上海理工大學(xué)教授劉軼博士提出新設(shè)想 有沒有“萬無一失”的黑匣子,？ 
馬航MH370的神秘失蹤，成為世界矚目的新聞焦點(diǎn),，來自各國政府,、軍方、民間的各種猜測和解讀,，好像在上演一出活生生的懸疑劇,。 其實(shí)，真正能解開謎團(tuán)的只有靠飛機(jī)上的“黑匣子”,，為此,，世界多國派遣了各種配備先進(jìn)探測裝置的飛機(jī)艦船，動用高分辨衛(wèi)星和軍事雷達(dá)等技術(shù),，進(jìn)行著史無前例的大范圍搜索,。 這是一場“大海撈針”式的艱難搜尋，隨著“黑匣子”電池能量即將耗盡,，這場角逐日益變得緊張激烈,，扣人心弦。 “黑匣子”的外表其實(shí)并不黑 據(jù)《悉尼先驅(qū)晨報》報道,，馬航失聯(lián)班機(jī)于2014年4月6日進(jìn)入第30天,，各國飛機(jī)艦船等投入的搜救費(fèi)用開銷高達(dá)約5330萬美元，已打破耗時兩年搜尋法航447的費(fèi)用5000萬美元,，成為航空史上最昂貴的搜尋行動。 “黑匣子去哪兒了,？”盡管這場搜尋正在耗費(fèi)巨大的人力,、物力和財力，不管付出多么高昂的代價,，搜索,，在道義上都是必須而且值得的。 但人們更應(yīng)該冷靜思考，如何通過改進(jìn)黑匣子的設(shè)計,，避免重蹈馬航失聯(lián)班機(jī)的覆轍,，這是一次迫在眉睫的科技挑戰(zhàn)。很多人從不同的角度思考這個問題,，包括用科技手段設(shè)計出易于追蹤,、尋找和發(fā)現(xiàn)的黑匣子，上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授劉軼博士,，就是其中的一位,。 “黑匣子”為什么容易丟失？劉軼博士從這個最簡單的發(fā)問開始思考,，很自然地發(fā)現(xiàn)了飛機(jī)“黑匣子”設(shè)計上存在的四大問題,，這些問題導(dǎo)致事故發(fā)生時，黑匣子可能被損毀或找不到,；即使找到,，里面存儲的有價值信息也有可能會丟失。 他認(rèn)為,，以現(xiàn)在的科技水平,，黑匣子設(shè)計上的這些缺陷完全可以避免和消除，這四大問題本來就不該是個事兒,。 什么是“黑匣子”,？ “黑匣子”的外表其實(shí)并非黑色。恰恰相反,，為了醒目便于尋找,，它一般都被涂成桔紅或明黃等鮮艷的色彩。因此“黑匣子”并不是根據(jù)其顏色而命名,，而是它被視為代表空難的不祥之物,，故被俗稱為“黑匣子”。 “黑匣子”的四個問題 飛機(jī)上的“黑匣子”有兩種類型,，它們的學(xué)名分別叫“飛行數(shù)據(jù)記錄儀”和“機(jī)艙話音記錄器”,。 飛行數(shù)據(jù)記錄儀，主要用于記錄飛機(jī)的各種飛行數(shù)據(jù),，包括飛行速度,、加速度、飛行姿態(tài),、飛行軌跡（航跡）,、經(jīng)緯度、航向,。甚至記錄作用在飛機(jī)上的各種外力,，如阻力,、升力、推力等,，總共約3000多種類型的數(shù)據(jù),。飛行數(shù)據(jù)記錄儀可以保存25小時的飛行參數(shù)數(shù)據(jù)，如果超過最大存儲時間,，數(shù)據(jù)記錄儀就自動用新數(shù)據(jù)覆蓋舊數(shù)據(jù),。 機(jī)艙話音記錄器，主要用于記錄機(jī)組人員和地面人員的通話,、機(jī)組人員之間的對話,，以及駕駛艙內(nèi)出現(xiàn)的各種聲響，甚至包括飛機(jī)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音等,。