来源：中国科技网-科技日报作者：2014年04月11日 01:49
[导读] 有没有“万无一失”的黑匣子？
上海理工大学教授刘轶博士提出新设想
有没有“万无一失”的黑匣子？
刘 深
马航MH370的神秘失踪，成为世界瞩目的新闻焦点，来自各国政府、军方、民间的各种猜测和解读，好像在上演一出活生生的悬疑剧。
其实，真正能解开谜团的只有靠飞机上的“黑匣子”，为此，世界多国派遣了各种配备先进探测装置的飞机舰船，动用高分辨卫星和军事雷达等技术，进行着史无前例的大范围搜索。
这是一场“大海捞针”式的艰难搜寻，随着“黑匣子”电池能量即将耗尽，这场角逐日益变得紧张激烈，扣人心弦。
“黑匣子”的外表其实并不黑
据《悉尼先驱晨报》报道，马航失联班机于2014年4月6日进入第30天，各国飞机舰船等投入的搜救费用开销高达约5330万美元，已打破耗时两年搜寻法航447的费用5000万美元，成为航空史上最昂贵的搜寻行动。
“黑匣子去哪儿了？”尽管这场搜寻正在耗费巨大的人力、物力和财力，不管付出多么高昂的代价，搜索，在道义上都是必须而且值得的。
但人们更应该冷静思考，如何通过改进黑匣子的设计，避免重蹈马航失联班机的覆辙，这是一次迫在眉睫的科技挑战。很多人从不同的角度思考这个问题，包括用科技手段设计出易于追踪、寻找和发现的黑匣子，上海理工大学材料科学与工程学院教授刘轶博士，就是其中的一位。
“黑匣子”为什么容易丢失？刘轶博士从这个最简单的发问开始思考，很自然地发现了飞机“黑匣子”设计上存在的四大问题，这些问题导致事故发生时，黑匣子可能被损毁或找不到；即使找到，里面存储的有价值信息也有可能会丢失。
他认为，以现在的科技水平，黑匣子设计上的这些缺陷完全可以避免和消除，这四大问题本来就不该是个事儿。
什么是“黑匣子”？
“黑匣子”的外表其实并非黑色。恰恰相反，为了醒目便于寻找，它一般都被涂成桔红或明黄等鲜艳的色彩。因此“黑匣子”并不是根据其颜色而命名，而是它被视为代表空难的不祥之物，故被俗称为“黑匣子”。
“黑匣子”的四个问题
飞机上的“黑匣子”有两种类型，它们的学名分别叫“飞行数据记录仪”和“机舱话音记录器”。
飞行数据记录仪，主要用于记录飞机的各种飞行数据，包括飞行速度、加速度、飞行姿态、飞行轨迹（航迹）、经纬度、航向。甚至记录作用在飞机上的各种外力，如阻力、升力、推力等，总共约3000多种类型的数据。飞行数据记录仪可以保存25小时的飞行参数数据，如果超过最大存储时间，数据记录仪就自动用新数据覆盖旧数据。
机舱话音记录器，主要用于记录机组人员和地面人员的通话、机组人员之间的对话，以及驾驶舱内出现的各种声响，甚至包括飞机发动机运转的声音等。它的工作原理与普通磁带录音机类似，磁带周而复始反复运行，不停地洗旧录新。由于记录长度所限，留下的总是最后半小时的声音。如果飞机不幸失事，这最后半小时的声音记录就会成为事故调查的重要参考依据，因而变得弥足珍贵。
当飞机失事时，黑匣子内置的发射机会自动向四周发射特定频率（如37.5千赫）的超声波信号；可以在6000米水下每秒发送一次脉搏般声波脉冲信号“报告”自己所处的方位，搜救者可以通过换能器将接收到的数值信号转换成模拟信号进行定位。1974年，一架波音707飞机坠入3000多米深的海底，搜救人员就是靠这种无线电定位信号找到了黑匣子。由于黑匣子电池容量有限，定位发信机通常只能连续工作一个月左右。
黑匣子外壳由特殊合金材料（一般为不锈钢或钛合金）制成，要耐高温（1100摄氏度1小时）、高压（可承受6000米深水压）、耐冲击振动（耐3400倍重力冲击）、抗电磁波干扰和耐腐蚀（如耐海水或煤油长时间浸泡）。这些苛刻的材料设计要求，显然是为了使“黑匣子”在事故发生时能够安然无恙地被保存下来，为事后的事故分析提供直接的资料证据。
但是，目前的“黑匣子”设计是否真的万无一失呢？刘轶博士介绍，黑匣子存在四个问题。
（1）虽然外壳材料坚固，但是在爆炸情况下也可能损毁破坏。
（2）黑匣子由合金制成，密度大，入水后会沉到水底。
