智能蒙皮:不一样的感知

2003年2月1日,美国佛罗里达州卡纳维拉尔角,晴空万里。聚集在美国国家航空航天局(NASA)航天中心的人们急切地等待着哥伦比亚号航天飞机的归来。按计划,哥伦比亚号将于9时16分着陆。然而,哥伦比亚号再也没有出现在等待的人们的视野里。距着陆还有16分钟,哥伦比亚号在亚利桑那州上空解体……

我们难忘人类为探索和认识太空而付出的牺牲。然而,这种以生命和航天飞机为代价的付出是很难让人承受的。航空航天飞行安全的需求促进了智能蒙皮(Smart Skin)等技术的发展。

逝去的航天飞机

由于技术原因而在两年内13次推迟发射的哥伦比亚号航天飞机,最终于2003年1月16日,在卡纳维拉尔角航天发射中心发射升空,开始执行它的第28次太空任务。

发射阶段,航天飞机各系统工作正常。然而,助推燃料箱外敷的保温泡沫材料,因受热膨胀从燃料箱上大量脱落,其中一块手提箱大小的泡沫材料高速撞击到航天飞机的左翼。撞击过程被监控录像记录并传到控制中心。由于航天飞机在重返大气层时,速度高达1.7万千米/小时,在与空气剧烈摩擦中,航天飞机表面会产生1500℃的高温,为保护机身免受高温造成的损伤,航天飞机周身贴了2~3万块可以耐受1650℃高温的陶瓷绝热片。

专家们从录像上无法判断究竟是仅损伤了陶瓷绝热片还是击穿陶瓷片进而伤及翼板,而宇航员们从驾驶舱根本无法看到两翼,加之来自航天飞机的遥测信号也都正常。鉴于以往泡沫材料的脱落已是家常便饭,于是,地面专家根据经验得出没有伤及翼板、不影响此次任务的结论。

2月1日,哥伦比亚号在太空逗留了16天之后踏上归途。8时49分,哥伦比亚号开始减速。8时52分,仪器显示,左翼靠近起落架地区,温度比右翼高出8～15℃,而且温差还在继续拉大。在航天员报告飞行正常后,控制中心的专家认为可能是温度传感器出现故障。8时56分,温差加大到33℃。1分钟后,左翼的温度传感器失去联系,而航天飞机伺服系统传来的数据表明,航天飞机不断向左侧倾斜,又持续地被自动驾驶系统所修正。8时59分,控制中心的专家们感到不妙,却联系不上哥伦比亚号,航天飞机与大气剧烈摩擦产生的等离子体将航天飞机紧密地包围住,中断了航天飞机与地面之间所有的无线电联系……

哥伦比亚号启示录

一年半之后,NASA公布了调查结果:一块重达0.75千克的泡沫材料高速撞击航天飞机左翼前缘的热保护系统并形成裂隙。航天飞机重返大气层后,超高温气体从裂隙处进入机体,最终造成航天飞机解体。

之后,NASA制定了新的标准,规定脱落的泡沫材料最大重量不得超过14.17克(0.5盎司),以避免泡沫材料在发射阶段脱落后损伤航天飞机的热保护层。但是,在充满太空垃圾的太空遨游,航天器依然有被太空垃圾击中的可能。

通常,外来物对航天飞机撞击造成的损害有三种:一是击中要害直接造成航天飞机被摧毁;二是撞击产生的形变影响到航天飞机的气动性能,进而在重返大气层后造成航天飞机飞行姿态的失控;三是遭遇到与哥伦比亚号相同情况。

因此,如何确定航天飞机热保护系统是否受到损伤以及损失的程度,就成为安全飞行的重要问题。

NASA航天飞机设计师Scott Hubbard事后分析道,哥伦比亚号是美国建造的首架航天飞机,它是基于上世纪70年代的技术水平建造,并于1981年4月12日进行首飞。哥伦比亚号上的计算机很古老,性能跟现在的笔记本电脑差不多,不要说机翼上的温度传感器没有联机,就算是联机了,计算机也无法实时处理大量数据。