它的工作原理與普通磁帶錄音機(jī)類似,，磁帶周而復(fù)始反復(fù)運(yùn)行，不停地洗舊錄新,。由于記錄長度所限,，留下的總是最后半小時的聲音。如果飛機(jī)不幸失事,，這最后半小時的聲音記錄就會成為事故調(diào)查的重要參考依據(jù),，因而變得彌足珍貴。 當(dāng)飛機(jī)失事時,，黑匣子內(nèi)置的發(fā)射機(jī)會自動向四周發(fā)射特定頻率（如37.5千赫）的超聲波信號,；可以在6000米水下每秒發(fā)送一次脈搏般聲波脈沖信號“報告”自己所處的方位，搜救者可以通過換能器將接收到的數(shù)值信號轉(zhuǎn)換成模擬信號進(jìn)行定位,。1974年,，一架波音707飛機(jī)墜入3000多米深的海底，搜救人員就是靠這種無線電定位信號找到了黑匣子,。由于黑匣子電池容量有限,，定位發(fā)信機(jī)通常只能連續(xù)工作一個月左右。 黑匣子外殼由特殊合金材料（一般為不銹鋼或鈦合金）制成,，要耐高溫（1100攝氏度1小時）,、高壓（可承受6000米深水壓）、耐沖擊振動（耐3400倍重力沖擊）,、抗電磁波干擾和耐腐蝕（如耐海水或煤油長時間浸泡）,。這些苛刻的材料設(shè)計要求，顯然是為了使“黑匣子”在事故發(fā)生時能夠安然無恙地被保存下來,，為事后的事故分析提供直接的資料證據(jù),。 但是，目前的“黑匣子”設(shè)計是否真的萬無一失呢,？劉軼博士介紹,，黑匣子存在四個問題。 （1）雖然外殼材料堅固,，但是在爆炸情況下也可能損毀破壞,。 （2）黑匣子由合金制成，密度大,，入水后會沉到水底,。 （3）按目前設(shè)計，黑匣子電池容量只能保證工作30天,。如果尋找或打撈不及時,，黑匣子的定位信號就會隨著電量耗盡而銷聲匿跡。 （4）黑匣子內(nèi)記錄的信息量有限,，僅有20多小時飛行參數(shù)和半小時機(jī)艙內(nèi)錄音,。超過此容量后，舊的信息會被新的覆蓋,。 這四大問題使“黑匣子”容易在事故中破損,，或者失蹤。即使被找到,，也不一定確保能獲取有價值的信息,。 針對上述四大問題，劉軼博士提出了四個改進(jìn)設(shè)想,。 “黑匣子”的四個新設(shè)想 設(shè)想一： 緊急脫離裝置（含彈射裝置和降落傘） 目的：避免在飛機(jī)發(fā)生爆炸時,，黑匣子被直接損毀。 解決方法：參考飛行員緊急逃生裝置,，給黑匣子安裝類似緊急脫離裝置,。當(dāng)壓力、振動,、溫度等監(jiān)控指標(biāo)超過闕值,，立即啟動彈射裝置，使“黑匣子”自動脫離飛機(jī),。彈射時需要的能量,，可以采用類似火箭自燃推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的熱量，確保啟動裝置不受外界沖擊而影響正常工作,。 因?yàn)楹谙蛔油ǔ０惭b在飛機(jī)尾部,，可以專門為其考慮設(shè)置與機(jī)內(nèi)環(huán)境隔離的脫離出口，保證黑匣子的脫離不影響機(jī)內(nèi)氣體壓力,。 當(dāng)黑匣子離開機(jī)體一定時間或距離后,，脫離裝置自動打開降落傘（包括下面提到的浮盤），使其在空中徐徐降落,。延長落地時間,，一方面,，有利于緩沖降落時受到的地面或水面沖擊，避免機(jī)械損壞,；另一方面,，可以充分利用這段延遲的降落時間，在高空中發(fā)射強(qiáng)大功率的求救信號,，讓衛(wèi)星或雷達(dá)等探測裝置及時接收到,。 設(shè)想二：水上漂浮裝置 目的：防止黑匣子落水后沉入水底。 解決方法：黑匣子外部利用形狀記憶合金或折疊機(jī)構(gòu)制作漂浮裝置,。