Sistemas de grabación de datos

¿Qué es una caja negra? Una caja negra es como popularmente se conoce a los sistemas de grabación de datos de los aviones comerciales. Mucha gente me pregunta el por qué del nombre. No está claro, pero el concepto de caja negra lo estudiábamos en psicología, como elemento en el que no importa el funcionamiento interno sino las salidas a las que daban lugar las entradas. Es decir, no nos interesa como produce los resultados. Lo que nos interesa son simplemente los propios resultados.

Es muy posible que debido a este concepto que se venía utilizando desde principios del siglo XX se haya traspasado traspasado a la aeronáutica y concretamente a las cajas registradoras de datos que llevan los aviones. La implantación del término es tal, que aunque vayan pintadas de un escandaloso color anaranjado para su rápida localización, se las seguirá conociendo popularmente con ese nombre.

La función principal de uno de estos aparatos es almacenar datos que, en caso de un accidente, permitan analizar lo ocurrido en los momentos previos. Gracias a estos aparatos se llegan a resolver con gran precisión la gran mayoría de los accidentes. Se habla del el ingeniero francés Francois Hussenot y de Paul Beaudouin a finales de los años 30 como los pioneros de estos sistemas, pero en realidad los actuales sistemas son fruto de una evolución constante que ha involucrado a muchísimos ingenieros y compañías industriales. Sin embargo hubo un adelanto que fue significativo. Fue el ingeniero Australiano Davis Warren el que introdujo en 1953 la capacidad de grabar voces y sonidos dentro de la cabina de vuelo. Dicen que estaba investigando el accidente del Comet y después de ver una grabadora de voz en miniatura para ejecutivos en una feria de comercio, pensó que si esa grabadora hubiera ido dentro del avión funcionando se podría haber sabido mucho de lo que ocurrió en el interior del avión. 

La invención de Warren a la que llamó inicialmente "The ARL Flight Memory Unit" estaba basada en una cinta magnética, como la de la grabadoras personales. Este dispositivo añadió una nueva dimensión a estos sistemas, ya que ahora no solo se grababan datos de vuelo, sino que a partir de su invento se podrían escuchar las conversaciones y sonidos en el cockpit. Gracias a la grabación de sonidos se puede saber por ejemplo si el piloto ha hecho una selección en panel de guiado del avión o si ha existido la detonación de una bomba a bordo. Todo esto está muy bien, pero ¿cuánto sabemos realmente sobre estos sistemas?

Para empezar se llaman FDR y CVR. A veces van combinados en una sola unidad llamada FDR/CVR. La denominación puede variar en función de la ecología empleada. Por ello el “FDR” (flight data recorder) incluye a los sistemas digitales o digital flight data recorders (DFDRs), a los solid-state flight data recorders (SSFDRs) y a los denominados Universal flight data recorders (UFDRs). A bordo de la aeronave pueden existir además otros dispositivos grabadores de datos, como el conocido Quick AccessRecorders (QARs), destinado a mantenimiento principalmente, pero también el flight test equipment, los FADEC de los motores, PARs, etc.

El uso de los dispositivos de grabación de datos es obligatorio desde 1967. Cualquier avión comercial moderno que opere bajo la certificación CS-25 está obligado a llevar estos sistemas. En realidad cuando nos referimos al registro de datos son dos cosas las que se registran. Por un lado se toman datos del avión y en otro sistema se hace la grabación de las voces. La grabación de datos se efectúa en lo que se conoce en inglés como flight data recorder (FDR) y la grabación de voces y sonidos es registrado en un cockpit voice recorder (CVR). La EASA exige un mínimo de tiempo de grabación. Se puede ver esta normativa en el post que publiqué hace poco:
https://greatbustardsflight.blogspot.com.es/2016/09/derecho-aereo-nuevos-tiempos-de.html
en la "Nueva Legislación" se requiere:

1) grabadora de voz en cabina (CVR):

Los 30 minutos de grabación de duración de los CVR instalados en aviones deben ser reemplazados por 2 horas de grabación antes de enero del 2019;

Todos los CVR instalados en aviones y helicópteros que graben en cinta magnética deben ser reemplazados por los CVR de estado sólido antes de enero del 2019;

Aviones con un peso máximo certificado (MCTOM) de más de 27.000 kg y fabricados a partir de enero de 2021: deberàn tener una duración mínima de grabación de datos de voz (CVR) de 25 horas.

