諶啟偉

（中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

“黑匣子”（black box）是飛機(jī)專用的電子記錄設(shè)備之一，名為航空飛行記錄器，里面裝有飛行數(shù)據(jù)記錄器和艙聲錄音器，飛機(jī)各機(jī)械部位和電子儀器儀表都裝有傳感器與之相連。它能把飛機(jī)停止工作或失事墜毀前半小時的有關(guān)技術(shù)參數(shù)和駕駛艙內(nèi)的聲音記錄下來，需要時把所記錄的參數(shù)重新放出來，供飛行實驗、事故分析之用。根據(jù) SAE航空航天標(biāo)準(zhǔn)AS8045a《自供電聲學(xué)水下定位裝置最低性能標(biāo)準(zhǔn)》，黑匣子信標(biāo)的工作頻率：37.5 kHz±1 kHz，使用時間最少30 d。一旦發(fā)生航空飛行事故，黑匣子將是還原事故真相的關(guān)鍵[1]。由于黑匣子聲信標(biāo)發(fā)射電源一般只能堅持 30 d，因此在這30 d的黃金時間，盡快搜尋到黑匣子非常重要。2014年3月8日，馬航370失聯(lián)轟動全世界，世界各國攜帶相關(guān)搜索設(shè)備競相奔赴可能墜機(jī)海域開展搜索，然而遺憾的是未能成功搜尋到黑匣子，成為21世紀(jì)一大疑案。

1 國內(nèi)外黑匣子搜索定位技術(shù)與方法

黑匣子主要搜索技術(shù)包括潛水員手持聲吶、聲波接收器、水下自主航行器等。潛水員手持聲吶用于水下定位水下失事飛行器目標(biāo)，也可以用于定位水下信標(biāo)或者其他水下聲源。使用連續(xù)發(fā)射調(diào)頻（CTFM），聲吶的主動定位模式可定位最遠(yuǎn)110 m范圍內(nèi)的目標(biāo)，在被動模式下最遠(yuǎn)探測范圍為1 600 m。聲波接收器由水下、接收部分和水上輔助2部分組成。水下接收部分通過連接桿布放在水中，搜索聲學(xué)信號，接收到的信號通過電纜傳送到水上，操作人員通過耳機(jī)辨別信號強(qiáng)度，并可調(diào)節(jié)接收信號中心頻率。操作人員通過旋轉(zhuǎn)連接桿，改變水下接收裝置探測方向，分析不同方向的信號強(qiáng)度，進(jìn)而確認(rèn)信號方向[2]。如圖1所示。

圖1 潛水員手持聲吶與聲波接收器Fig.1 Diver held sonar and acoustic acceptor

“藍(lán)鰭金槍魚-21”型自主式水下航行器，是美國軍方研發(fā)的一種專業(yè)水下搜尋設(shè)備，它可潛入水下4 500 m，在配制相關(guān)聲吶后，能夠以最高7.5 cm的分辨率搜尋水下物體?！八{(lán)鰭金槍魚-21”型自主式水下航行器長493 cm，直徑53 cm，重750 kg，3 kn巡航時續(xù)航能力為25 h[3]。

1）法航AF447次航班空難[4]。

法航AF447次航班2009年6月1日從巴西里約熱內(nèi)盧飛往法國首都巴黎，途中墜入大西洋。空難后數(shù)周，數(shù)千塊機(jī)身碎片被打撈上來。但是，AF447的龐大機(jī)身和關(guān)鍵的黑匣子，卻在很長時間里都尋無所蹤。

1年多后，法國調(diào)查人員求助美國伍茲霍爾海洋研究所，繼續(xù)搜尋飛機(jī)殘骸。伍茲霍爾海洋研究所搜尋團(tuán)隊在深海中找到了AF447的機(jī)身和引擎，還有幾十具長眠水下的遇難者遺體。2010年5月，法國把失事客機(jī)“黑匣子”的位置鎖定在大西洋一個方圓5 km的范圍內(nèi)。2011年，法國民航安全調(diào)查分析局在一份聲明中說，調(diào)查人員于分別在2011年5月1日上午10時，5月2日晚在巴西東北方向離岸數(shù)百km、水平面以下3 900 m的海域找到法航空難的2個黑匣子。