該裝置在彈射離開飛機(jī)后,，靠形狀記憶或觸發(fā)折疊機(jī)構(gòu)，展開大面積飛碟狀圓形浮盤,。浮盤材料需要采用輕質(zhì)合金（如泡沫多孔金屬）,，在保持足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐燃燒的同時，盡量減少密度,，使其能夠讓黑匣子漂浮在水面上,。浮盤外表涂覆熒光涂料，可以在夜間發(fā)光,，便于夜間搜尋,。 此外，浮盤可以綁定內(nèi)含染色劑,，外涂熒光劑的漂浮球,，在增加浮力的同時，可以提高白日和夜間的辨識度,。還可以釋放摻有鮮艷醒目顏色的油質(zhì),，滲出的油質(zhì)可以漂浮到水面，并形成長期穩(wěn)定的油膜,，為搜尋提供明顯標(biāo)記物,。即使落到地面，顏色醒目的大面積浮盤也會為尋找提供便利,。 設(shè)想三：太陽能電池裝置 目的：提供更持久能源動力,。 解決方法：在展開浮盤的表面，鋪設(shè)太陽能電池材料,，使其展開后在太陽光作用下,，不斷持續(xù)產(chǎn)生新的能源電力，用以補(bǔ)充原有的電池能源,。 太陽能產(chǎn)生的電能將被存儲在裝置內(nèi),，留作夜間或光線不良時的能源使用。持久可靠的能源,，將使黑匣子不斷發(fā)射求救信號,。此外,，求救信號要設(shè)定唯一標(biāo)識，與其他類似信號截然分開,，比如在電磁波的頻率和脈沖波形等方面的組合具有獨(dú)特的指紋特征,。 設(shè)想四：大容量存儲介質(zhì)裝置 目的：存儲更多有價值信息,，防止數(shù)據(jù)被覆蓋,。 解決方法：采用高密度數(shù)值光學(xué)記錄介質(zhì)（如藍(lán)光DVD），替代磁性記錄介質(zhì),，可以存儲長達(dá)若干年的數(shù)字信息資料,。而且，一旦意外發(fā)生,，在脫離裝置啟動后,，記錄信息的操作將被自動停止鎖住，不再進(jìn)行更新,，以便真實(shí)保留事故發(fā)生前那段時間的寶貴信息,，防止被后續(xù)的無關(guān)信息覆蓋。 另外,，所有記錄數(shù)據(jù)要留有備份,，當(dāng)部分?jǐn)?shù)據(jù)被損壞時，可以通過備份提供補(bǔ)充信息,，使信息資料盡可能完整,。 針對黑匣子現(xiàn)狀所進(jìn)行的改進(jìn)，目的是使事故發(fā)生時,，不要再遇到類似馬航飛機(jī)失蹤后的搜救困難,。劉軼博士認(rèn)為，他提出的解決方案大部分有一定科學(xué)背景,，但目前僅限于概念和創(chuàng)意階段,，具體的設(shè)計細(xì)節(jié)仍需完善、實(shí)驗(yàn)和改良,。他指導(dǎo)學(xué)生將此項研究當(dāng)作大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)意大賽的項目,，以此訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力。 由于考慮成本和風(fēng)險等,，航空業(yè)界的接受意愿也是能否實(shí)際應(yīng)用的考量因素,。然而，人類已經(jīng)為黑匣子付出了慘痛的代價,，誰都不愿意看到悲劇重演,。劉軼博士的改進(jìn)建議涉及到多學(xué)科交叉的科研合作，他說,，提出這個設(shè)想,，權(quán)當(dāng)拋磚引玉,，有朝一日如果能夠?qū)崿F(xiàn)，不失為一項有益于人類的發(fā)明,，希望這個“萬無一失”的黑匣子真正解決“去哪兒了”的問題,。 轉(zhuǎn)自求是理論網(wǎng)-科學(xué)普及 |