Boîte noire

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Contexte

La boîte noire est un terme générique utilisé pour décrire les enregistreurs de données de vol informatisés transportés par les avions commerciaux modernes. L'enregistreur de données de vol (FDR) est un système informatique miniaturisé qui suit une variété de données concernant le vol de l'avion, telles que la vitesse, la position et l'altitude. Cet appareil est généralement utilisé en conjonction avec une deuxième boîte noire connue sous le nom de Cockpit Voice Recorder (CVR), qui documente les transmissions radio et les sons dans le cockpit, tels que les voix des pilotes et les bruits de moteur. En cas d'incident, les informations stockées dans ces boîtes noires peuvent être utilisées pour aider à déterminer la cause de l'accident.

Les boîtes noires sont utilisées depuis les premiers jours de l'aviation. Les frères Wright ont transporté le premier enregistreur de vol en l'air lors de l'un de leurs premiers vols. Cet appareil rudimentaire a enregistré des données de vol limitées telles que la durée, la vitesse et le nombre de tours du moteur. Un autre pionnier de l'aviation, Charles Lindbergh, a utilisé une version un peu plus sophistiquée consistant en un barographe, qui marquait de l'encre sur du papier enroulé autour d'un tambour rotatif. L'ensemble de l'appareil était contenu dans une petite boîte en bois de la taille d'un porte-fiche. Malheureusement, ces premiers prototypes n'étaient pas solidement construits et n'ont pas pu survivre à un crash.

Dans les années 1940, alors que l'aviation commerciale se développait à pas de géant, une série d'accidents a incité le Civil Aeronautics Board à prendre plus au sérieux l'importance des données de vol. Ils ont travaillé avec un certain nombre d'entreprises pour développer un moyen plus fiable de collecter des données. Relevant le défi, General Electric a développé un système appelé "selsyns", qui consistait en une série de minuscules électrodes attachées directement aux instruments de l'avion. Ces capteurs transmettaient des informations à un enregistreur à l'arrière de l'avion. (Les enregistreurs sont généralement stockés dans la partie arrière de l'avion, car il s'agit de la zone de l'avion la plus résistante aux collisions.) Les ingénieurs de GE ont surmonté un certain nombre de défis techniques lors de la conception des selsyn. Par exemple, ils ont intelligemment reconnu que les conditions de haute altitude de basse pression et température feraient en sorte que l'encre généralement utilisée dans les appareils d'enregistrement gèle ou obstrue les stylos. Leur solution était un système d'enregistrement qui s'appuyait sur un stylet pour découper une image dans du papier noir recouvert de laque blanche. Cependant, malgré leurs efforts, l'unité n'a jamais été utilisée dans un vol réel. À peu près à la même époque, une autre société d'ingénierie, Frederick Flader, développa un des premiers enregistreurs à bande magnétique; cependant, cet appareil n'a également jamais été utilisé.

La technologie de la boîte noire n'a progressé qu'en 1951, lorsque le professeur James J. Ryan a rejoint la division mécanique de General Mills. Ryan était un expert en instrumentation, en analyse vibratoire et en conception de machines. S'attaquant au problème des FDR, Ryan a proposé son propre enregistreur de vol VGA. Le « V » signifie vitesse (vitesse) ; "G" pour les forces G (accélération verticale) ; et "A" est pour l'altitude. L'enregistreur Ryan était un appareil de 4,5 kg (10 lb) de la taille d'une boîte à pain avec deux compartiments séparés. Une section contenait les appareils de mesure (l'altimètre, l'accéléromètre et l'anémomètre) et l'autre contenait l'appareil d'enregistrement, qui était relié aux trois instruments.

La conception compartimentée de base de Ryan est toujours utilisée dans les enregistreurs de vol aujourd'hui, bien qu'elle ait subi de nombreuses améliorations. Le stylet et le dispositif d'enregistrement sur film de laque ont été remplacés par une bande magnétique d'un quart de pouce (6,4 mm), qui a été à son tour remplacée par des puces à mémoire numérique. Le nombre de variables que les enregistreurs peuvent suivre a également considérablement augmenté, passant de trois ou quatre paramètres à environ 300. Les FDR peuvent désormais suivre des caractéristiques en vol telles que la vitesse, l'altitude, la position des volets, le mode pilote automatique et même l'état de la fumée à bord. alarmes. Au début des années 1960, l'industrie du transport aérien a ajouté la capacité d'enregistrement vocal avec le Cockpit Voice Recorder (CVR). Mais l'avancée la plus importante dans la fabrication d'enregistreurs de vol a peut-être été les améliorations apportées à sa construction, permettant aux unités de mieux résister à la force destructrice d'un crash. Les premiers modèles ne devaient résister qu'à environ 100 G (100 fois la force de gravité), ce qui équivaut à peu près à la force d'une chute d'environ 3 m (10 pi) du sol sur une surface en béton. Pour mieux simuler les conditions de collision réelles, en 1965, les exigences ont été augmentées à 1 000 G pendant cinq millisecondes et plus tard à 3 400 G pendant 6,5 millisecondes.

