ブラックボックスの仕組み

インドネシアのダイバーらは、2018年10月29日に189人が搭乗しジャワ海に墜落したライオンエア機からフライトデータレコーダーの1つをついに回収した。によると、フライトデータレコーダーは、調査官が生後2か月のボーイング737 MAX 8が離陸直後に墜落した原因について何らかの答えを得るのに役立つはずだという。ボイスレコーダーは、飛行中のコックピット乗組員の声、エンジン音、計器類の警告、その他の音声録音も提供する必要があります。

飛行機が墜落すると、通常、答えのない疑問がたくさん残ります。そのため、捜査当局は「ブラックボックス」としても知られる航空機のフライトデータレコーダー（FDR）とコックピットボイスレコーダー（CVR）に答えを求めている。米国で航空機事故が発生すると、NTSB の安全調査官は直ちに航空機のブラック ボックスの捜索を開始します。

ただし、残念ながら、答えは必ずしもすぐに得られるわけではありません。 2009年6月1日に南大西洋に墜落したエールフランス447便のブラックボックスを捜査員が発見するまでに2年近くかかった。この箱は衝撃に耐えただけでなく、約 13,000 フィートの塩分を含んだ腐食性の海水に沈んでいました。最終的に、データはパイロットのミスが失速の一因となり、最終的に墜落を引き起こしたことを証明しました。

これらの記録装置はそれぞれ1万ドルから1万5千ドルの価格があり、事故直前の出来事の詳細を明らかにします。この記事では、2 種類のブラック ボックスと、ブラック ボックスがクラッシュからどのように生き残るか、そしてそれらがどのように取得および分析されるかについて見ていきます。

ブラックボックスの始まり

航空レコーダーが広く使用されるようになったのは、第二次世界大戦後です。それ以来、航空機の運航に関するより多くの情報を記録するために、ブラック ボックスの記録媒体は進化してきました。

古いブラック ボックスでは、1960 年代に初めて導入された技術である磁気テープが使用されていました。磁気テープは他のテープ レコーダーと同じように機能します。マイラー テープは電磁ヘッドを横切って引っ張られ、テープ上に少量のデータが残ります。最近のブラック ボックスでは、1990 年代に登場したソリッドステート メモリ ボードが使用されています。

ソリッドステート レコーダーは、磁気テープのレコーダーよりもはるかに信頼性が高いと考えられています。ソリッドステートはメモリチップの積層アレイを使用するため、可動部品がありません。可動部品がないため、メンテナンスの問題が少なくなり、衝突時に何かが破損する可能性が低くなります。

CVR と FDR の両方からのデータは、クラッシュ耐性メモリ ユニット(CSMU) 内の積層メモリ ボードに保存されます。メモリ ボードには、CVR の場合は 2 時間の音声データ、FDR の場合は 25 時間の飛行データを収容するのに十分なデジタル ストレージ スペースがあります。

飛行機には、加速度、対気速度、高度、フラップ設定、外気温、エンジン性能、機内の温度と気圧などのデータを収集するセンサーが装備されています。磁気テープ レコーダーは約 100 のパラメータを追跡できますが、ソリッドステート レコーダーはさらに多くのパラメータを追跡できます。

たとえば、ボーイング 787 では、ユニットが 146,000 ものパラメーターを記録できるため、1 回のフライトごとに数テラバイトのデータが蓄積されます。この膨大な量のデータは諸刃の剣です。航空機を監視するのには最適ですが、エンジニアや整備員の負担が大きくなる可能性があります。これらすべてのデータを管理するには、高度なデータ管理ソフトウェアが必要です。

システムが古いバージョンであっても、完全に最新のものであっても、航空機のセンサーによって収集されたすべてのデータは、航空機の前部にある飛行データ収集ユニット(FDAU) に送信されます。このデバイスは、多くの場合、コックピットの下の電子機器ベイにあります。飛行データ収集ユニットは、データ記録プロセス全体の中間管理者です。センサーから情報を取得し、それをブラック ボックスに送信します。

両方のブラック ボックスは、飛行機のエンジンから電力を引き出す 2 つの発電機のうちの 1 つによって電力を供給されます。 1 つの発電機は 28 ボルトの DC 電源で、もう 1 つは 115 ボルト、400 ヘルツ (Hz) の AC 電源です。

