上海理工大學教授劉軼博士提出新設想 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，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,，真正能解開謎團的只有靠飛機上的“黑匣子”，為此,，世界多國派遣了各種配備先進探測裝置的飛機艦船,，動用高分辨衛(wèi)星和軍事雷達等技術，進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”的外表其實并不黑 據(jù)《悉尼先驅晨報》報道,，馬航失聯(lián)班機于2014年4月6日進入第30天，各國飛機艦船等投入的搜救費用開銷高達約5330萬美元,，已打破耗時兩年搜尋法航447的費用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。 但人們更應該冷靜思考,，如何通過改進黑匣子的設計,，避免重蹈馬航失聯(lián)班機的覆轍，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,，包括用科技手段設計出易于追蹤、尋找和發(fā)現(xiàn)的黑匣子,，上海理工大學材料科學與工程學院教授劉軼博士,，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“黑匣子”設計上存在的四大問題，這些問題導致事故發(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,。 他認為,，以現(xiàn)在的科技水平，黑匣子設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 飛機上的“黑匣子”有兩種類型,，它們的學名分別叫“飛行數(shù)據(jù)記錄儀”和“機艙話音記錄器”,。 飛行數(shù)據(jù)記錄儀，主要用于記錄飛機的各種飛行數(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),。 機艙話音記錄器,，主要用于記錄機組人員和地面人員的通話、機組人員之間的對話,，以及駕駛艙內出現(xiàn)的各種聲響,，甚至包括飛機發(fā)動機運轉的聲音等。它的工作原理與普通磁帶錄音機類似,，磁帶周而復始反復運行,，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,。如果飛機不幸失事，這最后半小時的聲音記錄就會成為事故調查的重要參考依據(jù),，因而變得彌足珍貴,。 當飛機失事時，黑匣子內置的發(fā)射機會自動向四周發(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)值信號轉換成模擬信號進行定位。1974年,，一架波音707飛機墜入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）黑匣子內記錄的信息量有限,，僅有20多小時飛行參數(shù)和半小時機艙內錄音。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設想,。 “黑匣子”的四個新設想 設想一： 緊急脫離裝置（含彈射裝置和降落傘） 目的：避免在飛機發(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。當壓力,、振動,、溫度等監(jiān)控指標超過闕值,，立即啟動彈射裝置，使“黑匣子”自動脫離飛機,。彈射時需要的能量,，可以采用類似火箭自燃推進劑燃燒產(chǎn)生的熱量，確保啟動裝置不受外界沖擊而影響正常工作,。 因為黑匣子通常安裝在飛機尾部,，可以專門為其考慮設置與機內環(huán)境隔離的脫離出口，保證黑匣子的脫離不影響機內氣體壓力,。 當黑匣子離開機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)射強大功率的求救信號,，讓衛(wèi)星或雷達等探測裝置及時接收到。 設想二：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構制作漂浮裝置,。該裝置在彈射離開飛機后，靠形狀記憶或觸發(fā)折疊機構,，展開大面積飛碟狀圓形浮盤。浮盤材料需要采用輕質合金（如泡沫多孔金屬）,，在保持足夠的機械強度和耐燃燒的同時,，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,，滲出的油質可以漂浮到水面,，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，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,，求救信號要設定唯一標識,，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特的指紋特征,。 設想四：大容量存儲介質裝置 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)值光學記錄介質（如藍光DVD）,，替代磁性記錄介質,，可以存儲長達若干年的數(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,，不再進行更新,，以便真實保留事故發(fā)生前那段時間的寶貴信息，防止被后續(xù)的無關信息覆蓋,。 另外,，所有記錄數(shù)據(jù)要留有備份，當部分數(shù)據(jù)被損壞時,，可以通過備份提供補充信息,，使信息資料盡可能完整。 針對黑匣子現(xiàn)狀所進行的改進,，目的是使事故發(fā)生時,，不要再遇到類似馬航飛機失蹤后的搜救困難。劉軼博士認為,，他提出的解決方案大部分有一定科學背景,，但目前僅限于概念和創(chuàng)意階段,，具體的設計細節(jié)仍需完善、實驗和改良,。他指導學生將此項研究當作大學生創(chuàng)新創(chuàng)意大賽的項目,，以此訓練學生的創(chuàng)新思維和動手能力。 由于考慮成本和風險等,，航空業(yè)界的接受意愿也是能否實際應用的考量因素,。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,。劉軼博士的改進建議涉及到多學科交叉的科研合作，他說,，提出這個設想,，權當拋磚引玉，有朝一日如果能夠實現(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。 轉自求是理論網(wǎng)-科學普及 |