（3）按目前设计，黑匣子电池容量只能保证工作30天。如果寻找或打捞不及时，黑匣子的定位信号就会随着电量耗尽而销声匿迹。
（4）黑匣子内记录的信息量有限，仅有20多小时飞行参数和半小时机舱内录音。超过此容量后，旧的信息会被新的覆盖。
这四大问题使“黑匣子”容易在事故中破损，或者失踪。即使被找到，也不一定确保能获取有价值的信息。
针对上述四大问题，刘轶博士提出了四个改进设想。
“黑匣子”的四个新设想
设想一： 紧急脱离装置（含弹射装置和降落伞）
目的：避免在飞机发生爆炸时，黑匣子被直接损毁。
解决方法：参考飞行员紧急逃生装置，给黑匣子安装类似紧急脱离装置。当压力、振动、温度等监控指标超过阙值，立即启动弹射装置，使“黑匣子”自动脱离飞机。弹射时需要的能量，可以采用类似火箭自燃推进剂燃烧产生的热量，确保启动装置不受外界冲击而影响正常工作。
因为黑匣子通常安装在飞机尾部，可以专门为其考虑设置与机内环境隔离的脱离出口，保证黑匣子的脱离不影响机内气体压力。
当黑匣子离开机体一定时间或距离后，脱离装置自动打开降落伞（包括下面提到的浮盘），使其在空中徐徐降落。延长落地时间，一方面，有利于缓冲降落时受到的地面或水面冲击，避免机械损坏；另一方面，可以充分利用这段延迟的降落时间，在高空中发射强大功率的求救信号，让卫星或雷达等探测装置及时接收到。
设想二：水上漂浮装置
目的：防止黑匣子落水后沉入水底。
解决方法：黑匣子外部利用形状记忆合金或折叠机构制作漂浮装置。该装置在弹射离开飞机后，靠形状记忆或触发折叠机构，展开大面积飞碟状圆形浮盘。浮盘材料需要采用轻质合金（如泡沫多孔金属），在保持足够的机械强度和耐燃烧的同时，尽量减少密度，使其能够让黑匣子漂浮在水面上。浮盘外表涂覆荧光涂料，可以在夜间发光，便于夜间搜寻。
此外，浮盘可以绑定内含染色剂，外涂荧光剂的漂浮球，在增加浮力的同时，可以提高白日和夜间的辨识度。还可以释放掺有鲜艳醒目颜色的油质，渗出的油质可以漂浮到水面，并形成长期稳定的油膜，为搜寻提供明显标记物。即使落到地面，颜色醒目的大面积浮盘也会为寻找提供便利。
设想三：太阳能电池装置
目的：提供更持久能源动力。
解决方法：在展开浮盘的表面，铺设太阳能电池材料，使其展开后在太阳光作用下，不断持续产生新的能源电力，用以补充原有的电池能源。
太阳能产生的电能将被存储在装置内，留作夜间或光线不良时的能源使用。持久可靠的能源，将使黑匣子不断发射求救信号。此外，求救信号要设定唯一标识，与其他类似信号截然分开，比如在电磁波的频率和脉冲波形等方面的组合具有独特的指纹特征。
设想四：大容量存储介质装置
目的：存储更多有价值信息，防止数据被覆盖。
解决方法：采用高密度数值光学记录介质（如蓝光DVD），替代磁性记录介质，可以存储长达若干年的数字信息资料。而且，一旦意外发生，在脱离装置启动后，记录信息的操作将被自动停止锁住，不再进行更新，以便真实保留事故发生前那段时间的宝贵信息，防止被后续的无关信息覆盖。
另外，所有记录数据要留有备份，当部分数据被损坏时，可以通过备份提供补充信息，使信息资料尽可能完整。
针对黑匣子现状所进行的改进，目的是使事故发生时，不要再遇到类似马航飞机失踪后的搜救困难。刘轶博士认为，他提出的解决方案大部分有一定科学背景，但目前仅限于概念和创意阶段，具体的设计细节仍需完善、实验和改良。他指导学生将此项研究当作大学生创新创意大赛的项目，以此训练学生的创新思维和动手能力。
由于考虑成本和风险等，航空业界的接受意愿也是能否实际应用的考量因素。然而，人类已经为黑匣子付出了惨痛的代价，谁都不愿意看到悲剧重演。刘轶博士的改进建议涉及到多学科交叉的科研合作，他说，提出这个设想，权当抛砖引玉，有朝一日如果能够实现，不失为一项有益于人类的发明，希望这个“万无一失”的黑匣子真正解决“去哪儿了”的问题。
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原文链接：http://www.wokeji.com/shouye/guonei/201404/t20140411_687037.shtml