2）“5·7”大連空難[5-6]。

2002年5月7日21時24分，北方航空公司的一架 MD-82客機(jī)在大連海域失事。打撈組采用旁側(cè)聲吶以及拉網(wǎng)式搜索，將殘骸散落區(qū)縮小在長600 m、寬400 m的24萬m2水域。與此同時，另一個重要目標(biāo)黑匣子的打撈，卻始終毫無進(jìn)展。搜救人員先后從大連、哈爾濱、沈陽調(diào)來設(shè)備掃測，毫無結(jié)果。唯一的渺茫希望，是760所用自制的探測儀，收聽到了黑匣子發(fā)射的信標(biāo)聲脈沖，卻無法確定方向來源。

5月12日晚，美國專家?guī)砹寺晠刃艠?biāo)定位儀，將聲吶轉(zhuǎn)換器插入水中，操作人員戴著耳機(jī)、手持放大器接聽信號，如果聽到黑匣子發(fā)出的“嘀嗒”信號聲，聲音越大，靠得越近。13日凌晨 3時14分，美國專家第一次接聽到信號。但由于該儀器只能定向、無法定位，在接下來的3 h16 min內(nèi)，專家們做了10次定向——每次產(chǎn)生1條射線，射線的交叉圖像將搜索范圍圈定在直徑為 100 m的半圓中。如此反復(fù)，最終進(jìn)一步縮小到直徑為5 m的圓中。大連空難打撈工作歷時12 d，軍地共出動船只128艘，累計出船1 331航次、6 955 h，軍民參加搜救打撈人員共計17 838人次抽調(diào)潛水作業(yè)人員64人，累計潛水作業(yè)672人次，作業(yè)時間697 h。

綜上所述，目前黑匣子搜索裝備主要存在噸位大、巡航短、定位難、耗時長、使用復(fù)雜、使用成本高等一系列問題。為此，我們設(shè)計開發(fā)了一款基于剖面漂流浮標(biāo)技術(shù)的黑匣子搜索定位浮標(biāo)。該浮標(biāo)可下沉到聲速界越層以下對黑匣子的水聲通信信號進(jìn)行搜索，并對水下黑匣子進(jìn)行距離估算，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)信號后，自主上浮到水面，通過衛(wèi)星上傳探測信息給岸站，為搜尋節(jié)省寶貴的時間。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

黑匣子收索定位浮標(biāo)主要由浮標(biāo)平臺和水聽器組成，水聽器直接掛載在浮標(biāo)底部。如圖2所示，浮標(biāo)平臺主要由3部分組成：通訊天線模塊、主體控制模塊、浮力調(diào)節(jié)模塊。其中通訊天線模塊包含銥星與 GPS天線；主體控制模塊包含控制電路、電池、電機(jī)、壓力傳感器、水密接頭等；浮力調(diào)節(jié)模塊包含浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、重塊、浮塊等。水聽器安裝位于浮力調(diào)節(jié)模塊底部，其通過水密接頭與主體控制模塊連接。浮標(biāo)重量不超過6 kg，連續(xù)工作時間不少于30 d，最大工作水深1 000 m，搜索定位距離1.5～2 km。

圖2 浮標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure schematic diagram of buoy

該浮標(biāo)在預(yù)定海域?qū)Ω?biāo)進(jìn)行配重后投放，浮標(biāo)到達(dá)預(yù)定深度后開始探測，期間可通過拋投浮塊或重塊進(jìn)行深度微調(diào)。在捕獲特定信息后，浮標(biāo)拋投預(yù)定重量的重塊，開始上浮至水面進(jìn)行定位通訊，通訊完畢后拋投預(yù)定重量的浮塊再次下沉到指定深度，如此進(jìn)行循環(huán)。另外，該浮標(biāo)可對需要探測的海域采用多點陣布放模式，對區(qū)域海洋進(jìn)行聲信號監(jiān)測。