2) dispositivos de localización submarinos (ULD):

Los registradores de vuelo ULD: deben ser capaces de transmitir al menos 90 días antes de julio de 2018 (en lugar de 30 días);

Los aviones con un MCTOM de más de 27 000 kg y más de 19 personas y los aviones de carga con un MCTOM de más de 45 500 kg que realizan vuelos transoceánicos: deben ser adaptados para enero de 2019 con un ULD adicional de largo alcance con un gran rango de detección.

3) la localización de la aeronave:

Los operadores de los aviones con un MCTOM de más de 27 000 kg y 19 pasajeros y los aviones de carga con un MCTOM de más de 45 500 kg: deben poner en marcha un sistema de seguimiento de la aeronave para los vuelos no registrados por ATC, antes de diciembre de 2018;

Los aviones con un MCTOM de más de 27 000 kg y 19 pasajeros y aviones de carga con un MCTOM de más de 45 500 kg, fabricados a partir de enero de 2021: deben estar equipados con medios robustos y automáticos para determinar la ubicación de un accidente.

La legislación además determina que estos dispositivos sean capaces de soportar un impacto de 3.400 g's y temperaturas de más de 1.000° C. Toda la normativa aplicable viene descrita en el documento ED-112 de EUROCAE. Para ayudar a localizar el registrador de voz de cabina y el registrador de datos de vuelo después de un accidente aéreo sobre el mar, cada grabadora tiene un dispositivo instalado conocido como sonoboya o localizador Subacuático (underwater locator beacon o ULB). El dispositivo se activa tan pronto como la grabadora entra en contacto con el agua y puede transmitir desde una profundidad de 14.000 pies. 

La grabadora de voz de cabina

El objetivo principal de la grabadora de voz de cabina es, como cabe esperar, grabar lo que dice la tripulación y los sonidos que se producen dentro de la cabina. Los investigadores no están interesados ​​en las bromas más o menos ingeniosas entre pilotos sino en la captación de sonidos como el ruido del motor, avisos de pérdida o "pings" de emergencia y cualquier otro sonido susceptible de ser identificado a posteriori. Los investigadores son tan hábiles que luego son capaces de elaborar información crucial del vuelo, como la velocidad del avión, las rpm del motor y a veces pueden determinar la causa de un accidente desde el mismo segundo anterior antes de que se destruya el micrófono. Este fue el caso en la investigación de un presunto accidente que acabó siendo identificado como acto terrorista. Las explosiones en el interior del avión generan una especie de "click" característico (antes de que se destruya el micrófono) que solo una bomba puede crear. En el avión estrellado en los Alpes por ejemplo, se pudo escuchar que el piloto suicida ya intentó la selección de altitud cero en el panel de guiado en el vuelo de ida. Los clicks del mando selector quedaron grabados y con la cantidad de clicks se pudo calcular la selección de altitud. La grabadora de voz de cabina es también muy importante para determinar la secuencia de eventos, ya que contiene información de las comunicación entre la tripulación y control de tierra y otras aeronaves. La grabadora de voz normalmente se encuentra localizada en la cola de un avión.

La OACI, exige desde el 1 de enero de 2007, que todos los aviones que utilicen comunicaciones de enlace de datos (Data Link) están obligados a llevar un CVR que registre todas las comunicaciones del enlace de datos desde y hacia el avión. La duración mínima de la grabación será igual a la duración del CVR y se correlacionará con el audio grabado en la cabina. Asimismo, se registrará información suficiente para derivar el contenido del mensaje de comunicaciones de enlace de datos y, cuando sea práctico, la hora en que el mensaje fue mostrado o generado por la tripulación. Los requisitos de rendimiento del CVR figuran en el documento MOPS (Minimum Operational Performance Specification) para Flight Recorder Systems de la Organización Europea de Aviación Civil (EUROCAE).