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[导读] 有没有“万无一失”的黑匣子？
上海理工大学教授刘轶博士提出新设想
有没有“万无一失”的黑匣子？
刘 深
马航MH370的神秘失踪，成为世界瞩目的新闻焦点，来自各国政府、军方、民间的各种猜测和解读，好像在上演一出活生生的悬疑剧。
其实，真正能解开谜团的只有靠飞机上的“黑匣子”，为此，世界多国派遣了各种配备先进探测装置的飞机舰船，动用高分辨卫星和军事雷达等技术，进行着史无前例的大范围搜索。
这是一场“大海捞针”式的艰难搜寻，随着“黑匣子”电池能量即将耗尽，这场角逐日益变得紧张激烈，扣人心弦。
“黑匣子”的外表其实并不黑
据《悉尼先驱晨报》报道，马航失联班机于2014年4月6日进入第30天，各国飞机舰船等投入的搜救费用开销高达约5330万美元，已打破耗时两年搜寻法航447的费用5000万美元，成为航空史上最昂贵的搜寻行动。
“黑匣子去哪儿了？”尽管这场搜寻正在耗费巨大的人力、物力和财力，不管付出多么高昂的代价，搜索，在道义上都是必须而且值得的。
但人们更应该冷静思考，如何通过改进黑匣子的设计，避免重蹈马航失联班机的覆辙，这是一次迫在眉睫的科技挑战。很多人从不同的角度思考这个问题，包括用科技手段设计出易于追踪、寻找和发现的黑匣子，上海理工大学材料科学与工程学院教授刘轶博士，就是其中的一位。
“黑匣子”为什么容易丢失？刘轶博士从这个最简单的发问开始思考，很自然地发现了飞机“黑匣子”设计上存在的四大问题，这些问题导致事故发生时，黑匣子可能被损毁或找不到；即使找到，里面存储的有价值信息也有可能会丢失。
他认为，以现在的科技水平，黑匣子设计上的这些缺陷完全可以避免和消除，这四大问题本来就不该是个事儿。
什么是“黑匣子”？
“黑匣子”的外表其实并非黑色。恰恰相反，为了醒目便于寻找，它一般都被涂成桔红或明黄等鲜艳的色彩。因此“黑匣子”并不是根据其颜色而命名，而是它被视为代表空难的不祥之物，故被俗称为“黑匣子”。
“黑匣子”的四个问题
飞机上的“黑匣子”有两种类型，它们的学名分别叫“飞行数据记录仪”和“机舱话音记录器”。
飞行数据记录仪，主要用于记录飞机的各种飞行数据，包括飞行速度、加速度、飞行姿态、飞行轨迹（航迹）、经纬度、航向。甚至记录作用在飞机上的各种外力，如阻力、升力、推力等，总共约3000多种类型的数据。飞行数据记录仪可以保存25小时的飞行参数数据，如果超过最大存储时间，数据记录仪就自动用新数据覆盖旧数据。
机舱话音记录器，主要用于记录机组人员和地面人员的通话、机组人员之间的对话，以及驾驶舱内出现的各种声响，甚至包括飞机发动机运转的声音等。它的工作原理与普通磁带录音机类似，磁带周而复始反复运行，不停地洗旧录新。由于记录长度所限，留下的总是最后半小时的声音。如果飞机不幸失事，这最后半小时的声音记录就会成为事故调查的重要参考依据，因而变得弥足珍贵。
当飞机失事时，黑匣子内置的发射机会自动向四周发射特定频率（如37.5千赫）的超声波信号；可以在6000米水下每秒发送一次脉搏般声波脉冲信号“报告”自己所处的方位，搜救者可以通过换能器将接收到的数值信号转换成模拟信号进行定位。1974年，一架波音707飞机坠入3000多米深的海底，搜救人员就是靠这种无线电定位信号找到了黑匣子。由于黑匣子电池容量有限，定位发信机通常只能连续工作一个月左右。
黑匣子外壳由特殊合金材料（一般为不锈钢或钛合金）制成，要耐高温（1100摄氏度1小时）、高压（可承受6000米深水压）、耐冲击振动（耐3400倍重力冲击）、抗电磁波干扰和耐腐蚀（如耐海水或煤油长时间浸泡）。这些苛刻的材料设计要求，显然是为了使“黑匣子”在事故发生时能够安然无恙地被保存下来，为事后的事故分析提供直接的资料证据。
但是，目前的“黑匣子”设计是否真的万无一失呢？刘轶博士介绍，黑匣子存在四个问题。
（1）虽然外壳材料坚固，但是在爆炸情况下也可能损毁破坏。
