? Давайте чуть порассуждаем, какими характеристиками должен обладать самописец.

1. Механическая прочность. Во время падения самолет и все, что в нем, испытывает колоссальные перегрузки. Все внутренности черного ящика должны их выдержать, а еще пережить удар о землю. Для этого корпус изготавливают из высокопрочной нержавеющей стали толщиной 0,64 см или вообще из титана и крепят к основанию при помощи болтов. По стандарту FDR и CVR способны выдерживать перегрузки 3400g в течении 6,5 мс. 

2. Температурная устойчивость. Во-первых, оборудование должно выдерживать отрицательную температуру за бортом просто в процессе полета. На высоте 10 000 метров это порядка -55 ˚С: компоненты должны выдерживать такие условия продолжительное время. Во-вторых, в случае падения может последовать взрыв и продолжительное горение из-за воспламенения авиатоплива. Для этого черный ящик имеет теплоизоляцию толщиной 2,5 см и способен выдержать температуру 1100 ˚С в течение 30 минут. 

3. Герметичность и устойчивость к давлению. Самолет может упасть в океан и погрузиться на значительную глубину. При этом внутрь черного ящика не должна попасть вода. Поэтому корпус спроектирован таким образом, что черный ящик способен пролежать на глубине до 6 км (максимальная глубина для 97% океана) в течение месяца. Платы дополнительно заливают компаундом.

4. Возможность обнаружения. Для ускорения поиска ящика, внутри него расположен ультразвуковой маяк. Если самолет падает в воду, маяк излучает ультразвуковой импульс частотой 37,5 кГц в течение 30 дней. Рядом с маяком расположен датчик погружения, который активирует устройство при контакте с водой.

5. Электромагнитная защита. Электроника черного ящика должна пережить не только воздействия температуры и давления но и электромагнитных помех. Для этого вокруг накопителей установлен алюминиевый экран, заземленный на наружный корпус. 

После катастрофы специалисты находят черные ящики и отвозят их в лабораторию, где выгружают с них данные через интерфейс и воссоздают всю картину. Иногда этот процесс занимает недели или месяцы, потому что блок обработки сигналов оказывается поврежден. Приходится аккуратно извлекать микросхему памяти так, чтобы подключиться к ней напрямую — очень трудоемкий процесс.

В некоторых случаях повреждения бывают настолько фатальны, что считать данные просто невозможно. Поэтому надежность конструкции черного ящика настолько важна. Но если в области гражданской авиации есть стандарты и правила: например TSO-123b/124 или EUROCAE ED-112, то в военной авиации все не так однозначно. 

Пример — катастрофа Су-24, сбитого турками в 2015 году. В процессе вскрытия черного ящика обнаружились достаточно серьезные конструктивные недостатки в плане крепления и отсутствия компаунда. Во многом по этой причине микросхемы памяти оказались уничтожены.

В общем, устройство не самое простое. Давайте посмотрим, как его изобрели и внедрили.

Как изобрели черный ящик

В 1939 году Поль Бодуэн и Франсуа Уссено представили в главном летно-испытательном центре Франции свое изобретение — самописец типа HB. Суть была в следующем: исполнительный механизм менял угол наклона зеркала, в зависимости от изменения параметров полета вроде скорости, высоты и температуры двигателя. Зеркало перенаправляло световой луч на кинопленку и как бы «рисовало» параметры полета, которые затем расшифровывались на земле. 

Чтобы исключить влияние солнечного света на показания, корпус был выкрашен в черный цвет. Возможно, это и привело к появлению термина «черный ящик». После первых испытаний французские ВВС заказали 25 приборов, однако из-за катастрофического для Франции начала Второй мировой войны технология не получила развития.

Параллельно с началом войны в Англии Лен Харрисон и Вик Хасбэнд разработали бортовой самописец, работавший по совсем другому принципу. Изменения показания не записывались светом, а «выдавливались» на медной фольге. Это существенно повышало шансы, что записи сохранятся после аварии, однако точность записи была слишком низкой.

В 1942 году финский авиаинженер Вейо Хиетала установил на самолет прибор, который пилоты прозвали «Мата Хари» в честь именитой шпионки. Он записывал данные полета на магнитную ленту. Параллельно во время войны ВВС США и Великобритании экспериментировали с диктофонными записями: по разговорам пилотов они могли оценить слаженность работы экипажа и их ошибки. 