3 組部件設(shè)計

1）通信模塊。

通信模塊主要由天線外殼、天線蓋和天線座組成。天線外殼用來安裝固定 GPS和銥星天線，取1.5倍安全系數(shù)，在18 MPa壓力條件下，對天線外殼和天線蓋進(jìn)行了仿真分析，其機(jī)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

2）殼體模塊。

殼體模塊主要由主殼體、頭殼和尾殼組成。取1.5倍安全系數(shù)，在18 MPa壓力條件下，應(yīng)力圖及總體形變圖如下，滿足1 000 m耐壓要求。

圖3 殼體模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure schematic diagram of housing module

3）電源模塊。

電源模塊有一次性鋰電池組成，電池共8節(jié)，4組一節(jié)并排堆疊2層。電池上部依次是控制電路板、銥星模塊和壓力傳感器，采用上下堆疊的方式布置，拉桿連接。下部為電機(jī)減速機(jī)，電機(jī)軸穿過尾殼與浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)連接。

圖4 耐壓殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真圖Fig.4 Simulation diagram of pressure hull structure strength

4）浮力調(diào)節(jié)模塊。

浮標(biāo)調(diào)節(jié)模塊（圖5）是浮標(biāo)自主沉浮的關(guān)鍵，浮力調(diào)節(jié)模塊通過改變浮標(biāo)的水中浮力實現(xiàn)沉浮。浮力調(diào)節(jié)模塊主要由浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)外殼、浮塊旋轉(zhuǎn)臺、重塊旋轉(zhuǎn)臺、重塊釋放臺、浮力塊和重塊組成。

浮塊旋轉(zhuǎn)臺外側(cè)用來放置浮塊。內(nèi)壁用來安裝重塊旋轉(zhuǎn)臺；轉(zhuǎn)臺上裝有擋塊，擋片安裝在轉(zhuǎn)臺頂部，內(nèi)部有扭簧，保證其只能單向轉(zhuǎn)動；轉(zhuǎn)臺底部開有三角槽。

重塊旋轉(zhuǎn)臺安裝在浮塊轉(zhuǎn)臺內(nèi)部。中間開有通孔，用以放置重塊；頂部安裝有擋片，內(nèi)部有扭簧，保證其只能單向轉(zhuǎn)動；底部有半球形開槽。

重塊釋放臺放置在浮塊和重塊旋轉(zhuǎn)臺底部。內(nèi)部有開槽，供重塊滑出；頂部有三角臺階。和小鋼球，分別與浮塊旋轉(zhuǎn)臺的三角槽和重塊旋轉(zhuǎn)臺的球槽配合。傳動軸是浮力調(diào)節(jié)模塊的動力輸入部分。軸的上端與電機(jī)減速機(jī)連接，下部有2層棘齒，2層棘齒朝向相反，上下層分別與浮塊旋轉(zhuǎn)臺和重塊旋轉(zhuǎn)臺的擋片配合。

圖5 浮力調(diào)節(jié)模塊示意圖Fig.5 Schematic diagram of buoyancy regulation module

①浮力塊的拋投過程。

如圖6所示，傳動軸逆時針旋轉(zhuǎn)并與浮塊旋轉(zhuǎn)臺上的擋片接觸，由于擋片上有扭簧，逆時針時擋片鎖死，因此浮塊旋轉(zhuǎn)臺在傳動軸的帶動下逆時針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)浮塊碰到外殼上的擋塊后，在兩側(cè)擋塊的作用下會一起將浮塊擠出。