コックピットボイスレコーダー

ほぼすべての民間航空機では、コックピットに複数の マイクが組み込まれており、乗務員の会話を聞き取ります。これらのマイクは、スイッチが投げられる音、ノックやドスンという音など、コックピット内の周囲の騒音も追跡します。飛行機のコックピットには最大 4 つのマイクがあり、それぞれがコックピット ボイス レコーダー (CVR) に接続されています。

マイクは音声を CVR に送信し、信号がデジタル化されて保存されます。コックピットには、関連コントロール ユニットと呼ばれるデバイスもあり、CVR に送られるオーディオにプリアンプを提供します。 4 つのマイクは、パイロットのヘッドセット、副操縦士のヘッドセット、3 人目の乗組員のヘッドセット (3 人目の乗組員がいる場合)、およびコックピットの中央付近に配置され、音声アラートやその他の音を拾います。

ほとんどの磁気テープ CVR には、最後の 30 分間のサウンドが保存されます。 30 分ごとに 1 サイクルを完了するテープの連続ループを使用します。新しい素材が記録されると、最も古い素材が置き換えられます。ソリッドステート ストレージを使用する CVR は、2 時間の音声を録音できます。磁気テープレコーダーと同様に、ソリッドステートレコーダーも古い素材を上書きします。

フライトデータレコーダー

フライト データ レコーダー (FDR) は、飛行機のシステムからの運用データを記録するように設計されています。飛行機のさまざまなエリアから飛行データ収集ユニットにセンサーが配線されており、フライト データ収集ユニットは FDR に配線されています。そのため、パイロットがスイッチを切り替えたりノブを回したりするたびに、FDR がそれぞれの動作を記録します。

米国では、連邦航空局 (FAA) が民間航空会社に対し、航空機のサイズに応じて最低 11 ～ 29 のパラメーターを記録することを義務付けています。磁気テープ レコーダーには、最大 100 個のパラメータを記録できる可能性があります。ソリッドステート FDR は、さらに数百、さらには数千を記録できます。

1997 年 7 月 17 日、FAA は、2002 年 8 月 19 日以降に製造された航空機について少なくとも 88 のパラメーターを記録することを義務付ける連邦規則集を発行しました。ほとんどの FDR で記録されたパラメーターのいくつかを以下に示します。

ソリッドステート レコーダーは、より高速なデータ フローを可能にするため、磁気テープよりも多くのパラメーターを追跡できます。ソリッドステート FDR は、最大 25 時間の飛行データを保存できます。 FDR によって記録された追加パラメータはそれぞれ、調査員に事故の原因についての新たな手がかりを与えます。

生き残るために構築

飛行機事故は暴力事件です。このような事故の多くでは、生き残れる唯一のデバイスは、フライト データ レコーダーとコックピット ボイス レコーダーの衝突生存可能メモリ ユニット(CSMU) です。通常、レコーダーのシャーシの残りの部分と内部コンポーネントは破損しています。 CSMU は、レコーダーの平らな部分にボルトで固定される大きなシリンダーです。このデバイスは、極度の熱、衝撃、および大量の圧力に耐えるように設計されています。古い磁気テープ レコーダーでは、CSMU は長方形の箱の中にあります。

ソリッドステート ブラック ボックス内の CSMU は、3 層の材料を使用して、デジタル化されたデータを保存するメモリ ボードのスタックを絶縁し、保護します。

ここでは、メモリ ボードにバリアを提供する材料を詳しく見ていきます。最も内側のバリアから始めて外側に向かって進みます。

これらの強化されたハウジングは非常に重要です。適切な保護がなければ、すべての飛行データが破壊されてしまいます。そのため、データの安全性を確保するために、エンジニアは自社のブラック ボックスを猛烈な勢いで攻撃し、製品が極度の悪用に耐えられるかどうかを確認します。

クラッシュしても耐えられるメモリ ユニットのテスト

ブラック ボックスの品質と存続可能性を保証するために、メーカーは CSMU を徹底的にテストします。覚えておいてください、CSMU だけが衝突から生き残る必要があります。事故調査員がそれを持っていれば、必要な情報を取得できます。ユニットをテストするために、エンジニアはサンプル データを CSMU 内のメモリ ボードにロードします。このパターンは読み出し時に検討され、衝突衝撃、火災、または圧力によってデータが損傷していないかどうかが判断されます。