Los CVR más antiguos utilizaban grabación analógica por cable, más tarde se reemplazó por cinta magnética analógica. Algunas de las unidades de cinta usaban dos bobinas, con la cinta invirtiendo automáticamente la dirección al llegar al final. En la actualidad, los CVR más utilizados son capaces de grabar datos en 4 canales de audio durante un período de 2 horas. El requisito previo de 30 minutos resultó ser insuficiente en muchos casos. En algunas investigaciones de accidentes, faltaban partes importantes de los datos de audios al ocurrir 30 minutos antes del final de la grabación (la cinta una vez llena se sobrescribe cada 30 min).

Los CVR de última generación utilizan memoria de estado sólido y técnicas de grabación digital que los hacen mucho más resistentes a golpes, vibraciones y humedad. Al requerir poca energía, estos modernos sistemas de estado sólido pueden incorporar una batería en la misma unidad y de esta forma la grabación puede continuar hasta la terminación del vuelo, incluso en el caso de que falle el sistema eléctrico de la aeronave. Los pilotos pueden borrar el audio grabado en la mayoría de aviones comerciales una vez que el avión se encuentra en el suelo y el freno de emergencia/parking se encuentra puesto. Respecto a la introducción de grabaciones de vídeo en la cabina de vuelo hay que decir que los intentos han tenido muy poco éxito hasta la fecha debido mayormente a la resistencia de las organizaciones profesionales y sindicales.

El registrador de datos de vuelo

Este equipo es esencial para el trabajo de los investigadores, ya que registra múltiples funciones esenciales de la operación del avión, como el tiempo, la altitud, la velocidad y la dirección del avión entre muchas otras. Los registradores de datos de vuelo modernos son capaces de controlar una gran cantidad de acciones secundarias del avión, como el movimiento individual de los alerones en las alas, las funciones del piloto automático y el indicador de combustible entre otros. Los datos almacenados en los registradores se vuelcan en los ordenadores de los investigadores y con ellos y la ayuda del software especializado se generar reconstrucciones de vídeo por ordenador de todo el vuelo hasta el momento del accidente. Los registradores modernos están dotados de la unidad ULB (Underwater Locator Beacon) que transmite una señal acústica en una frecuencia de 37,5 KHz, que se puede detectar con un receptor adecuado. En el caso de los registradores de última generación, estas transmisiones son detectables en casi todas las profundidades oceánicas, pero como están alimentadas por una batería, sus transmisiones sólo podrán ser detectadas hasta que se agote esta.

Principio de Operación de los tres modelos

El FDR a bordo del avión registra muchas condiciones de operación diferentes del vuelo. Por ley, las aeronaves de nueva fabricación deben recoger al menos ochenta y ocho parámetros importantes. Algunos FDR pueden llegar a registrar más de 1.000 características en vuelo. Los elementos controlados pueden ser cualquier cosa desde la posición de las superficies de control hasta el modo del piloto automático o incluso las alarmas de humo. Se exige por ley que, anualmente, se realice una verificación (lectura) del FDR para cerciorarse de que se registran todos los parámetros obligatorios.

Cinta magnética - La introducción del CVR a finales de 1960 y DFDR a principios de 1970 hizo que fuera la cinta magnética el medio de grabación de elección hasta que llegaron los registradores de vuelo de estado sólido a finales de los 80. En los primeros años había una gran variedad de cintas de grabación diferentes dependiendo del fabricantes. Las cintas más utilizadas (por sus propiedades y resistencia) fueron del tipo mylar, kapton y también cinta metálica. Los sistemas donde se movía y se almacenaba la cinta eran incluso más variados, se usaron diseños tales como la bobina de coplaner, el doble carrete coaxial, paquetes de carrete de bucle sin fin, etc. Los CVR de cinta graban cuatro canales de audio durante 30 minutos, y el DFDR registra 25 horas de datos. Los CVR y los FDR registran y reescriben los datos nuevos sobre los más antiguos en un patrón de grabación en bucle sin fin. Estos aparatos ya están anticuados y no se van a usar más en la aviación comercial. 