Aujourd'hui, la FAA exige que les gros avions commerciaux et certains petits avions commerciaux, d'entreprise et privés soient équipés d'un enregistreur vocal de cockpit et d'un enregistreur de données de vol. En cas d'accident, les boîtes noires peuvent être récupérées et envoyées, encore scellées, au National Transportation Safety Board (NSTB) pour analyse.

Composants

L'enregistreur de données de vol et l'enregistreur de données vocales (ou Cockpit Voice Recorder) sont construits à partir de composants similaires. Les deux comprennent une alimentation, une unité de mémoire, une carte de contrôleur électronique, des périphériques d'entrée et une balise de signal.

Alimentation

Les FDR et les CVR fonctionnent tous deux sur une alimentation électrique à double tension (115 VCA ou 28 CC), ce qui donne aux unités la flexibilité d'être utilisées dans une variété d'avions. Les batteries sont conçues pour un fonctionnement continu de 30 jours et ont une durée de vie de six ans.

Unité de mémoire de survie en cas d'accident (CSMU)

Le CSMU est conçu pour conserver 25 heures d'informations de vol numériques. Les informations stockées sont de très haute qualité car l'électronique de pointe de l'unité lui permet de conserver les données sous une forme non compressée.

Contrôleur intégré et carte de circuits (ICB)

Cette carte contient les circuits électroniques qui servent de standard pour les données entrantes.

Interface avion

Ce port sert de connexion pour les périphériques d'entrée à partir desquels les boîtes noires obtiennent toutes leurs informations sur l'avion. L'interface FDR reçoit et traite les signaux d'une variété d'instruments à bord de l'avion, tels que l'anémomètre, les alarmes d'avertissement embarquées, l'altimètre, etc. L'interface utilisée pour le CVR reçoit et traite les signaux d'un microphone de cockpit, qui est généralement monté quelque part sur le tableau de bord supérieur entre les deux pilotes. Le microphone est destiné à capter les sons qui peuvent aider les enquêteurs à déterminer la cause d'un accident, tels que le bruit du moteur, les avertissements de décrochage, l'extension et la rétraction du train d'atterrissage et d'autres clics et craquements. Ces sons peuvent aider à déterminer l'heure à laquelle certains événements liés à l'accident se sont produits. Le microphone relaie également les communications avec le contrôle de la circulation aérienne, les briefings météorologiques radio automatisés et les conversations entre les pilotes et le personnel au sol ou de cabine.

Balise de localisation sous-marine (ULB)

Chaque enregistreur peut être équipé d'une balise de localisation sous-marine (ULB) pour aider à identifier son emplacement en cas d'accident au-dessus de l'eau. L'appareil, officieusement connu sous le nom de « pinger », est activé lorsque l'enregistreur est immergé dans l'eau. Il transmet un signal acoustique sur 37,5 KHz qui peut être détecté avec un récepteur spécial. le L'enregistreur de données de vol (FDR) est un système informatique miniaturisé qui suit une variété de données concernant le vol du avion, y compris sa vitesse, sa position et son altitude. Le système est logé dans un conteneur en métal lourd conçu pour résister au stress d'un accident. La balise peut transmettre des profondeurs jusqu'à 14 000 pieds (4 200 m).