衝突から生存までのシーケンスを構成するいくつかのテストがあります。

耐火試験中に、メモリ ボードを回路基板に接続するメモリ インターフェイス ケーブルが焼失します。ユニットが冷えた後、研究者はユニットを分解し、メモリモジュールを取り出します。メモリ ボードを再度積み重ね、新しいメモリ インターフェイス ケーブルを取り付け、ユニットを読み出しシステムに接続して、プリロードされたデータがすべて考慮されていることを確認します。

ブラック ボックスは通常、航空機メーカーに直接販売され、航空機メーカーによって設置されます。どちらのブラック ボックスも飛行機の後部に設置されており、飛行機の後部に設置すると生存の可能性が高まります。レコーダーの正確な位置は個々の飛行機によって異なります。場合によっては、ギャレーの天井、後部貨物倉、または航空機の後部を覆うテールコーンに設置されることもあります。

クラッシュ後

「ブラックボックス」と呼ばれていますが、航空記録計は実際には明るいオレンジ色に塗られています。この独特の色と、レコーダーの外側に取り付けられた反射テープのストリップは、事故後に調査員がブラック ボックスを見つけるのに役立ちます。これらは、飛行機が水に着陸するときに特に役立ちます。ブラック ボックスという用語の由来は 2 つ考えられます。初期のレコーダーが黒く塗装されていたからだと考える人もいれば、事故後の火災で起こる焦げのことを指すと考える人もいます。

ブラック ボックスには、ペイントと反射テープに加えて、水中ロケーター ビーコン(ULB) が装備されています。ブラック ボックスの写真を見ると、ほとんどの場合、デバイスの一端に小さな円筒形の物体が取り付けられているのがわかります。このシリンダーはキャリーハンドルとしても機能しますが、実際にはビーコンです。

飛行機が水に墜落すると、ビーコンは人間の耳には聞こえないが、ソナーや音響測位装置によって容易に検出できる超音波パルスを発信します。ビーコンの側面に、目玉のような水没センサーがあります。このセンサーに水が触れるとビーコンが作動します。

ビーコンは 37.5 キロヘルツ (kHz) でパルスを送信し、14,000 フィート (4,267 メートル) の深さまで音を送信できます。ビーコンが ping を開始すると、30 日間 1 秒に 1 回 ping が送信されます。このビーコンは、6 年間の有効期限を持つバッテリーを搭載しています。まれに、大きな衝撃が加わった際にビーコンが切断されることがあります。

米国では、捜査官がブラック ボックスを発見すると、それは (NTSB) のコンピューター室に輸送されます。記録媒体へのさらなる損傷を避けるために、これらのデバイスの輸送には特別な注意が払われます。水の事故の場合、レコーダーは乾燥を防ぐために水の入ったクーラーの中に置かれます。

情報の取得

ブラックボックスを発見した後、調査員はレコーダーを研究室に持ち込み、そこでレコーダーからデータをダウンロードし、事故の出来事を再現しようとします。このプロセスが完了するまでに数週間から数か月かかる場合があります。米国では、ブラックボックスの製造業者が、レコーダーに保存されたデータの完全な分析を行うために必要な読み取りシステムとソフトウェアを国家運輸安全委員会に供給しています。

FDR が損傷していない場合、捜査官はレコーダーを読み取りシステムに接続するだけで FDR を再生できます。ソリッドステート レコーダーを使用すると、調査員は USB またはイーサネット ポートを介して、保存されたデータを数分で抽出できます。残骸から回収されたレコーダーはへこんだり、焼けたりしていることがよくあります。このような場合、メモリ ボードは取り外してクリーンアップされ、新しいメモリ インターフェイス ケーブルが取り付けられます。次に、メモリボードが動作中のレコーダーに接続されます。このレコーダーには、データを上書きすることなく簡単にデータを取得できる特別なソフトウェアが搭載されています。