傳動軸順時針轉(zhuǎn)動時，為了防止擋片上扭簧力過大而使得浮塊旋轉(zhuǎn)臺跟隨一起順時針轉(zhuǎn)動，特在底部開有三角槽增大阻力，防止其跟轉(zhuǎn)。浮塊旋轉(zhuǎn)臺安裝在重塊釋放臺的凹槽內(nèi)，在轉(zhuǎn)臺工作過程中上下跳到時不會偏離軸心。

圖6 浮力塊拋投示意圖Fig.6 Schematic diagram of solid buoyancy material tossing

②重塊的拋投過程。

如圖7所示，傳動軸順時針旋轉(zhuǎn)并與重塊旋轉(zhuǎn)臺上的擋片接觸，由于擋片上有扭簧，順時針時擋片鎖死，因此重塊旋轉(zhuǎn)臺在傳動軸的帶動下順時針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)重塊碰到底部釋放臺的重塊釋放孔后，重塊隨即滑出。

傳動軸逆時針轉(zhuǎn)動時，為了防止擋片上扭簧力過大而使得重塊旋轉(zhuǎn)臺跟隨一起逆時針轉(zhuǎn)動，特在重量釋放臺底部裝有小鋼球，且在重塊旋轉(zhuǎn)臺底部開有球槽以增大阻力，防止其跟轉(zhuǎn)。

圖7 重塊拋投示意圖Fig.7 Schematic diagram of heavy block tossing

5）探測水聽器。

探測水聽器搭載在浮標(biāo)底部，安裝在水聽器護(hù)罩上，與尾殼連接，矢量水聽器具備對 37.5 kHz信號進(jìn)行探測并定位的能力。接收到黑匣子信號后，通過對信號進(jìn)行放大、濾波處理，分析識別信號的幅度、脈寬和周期，判斷信號的類型是否是黑匣子的信標(biāo)信號，如圖8所示。黑匣子的水聲信號的聲源級是固定的，濾波及前放電路的放大倍數(shù)和水聽器的接收靈敏度也經(jīng)過標(biāo)校已知的，可以通過信號幅值對目標(biāo)距離進(jìn)行估算[7-8]。

圖8 水聲信號探測處理示意圖Fig.8 Schematic diagram of acoustic signal detection and processing

4 試驗方法及結(jié)果

黑匣子浮標(biāo)歷時半年完成原理樣機(jī)研制，并開展了相關(guān)的湖上驗證試驗。湖上試驗通過使用模擬信號源，模擬輸出 37.5 kHz黑匣子信號，經(jīng)功率放大器放大后輸出至換能器，使用船載移動聲源，浮標(biāo)錨系上浮方式，測試不同方位、不同距離發(fā)射時，黑匣子浮標(biāo)觸發(fā)上浮報警的性能指標(biāo)摸底，試驗設(shè)備關(guān)系如圖9所示。

圖9 試驗設(shè)備布置示意圖Fig.9 Arrangement schematic diagram of test equipment

湖上試驗表明，該浮標(biāo)能夠準(zhǔn)確探測37.5 kHz的聲信號，相關(guān)聲信號的特征值亦可獲取，并能夠初步測量目標(biāo)方位，方位誤差不超過5o。試驗中拉距測試過程，最大探測距離超過2 km。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種全新的黑匣子搜索定位設(shè)備的設(shè)計及實現(xiàn)過程，該黑匣子搜索定位設(shè)備采用浮標(biāo)技術(shù)，通過加裝水聽器，實現(xiàn)對水下黑匣子信標(biāo)信號進(jìn)行區(qū)域定位和距離估算。發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，自動上浮至水面，通過衛(wèi)星將目標(biāo)位置信息發(fā)往監(jiān)控中心，實現(xiàn)目標(biāo)快速搜索定位。該浮標(biāo)體積小，造價低，可快速布放，實現(xiàn)水下搜索能力。實際使用中，可在失事海域大面積布放，浮標(biāo)可成陣列使用。同時，該浮標(biāo)可拓展用于水下移動目標(biāo)探測，具有一定的軍事用途價值。