В 1952 году реактивная авиация добралась до гражданских перевозок: начались регулярные пассажирские рейсы самолета de Havilland DH.106 Comet. А спустя год начали происходить первые катастрофы: 

• Во время взлёта в аэропорту Карачи из-за слишком быстрого набора высоты мощности двигателей не хватило и самолет опрокинулся и разбился.

• После взлета из аэропорта Калькутты самолет попал в грозовой фронт и разрушился в воздухе.

В 1954 году еще два самолета de Havilland DH.106 Comet разбились в Италии по неизвестным причинам, и полеты этой модели были временно прекращены.

Расследования шли с большими сложностями: экспертам приходилось в буквальном смысле гадать, что происходило в самолете. Была ли это вина летчиков или проблемы в конструкции? Спустя много месяцев проверка все-таки выявила, что причина — в квадратных иллюминаторах. 

Корпус самолета был достаточно тонким, поэтому после набора высоты менял свою форму из-за изменения давления. В прямых углах иллюминаторов крепление подвергалось повышенному механическому напряжению. Образовывались микротрещины, которые при повышенной нагрузке (например, при взлете) расширялись и самолет в буквальном смысле разваливался. 

В расследовании катастроф принимал участие австралийский химик Дэвид Уоррен. Он понял, что если бы у комиссии был доступ к переговорам пилотов внутри салона и к данным полета, то проблемы в конструкции можно было выявить раньше. Это бы позволило исключить человеческий фактор.

Уоррену пришла в голову идея: почему бы не поставить записывающие устройства, которые будут все фиксировать? Ведь во Второй мировой подобный опыт уже был, но с тех пор технологии шагнули вперед. Вдохновил его прибор, который назывался минифон — компактный диктофон, работающий от аккумулятора. 

В 1954 году Уоррен продумал концепцию своего прибора и предложил своему начальнику. Документ назывался «Технический меморандум №142», в котором он сформулировал базовые принципы:

• Запись голоса ведется на стальную проволоку диаметром 0,05 миллиметра;

• Дополнительно фиксируются параметры полета: скорость, высота, температура, расход топлива, положение рулей и давление в кабине. 

• Все должно помещаться в герметичный корпус, который предотвратит повреждение записи из-за удара о землю, пожара или контакта с водой. 

Но гениальную идею никто не оценил, и начальник предложил Уоррену заняться своей прямой работой — исследованием авиационного топлива. 

В 1956 году в лабораторию, где трудился Уоррен, пришел новый руководитель — Том Кибл. Копаясь в столе, он случайно обнаружил документ, в котором излагалась концепция бортового самописца. Кибл пришел в восторг: вызвал Уоррена и предложил ему продумать детали. 

Уоррен провел несколько испытаний диктофона на реальных реактивных самолетах и нашел способ, как убрать посторонние шумы от работающего двигателя на записи. После этого он изложил свою концепцию в более проработанном «Техническом меморандуме №180». Кибл был впечатлен и дал команду найти подрядчика — им стала компания Теона Мирфилда, занимающаяся звукозаписью и электроникой. 

В 1958 году первый прототип был готов. Устройство получилось очень компактным, записывало до 4-х часов разговоров пилотов в кабине, а также электрические сигналы от приборов с частотой 8 раз в секунду. Запись продолжалась циклически, стирая всю информацию при перезаписи: FDR и CVR в одном флаконе. 

Кирб и Уоррен предложили свое устройство управлению гражданской авиации Австралии, однако столкнулись с решительным отказом. Во-первых, само управление считало, что пользы от диктофона в кабине будет мало, а во-вторых, пилоты воспротивились слежке за собой. 

Тогда устройство предложили Совету по воздушной регистрации Великобритании. Председатель Роберт Хардинг понял все преимущества и загорелся идеей внедрить такую штуку на всех самолетах гражданской авиации. Заодно поднялась такая шумиха, что Уоррена показали в новостях по BBC. 

Оставалось довести устройство до ума: поместить его в защитный корпус и сделать так, чтобы оно продолжало запись какое-то время после отключения от питания самолета. В 1961 году все было готово — прибор сразу же окрестили «Красным яйцом» за свою необычную форму. 