Grabación digital - La mayoría de los DFDR requieren una unidad de adquisición de datos de vuelo (FDAU) para proporcionar una interfaz entre los diversos sensores y el DFDR. El FDAU convierte señales analógicas de los sensores a señales digitales que se multiplexan a continuación en un flujo de datos (data stream) en serie apropiado para la grabación en el DFDR. Las normas de la industria dictaron desde el principio el formato de los datos, que para la gran mayoría de los DFDR de cinta magnética eran de 64 palabras de datos a 12 bits por segundo. La capacidad de grabación de la cinta DFDR estaba limitada por la longitud de la cinta que se podía almacenar en un sistema de protección resistente a impactos. La capacidad de los DFDR de cinta era adecuada para la primera generación de aviones de fuselaje ancho, pero quedó anticuada cuando se introdujeron aviones como el Boeing 767 y Airbus A320 con aviónica digital.

Tecnología de estado sólido - La introducción de registradores de vuelo de estado sólido a finales de los años ochenta marcó el avance más significativo en la evolución de la tecnología de registradores de vuelo. El uso de dispositivos de memoria de estado sólido en grabadores de vuelo ha ampliado la capacidad de grabación, mejorado la supervivencia al choque/fuego y también la fiabilidad del grabador. Ahora es posible tener un CVR que registre 2 horas de audio y un DFDR que puede grabar hasta 256 palabras de datos a 12 bits por segundo, que representa 4 veces la capacidad de los DFDR de cinta magnética.

Normativa actual para garantizar la supervivencia

TSO C123a (CVR) y C124a (DFDR)

• Fuego (Alta Intensidad) - Llama de 1.100 ° C que se aplica al 100% de la grabadora durante 30 minutos. (60 minutos si se utiliza el protocolo de prueba ED56)
• Fuego (baja intensidad) - 260 ° C Prueba en horno durante 10 horas
• Fuerza de Impacto - 3.400 Gs durante 6,5 ms
• Presión estática - 5.000 libras de fuerza durante 5 minutos en cada eje
• Inmersión fluida - Inmersión en fluidos de avión (combustible, aceite, etc.) durante 24 horas
• Inmersión en agua - Inmersión en agua de mar durante 30 días
• Resistencia a la perforación - 500 libras Caída desde 10 pies con un punto de contacto de ¼ de pulgada de diámetro
• Presión hidrostática - Presión equivalente a una profundidad de 20.000 pies.

El futuro de los FDR

Con el desarrollo imparable de la tecnología, es probable que las cajas negras o registradores de datos de vuelo, se conviertan cada vez más en sistemas sofisticados capaces de registrar los más mínimos detalles para ayudar a investigadores en la reconstrucción de los accidentes. Se ha empezado a hablar del formato MP3 (el humilde y adorado formato de los amantes de la música en todo el mundo). Con este sistema se podrían llegar a grabar más de 500 horas de datos si se comparan con los sistemas actuales. Los nuevos aviones comerciales, como el BOEING 787 ya llevan instalados los llamados  Enhanced Airborne Flight Recorder (EAFR) o rergistradores mejorados, que junto con los micrófonos de área y las unidades de potencia independientes, van comunicados directamente a la red de datos de la aeronave por medio de fibra óptica. Los estándares de como deben de ser estos nuevos equipos ya están definidos en la norma EUROCAE, en el documento ED-112 "Minimum Performance Specification for Crash Protected Airborne Flight Recorders". En este documento se establecen las normas de como deben de estar conectados los equipos en un entorno ARINC767. Con estas especificaciones los modernos sistemas del 787 pueden registrar unos 2.000 parámetros durante 50 horas sin necesidad de reescribir. Aunque cada uno de estos aparatos es capaz de hacer  la grabación de datos y voces, la legislación establece todavía la necesidad de montarlos por duplicado. En estos nuevos sistemas se introduce también la grabación de enlace de datos (Data Link). los FDR/CVR registran todas las comunicaciones y los mensajes del enlace de datos desde y hacia el avión. 

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