（2）黑匣子由合金制成，密度大，入水后会沉到水底。
（3）按目前设计，黑匣子电池容量只能保证工作30天。如果寻找或打捞不及时，黑匣子的定位信号就会随着电量耗尽而销声匿迹。
（4）黑匣子内记录的信息量有限，仅有20多小时飞行参数和半小时机舱内录音。超过此容量后，旧的信息会被新的覆盖。
这四大问题使“黑匣子”容易在事故中破损，或者失踪。即使被找到，也不一定确保能获取有价值的信息。
针对上述四大问题，刘轶博士提出了四个改进设想。
“黑匣子”的四个新设想
设想一： 紧急脱离装置（含弹射装置和降落伞）
目的：避免在飞机发生爆炸时，黑匣子被直接损毁。
解决方法：参考飞行员紧急逃生装置，给黑匣子安装类似紧急脱离装置。当压力、振动、温度等监控指标超过阙值，立即启动弹射装置，使“黑匣子”自动脱离飞机。弹射时需要的能量，可以采用类似火箭自燃推进剂燃烧产生的热量，确保启动装置不受外界冲击而影响正常工作。
因为黑匣子通常安装在飞机尾部，可以专门为其考虑设置与机内环境隔离的脱离出口，保证黑匣子的脱离不影响机内气体压力。
当黑匣子离开机体一定时间或距离后，脱离装置自动打开降落伞（包括下面提到的浮盘），使其在空中徐徐降落。延长落地时间，一方面，有利于缓冲降落时受到的地面或水面冲击，避免机械损坏；另一方面，可以充分利用这段延迟的降落时间，在高空中发射强大功率的求救信号，让卫星或雷达等探测装置及时接收到。
设想二：水上漂浮装置
目的：防止黑匣子落水后沉入水底。
解决方法：黑匣子外部利用形状记忆合金或折叠机构制作漂浮装置。该装置在弹射离开飞机后，靠形状记忆或触发折叠机构，展开大面积飞碟状圆形浮盘。浮盘材料需要采用轻质合金（如泡沫多孔金属），在保持足够的机械强度和耐燃烧的同时，尽量减少密度，使其能够让黑匣子漂浮在水面上。浮盘外表涂覆荧光涂料，可以在夜间发光，便于夜间搜寻。
此外，浮盘可以绑定内含染色剂，外涂荧光剂的漂浮球，在增加浮力的同时，可以提高白日和夜间的辨识度。还可以释放掺有鲜艳醒目颜色的油质，渗出的油质可以漂浮到水面，并形成长期稳定的油膜，为搜寻提供明显标记物。即使落到地面，颜色醒目的大面积浮盘也会为寻找提供便利。
设想三：太阳能电池装置
目的：提供更持久能源动力。
解决方法：在展开浮盘的表面，铺设太阳能电池材料，使其展开后在太阳光作用下，不断持续产生新的能源电力，用以补充原有的电池能源。
太阳能产生的电能将被存储在装置内，留作夜间或光线不良时的能源使用。持久可靠的能源，将使黑匣子不断发射求救信号。此外，求救信号要设定唯一标识，与其他类似信号截然分开，比如在电磁波的频率和脉冲波形等方面的组合具有独特的指纹特征。
设想四：大容量存储介质装置
目的：存储更多有价值信息，防止数据被覆盖。
解决方法：采用高密度数值光学记录介质（如蓝光DVD），替代磁性记录介质，可以存储长达若干年的数字信息资料。而且，一旦意外发生，在脱离装置启动后，记录信息的操作将被自动停止锁住，不再进行更新，以便真实保留事故发生前那段时间的宝贵信息，防止被后续的无关信息覆盖。
另外，所有记录数据要留有备份，当部分数据被损坏时，可以通过备份提供补充信息，使信息资料尽可能完整。
针对黑匣子现状所进行的改进，目的是使事故发生时，不要再遇到类似马航飞机失踪后的搜救困难。刘轶博士认为，他提出的解决方案大部分有一定科学背景，但目前仅限于概念和创意阶段，具体的设计细节仍需完善、实验和改良。他指导学生将此项研究当作大学生创新创意大赛的项目，以此训练学生的创新思维和动手能力。
由于考虑成本和风险等，航空业界的接受意愿也是能否实际应用的考量因素。然而，人类已经为黑匣子付出了惨痛的代价，谁都不愿意看到悲剧重演。刘轶博士的改进建议涉及到多学科交叉的科研合作，他说，提出这个设想，权当抛砖引玉，有朝一日如果能够实现，不失为一项有益于人类的发明，希望这个“万无一失”的黑匣子真正解决“去哪儿了”的问题。
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