事实上,即便是计算机性能足够强大,而且机翼内嵌的温度传感器的信号也传送到中央计算机系统中,惨剧依旧不可避免。因为航天飞机处在太空,空气极端稀薄,损伤部位的温度不会产生变化,飞行姿态也不会受到影响。而航天飞机重返大气层后,当温度传感器测出温度变化时,已经为时过晚。因为航天飞机的降落程序是单向的,一旦启动就不可逆转。即便是可以逆转,航天飞机上储备的燃料也不足以使航天飞机重新获得2.84万千米/小时的第一宇宙速度以摆脱地心的引力,而且,航天飞机上储存的氧气仅有5天的富裕量,时间上很难满足NASA组织另一次救援发射的需求。

从物联网的角度看,哥伦比亚号的失事是一系列因素造成的。技术上最大的问题是没有及时对航天飞机上的计算机系统进行更新换代。具体到传感层面,首先是没有合适的传感器在撞击的第一时间对损伤信息进行判断;二是传感器未能与航天飞机上的中央计算机系统联网。在传输层面,在航天飞机重返大气层时产生具有强烈屏蔽作用的等离子体时,应将传输链路实时地缩短至航天飞机内——将信号送至机内计算机中,以保障航天飞机能够实时而连续地处理来自传感器的数据;而在后台处理上,应该由控制中心中央计算机提供决策支持,而不是靠以往的经验行事。

哥伦比亚号给我们带来的启发是,在物联网应用过程中,必须具备充分的行业知识和经验,要充分考虑到应用的需求和所处的环境,而且,除了考虑正常使用时的功能外,更要注重故障期的应急响应。

传感器网络的高端应用

如果能像仿生学那样,让航天飞机热保护层具有生物皮肤的功能,那么,被撞击的位置和损伤的程度就可以在第一时间确定,这就是智能蒙皮技术。

虽然广义上说智能蒙皮也属于传感器网络,但智能蒙皮与当下流行的传感器网络还是有很大的区别的,这是因为智能蒙皮应用在宇航时,须要监测振动、压强、张力、电磁波等多种物理量,而且传感器还要被嵌入到陶瓷片中,你既要考虑传感器的尺寸,又要考虑传感器与陶瓷片的膨胀系数问题,还要考虑到在1000多度的超高温下传感器能够正常工作。

智能蒙皮更多地应用于航天器、飞行器上,通过嵌入光纤、压电陶瓷、有机薄膜以及电阻丝、半导体等传感器来探测多种物理量。其中光纤传感器扮演着重要的角色,它可以监测温度、声、光、磁、压力、加速度、核辐射、x射线等物理量的变化,具有测量精度高、频率响应高、抗电磁干扰性强等特点,而且体积小,重量轻,耐高温,耐腐蚀,防潮,易于与基体结构集成。即便是耐高温性能突出,普通的光纤传感器也难以胜任航天器外表面1500℃的工作环境,而蓝宝石光纤传感器则可轻松承担,其温度测量上限可到1800℃。

智能蒙皮不仅能够实时监测多种物理量,而且还可以对航天飞机陶瓷片等蒙皮进行全生命周期的监测,防患于未然。

除了被动监测外,智能蒙皮技术还可以用于主动监测。美国空军正在研究把相控阵天线放到飞机蒙皮中,以安装更多的天线单元。这样不仅可以加大高探测距离,而且由于天线单元遍布机身而不在局限机头,从而消除了雷达探测盲区。

智能蒙皮的独特优势引发了多国研究机构和军方的重视,如NASA的纳米计划,共分三个相互关联的主题:一是纳米电子学与计算,其重点在分子电子学与光电子学、计算架构和装配;二是传感器,其重点为生命探测、乘务组健康与安全、航天器健康;三是结构材料,其重点放在复合材料、多功能材料以及材料的自愈。

明确而清晰的发展路线图,从应用和系统的角度出发,研究中注重各主题之间的关联,注重基础性关键技术的研发,这些既是NASA纳米计划的特点,也是我们发展物联网应该借鉴的。

推荐访问:蒙皮 感知 智能