Компания Уоррена так и не смогла наладить серийное производство, поэтому продала права британской компании S. Davall & Sons. Те начали производство и одновременно лоббировали законы в разных странах, которые бы обязали авиакомпании устанавливать бортовые самописцы. 

В январе 1963 года Австралия стала первой страной, которая обязала записывать как данные, так и голос на всех самолетах. Судья распорядился об этом после катастрофы пассажирского самолета Fokker Friendship при подлете к аэропорту Квинсленда — погибло 29 человек. В 1964 году аналогичные правила утвердили в США, а в 1965 году — в Великобритании. После этого использование бортовых самописцев FDR и CVR (со временем их разделили) стало стандартом для всех полетов на протяжении следующих 60 лет. Конечно, чуть поменялись и технологии: от проволоки перешли к магнитной ленте, а от нее — к твердотельным накопителям и flash-микросхемам, о которых мы говорили выше.

Примечательно, что параллельно с работой Уоррена в Австралии разработка самописца шла и в США. Джеймс Райан, профессор машиностроения в Университете Миннесоты, в 1953 году подает заявку на патент FDR, в котором запись параметров полета осуществлялась бы «на ленту или фольгу». Устройства на базе его патента, а также звукозаписыватели в кабине (CSR) авторства Эдмунда Бонифаса устанавливались на судах Lockheed Aircraft Corporation.

В СССР к работам по созданию черного ящика приступили в 1965 году. Занимался работой летно-исследовательский институт (ЛИИ). Первые самописцы САРПП-12 (система автоматической регистрации 12 параметров полета) работали по принципу записи данных на фотопленку. Для этого использовался оптический осциллограф К10-53, который помещался в защищенный контейнер. 

В конце 60-х годов появились устройства МСРП-12 (магнитный самописец режимов полета), в котором запись велась на магнитную пленку. Со временем количество контролируемых параметров увеличилось: в МСРП-12-96 вместо 12 их стало 25. Лентопротяжный механизм и бобины с пленкой были неплохо защищены: выдерживали ударную перегрузку до 100g, температуру до 1000 ˚С в течение 10 минут и фиксировали до 75 минут полета с цикличным затиранием старых данных. 

Для записи же переговоров пилотов, а также окружающих звуков из кабины использовали самолетный магнитофон: например, модель МС-61Б. Запись велась на проволоку, сигнал передавался с ларингофонов. Производством занимался Горьковский завод имени Г.И.Петровского. 

Как помогали черные ящики 

В заключение посмотрим на то, как анализ записей бортовых самописцев помог разобраться в причинах некоторых авиакатастроф. Делитесь в комментариях вашими вариантами.

Airbus A310 в Кемеровской области (1994 год)

«Аэрофлот» только начинал эксплуатацию новых импортных самолетов. 23 марта 1994 рейс SU593 внезапно перестал подавать любые сигналы на подлете к городе Междуреченск. Причем двигатели все время работали исправно в штатном режиме, никаких аварийных предупреждений от экипажа не поступало. Он просто упал.

Первой версией был теракт. Однако когда специалисты добрались до черного ящика и смогли расшифровать переговоры в кабине, все стало ясно. Резервный командир воздушного судна Ярослав Кудринский позвал в кабину своего 15-летнего сына Эльдара, который случайно отключил автопилот, и заметили это слишком поздно.

Boeing 737 под Питтсбургом (1994 год)

Самолетом Boeing 737-3B7 1987 года выпуска управлял опытный экипаж. В 18:10 он вылетел из Чикаго, следуя рейсом AWE-427 в Питтсбург. В 19:02 при заходе на посадку самолет внезапно начал резко крениться на левый бок. В какой-то момент он даже перевернулся шасси вверх и через пять секунд врезался в землю. 

Специалисты обнаружили черный ящик спустя несколько часов. Расшифровки данных с CVR и FDR показали:

• Руль направления заклинило в крайнем левом положении — это видно по сигналам датчика.

• Одновременно в кабине раздались три резких щелчка: пилоты сразу же запаниковали и попытались вывести самолет из крена, но безуспешно. 

Вывод комиссии — фатальная недоработка конструкции, без подробностей. Boeing потратила более 500 миллионов долларов на модернизацию 2800 самых популярных авиалайнеров, которые летали по всему миру. 