通常、CVR に保存された録音を解釈するために専門家のチームが派遣されます。このグループには通常、航空会社および航空機メーカーの代表者、NTSB の輸送安全専門家、および NTSB 航空安全調査員が含まれます。このグループには、大学の言語専門家と、必要に応じて通訳も含まれる場合があります。このボードは、CVR によって記録された 30 分間の単語と音声の解釈を試みます。これは骨の折れるプロセスであり、完了するまでに数週間かかる場合があります。

FDR と CVR はどちらも、航空機の調査にとって非常に貴重なツールです。これらは飛行機事故の唯一の生存者であることが多く、他の方法では入手不可能な原因への重要な手がかりを提供します。テクノロジーが進化するにつれて、ブラックボックスは事故調査において今後も大きな役割を果たし続けるでしょう。

ブラックボックスの未来

ブラックボックステクノロジーには、あらゆる種類の潜在的な改善が目前に迫っています。最も明白なことは、現在のシステムはコックピットのアクティビティのビデオをまったく記録していないことです。国家運輸安全委員会は何年もの間、ブラックボックスシステムにビデオ機能を実装しようと試みてきたが無駄に終わっているが、多くのパイロットはそのようなシステムはプライバシーを侵害しており、事故調査官にとっては現在のデータ収集で十分であるとして、ビデオの使用を断固として拒否している。

NTSBは、飛行機墜落事故を調査する際に情報が多すぎるということはないと主張し続けている。現在、ビデオ撮影はまだ中止されています。

しかし、テクノロジーは十分に準備ができています。たとえば、エアバスは、すべてのヘリコプターに Vision 1000 システムを搭載しています。 Vision 1000 カメラはパイロットの頭の後ろに取り付けられ、パイロットの動作とコックピットエリア、およびフロントガラスの向こうの景色のビデオを 1 秒あたり 4 フレームで記録します。重さは約0.5ポンドで、起動には電源とGPS接続のみが必要です。

現状からの抵抗が見つかった改善はビデオだけではありません。 2002年以来、一部の議員は航空保存・飛行強化法を推進しており、その法案では1台ではなく2台のフライトレコーダーが必要となり、その中には事故発生時に飛行機から自動的に脱出するものも含まれている。このような自動排出型レコーダーは見つけやすく、致命的な損傷を受ける可能性が低くなります。しかし今のところ、この法律は議会を通過していない。

ブラックボックスは飛行機だけのものではありません。現在では、さまざまなタイプの車両に組み込まれています。あなたは気づいていませんが、あなたの車にもそれがあるかもしれません。新車の約 90% には、飛行機のブラック ボックスと同じ種類のデータを追跡するイベント データ レコーダー (EDR) が搭載されています。 EDR は表面上、自動車の安全システムを維持および監視するように設計されていますが、事故調査官は、事故をより深く理解するために EDR データを使用することができ、実際に使用することができます…そして、場合によっては、事故後の責任の所在を特定することもできます。

飛行機に搭載されたブラックボックスに関しては、道端で放置される可能性は十分にあります。飛行機はボックスに記録する代わりに、すべての重要なデータを地上のステーションに直接ストリーミングするだけになるかもしれません。これらのシステムはすでに存在します。たとえば、AeroMechanical Services の FlyhtStream 空対地システムは、衛星経由で飛行データを本拠地に送信します。

このようなシステムは、衝突で破壊された可能性のある箱を懸命に探す必要がなくなり、信頼性も高まる可能性があります。しかし今のところ、数千機の飛行機が世界中で何百万人もの人々を乗せて空を飛ぶ中、ブラックボックスは依然として毎日欠かせないものとなっている。

著者のメモ: ブラックボックスの仕組み

私は、運命のジェット機で空を飛び回るという悪夢を繰り返し見ます。毎回、飛行機は離陸中に滑走路を離れ、空に向かって猛スピードで真っ直ぐに加速します。夢の終わりには決して辿り着けない。おそらくそれは良いことです。幸いなことに、航空機の故障は非常にまれです。統計的に言えば、車の方がはるかに危険です。しかし、実際に飛行機が空から落ちてきたとき、その理由が少しでもわかっていれば安心します。そうでなければ、エンジニアや家族は、なぜ罪のない人々がこのようなひどい死に方をしたのか疑問に思いながら苦しみ続けることになるでしょう。ブラックボックスが必要な事故現場に私が加担しないことを祈ります。もちろん、それが夢の中だけの場合は別ですが。