Le processus de fabrication

La clé pour réussir la fabrication d'une boîte noire est de la rendre aussi indestructible que possible. Cela se fait en enrobant les composants à l'intérieur d'une coque de protection multicouche. Les différents fabricants d'enregistreurs ont chacun leur propre conception exclusive, mais en général, le processus de fabrication peut être décrit comme suit :

1. Les composants clés (l'alimentation, la carte d'interface/contrôleur et les circuits de mémoire) sont construits en tant qu'unités séparées, puis assemblés pour former la boîte noire terminée. Cette approche modulaire permet de remplacer facilement les composants sans démontage de l'ensemble de l'appareil. Chacun de ces composants a ses propres exigences d'assemblage particulières, mais une attention particulière est accordée à la protection de l'unité de mémoire, car elle contient les données qui intéresseront les enquêteurs.
2. Une configuration multicouche est utilisée pour garantir que les circuits intégrés de l'unité de mémoire sont correctement protégés. La couche la plus externe est le boîtier, qui se compose d'une plaque de blindage en acier.
3. En dessous se trouve une couche d'isolant, suivie d'une épaisse plaque de paraffine, qui forme un bloc thermique. Au fur et à mesure que la paraffine fond, elle absorbe de la chaleur et maintient donc la température du cœur de mémoire plus basse.
4. Sous la paraffine se trouve la carte contenant les puces mémoire.
5. Sous la carte mémoire se trouve un autre bloc thermique de paraffine, suivi d'une autre couche d'isolation. L'ensemble est monté sur une plaque d'acier qui sert de capot d'accès.
6. L'unité de mémoire Crash Survivable assemblée est ensuite boulonnée à l'avant d'une étagère de montage en métal lourd avec quatre gros boulons de retenue. L'alimentation est fixée juste derrière le CSMU.
7. La carte de circuit imprimé d'interface et de contrôle (ICB) est fixée par des vis sur la face inférieure de l'étagère de montage. Un couvercle d'accès en métal protège la carte et offre un accès facile.
8. La balise de localisation sous-marine (ULB) est fixée aux deux bras partant de l'avant de l'unité de mémoire. L'ULB dépasse du boîtier et a une forme cylindrique qui permet de l'utiliser comme poignée pour l'ensemble de l'appareil. Si l'enregistreur doit être vendu sans ULB, un tube de poignée métallique creux est installé à sa place.
9. Le boîtier extérieur est peint en orange vif ou en rouge pour le rendre plus visible en cas de collision.

Contrôle qualité

Après la fabrication, les unités sont exposées à une série de conditions de test de torture exténuantes et quelque peu bizarres. Des boîtes noires sont tirées de canons, poignardées par de fines tiges d'acier, attachées à des poids de 500 lb (227 kg) et lâchées de 3 m (10 pi) au-dessus du sol, écrasées dans un étau à une pression de 2 270 kg (5 000 lb), cuites avec un chalumeau pendant une heure à 2 012 °F (1 100 °C) et immergé sous l'équivalent de 20 000 pieds (6 000 m) d'eau de mer pendant un mois. Après de tels tests, le microprocesseur embarqué permet d'exécuter une variété de diagnostics pour s'assurer que l'unité fonctionne correctement. L'interface haute vitesse permet de contrôler l'ensemble de l'unité mémoire en moins de cinq minutes. Cette évaluation peut être effectuée en usine pour vérifier le bon fonctionnement de l'unité, puis à nouveau après l'installation pour s'assurer qu'elle fonctionne toujours correctement. Conformément à la réglementation, les enregistreurs de vol des aéronefs nouvellement fabriqués doivent surveiller avec précision au moins 28 facteurs critiques, tels que le temps, l'altitude, la vitesse, le cap et l'attitude de l'aéronef. Le temps moyen entre les pannes de ces appareils doit être supérieur à 15 000 heures et ils sont conçus pour ne nécessiter aucun entretien. Si l'unité réussit tous les tests décrits ci-dessus, elle répond aux exigences établies par la FAA (Federal Aviation Authority).

Le futur

L'avenir se dessine déjà pour les fabricants de boîtes noires. Smith Industries, un important fournisseur d'enregistreurs de vol, a récemment annoncé qu'il développait un appareil unique qui remplacera les unités FDR et CVR distinctes. Leur appareil est connu sous le nom d'enregistreur d'acquisition de données intégré (IDAR), et il intègre les données de vol et de voix dans une configuration de boîtier unique, ainsi qu'un système de transfert de données pour la récupération des données de maintenance. L'introduction de l'IDAR permet une réduction de 25 % du poids critique du système. Il est intéressant de noter que cette nouvelle orientation dans le développement des produits intervient en même temps qu'une nouvelle législation qui rend obligatoire l'enregistrement des données liées aux messages du contrôle aérien. Cette nouvelle loi exigerait que les boîtes noires contiennent encore plus d'informations. Il est probable que les fabricants d'équipements d'enregistrement de vol relèveront le défi et développeront des boîtes noires capables de stocker de plus en plus d'informations dans des packages de plus en plus réduits.