Ту-154 под Хабаровском (1995 год)

Самолет был достаточно старым: пролетал 19 лет из положенных 20, прошел четыре крупных ремонта. Как позже выяснилось, один из них был произведен с нарушением: у самолета была склонность к небольшому крену при определенных режимах полета.

В 16:43 самолет, следующий рейсом KHV 3949, вылетел из Южно-Сахалинска в Хабаровск. В процессе полета экипаж заметил небольшой крен и принял решение произвести ручную перекачку топлива из одного бака в другой, чтобы компенсировать наклон. Однако это только еще сильнее нарушило центровку. При заходе на посадку автопилот уже не мог компенсировать крен и он быстро увеличился до 30˚. Экипаж ничего не успел сделать и разбился о склон горы Бо-Джауса.

Останки лайнера и черный ящик искали больше недели из-за сложных погодных условий. После расшифровки комиссия МАК пришла к выводу: результатом стала как техническая неисправность после ремонта, так и ошибка экипажа. Но особенно страшное впечатление произвели переговоры экипажа за мгновение до падения:

Airbus A320 под Сочи (2006 год)

3 мая 2006 года самолет армянской авиакомпании «Армавиа» заходил на посадку в аэропорт г. Сочи. Из-за высокой облачности и тумана условия были не самые удачные, поэтому диспетчер решил перестраховаться и велел заходить на второй круг. 

Экипаж отключил автопилот и начал совершать разворот с одновременным набором высоты, что противоречило правилам. Мощности двигателей не хватило, и вместо набора высоты самолет начал терять скорость. Из-за того, что маневр происходил на небольшой высоте, это привело к падению в море. Обломки затонули в нескольких километрах от берега на глубине 500 метров.

Все обстоятельства удалось выяснить после подъема CVR и FDR спустя почти три недели. 

Airbus A330 над Атлантикой (2009 год)

Самолет компании Air France совершал рейс из Рио-де-Жанейро в Париж. В какой-то момент пилоты сообщили о том, что входят в зону турбулентности. Самолет передал несколько сервисных сообщений, а затем просто пропал. Что послужило причиной, оставалось загадкой на протяжении двух лет — столько не могли найти останки самолета. 

Только в 2011 году, в ходе четвертой поисковой операции исследовательское судно «Алусиа» обнаружило обломки на глубине порядка 3,5 км. Неоднократные погружения глубоководного робота Remora 6000 в течение еще трех месяцев позволили найти не только тела 154 пассажиров, но также речевой и параметрический самописцы, причем в отличном состоянии. 

Расследование показало, что любые первоначальные версии были некорректными. Дело в том, что при прохождении зоны турбулентности трубки Пито обледенели, скорость стала считываться некорректно: автопилот и автомат тяги отключились. Пилоты не смогли справиться с управлением: самолет перешел в сваливание и рухнул в океан.

Boeing 737 в Казани (2013 год)

Самолет авиакомпании «Татарстан» заходил на посадку в аэропорту столицы республики 17 ноября. Из-за неправильно выбранного курса диспетчер запретил сажать самолет. Экипаж решил заходить на второй круг. Однако командир Рустем Салихов до этого не имел опыта подобных маневров. 

Он слишком сильно увеличил тягу двигателей, из-за чего угол тангажа самолета стал недопустимо большим — скорость резко упала. Чтобы исправить ситуацию, Салихов отклонил руль от себя, но только усугубил ситуацию. Самолет перешел в вертикальное пикирование и врезался в землю возле ВПП со скоростью больше 450 км/ч.

Обнаруженные черные ящики оказались повреждены, поэтому на их расшифровку потребовалось время. Однако на основе анализа параметров полета и разговоров пилотов комиссия пришла к однозначному выводу, что проблема была не в самолете, а в действиях экипажа. 

Проверки Росавиации выявили многочисленные нарушения в работе авиакомпании «Татарстан», в том числе найм на работу неквалифицированных сотрудников. В 2014 году компания обанкротилась и закрылась. 

На самом деле список авиакатастроф, в которых черные ящики помогли, намного больше. Технология за десятилетия позволила сделать конструкцию самолетов надежнее, а также выработать новые стандарты безопасности. Однако вряд ли кому–то из нас хотелось бы быть причастным к ее работе. 

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.