波音公司物理學(xué)家的十八般武藝

編譯 蔡立英

在客機(jī)飛行過程中，每小時(shí)都會(huì)有數(shù)十個(gè)傳感器監(jiān)視數(shù)千個(gè)參數(shù)，產(chǎn)生大約1.5 TB的信息。隨著在下一代飛機(jī)中增加更多的傳感器，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)維護(hù)問題，預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)量將增加10倍，并且在10小時(shí)的飛行中會(huì)生成超過1PB的信息。

杰伊·洛厄爾（Jay Lowell）是波音公司的高級技術(shù)研究員，也是波音研究與技術(shù)部（該公司的中央研發(fā)機(jī)構(gòu)）麾下的90多名物理學(xué)家之一。他和他的團(tuán)隊(duì)必須應(yīng)對不斷增長的海量數(shù)據(jù)。他認(rèn)為神經(jīng)形態(tài)處理器（像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣配置的芯片）可以幫助解決機(jī)載數(shù)據(jù)處理問題并標(biāo)記異常情況。他指出：“神經(jīng)形態(tài)處理器對于機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能應(yīng)用極為有效?！?/p>

但是，使用當(dāng)前的處理器技術(shù)運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能程序需要數(shù)十乃至數(shù)百千瓦的功率，而如今的飛機(jī)通常使用50瓦的功率來處理維護(hù)數(shù)據(jù)。洛厄爾補(bǔ)充說，把所有數(shù)據(jù)從飛機(jī)群傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行處理的帶寬永遠(yuǎn)都不夠，并指出，目前僅在服役的波音737就有大約10 000架。

在波音公司新成立的顛覆性計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)公司的組織下，波音公司的物理學(xué)家正在攻克的挑戰(zhàn)之一就是數(shù)據(jù)問題。第二個(gè)攻關(guān)重點(diǎn)是通過將中央處理器與協(xié)處理器（例如圖形處理器）配對，來升級高性能計(jì)算結(jié)構(gòu)。洛厄爾說，在執(zhí)行較少數(shù)量的特定任務(wù)時(shí)，GPU比CPU“效率更高”。波音正在研究使用比當(dāng)今頂級性能超級計(jì)算機(jī)更多種類協(xié)處理器的架構(gòu)。從更長遠(yuǎn)來看，波音公司看到了用量子傳感和量子計(jì)算來解決諸如制造優(yōu)化等問題的前景。

這個(gè)邊長2.5厘米的超材料立方體是波音公司、加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校和其他大學(xué)的研究人員，依據(jù)2004年美國國防部高級研究計(jì)劃局的合同制造的。該項(xiàng)目表明，科學(xué)家可以用類似真實(shí)材料的形態(tài)，設(shè)計(jì)出具有特殊性質(zhì)的人造材料

除了計(jì)算之外，波音公司的物理學(xué)家還處理許多其他問題：從處理飛機(jī)遭遇雷擊到保護(hù)工廠工人免受靜電電擊等。但是，他們不會(huì)無限期專注一個(gè)問題或一個(gè)課題。無論他們花費(fèi)兩個(gè)月還是兩年來解決問題，一旦將解決方案交給工程師實(shí)施，他們的下一個(gè)任務(wù)很可能與上一個(gè)任務(wù)截然不同。洛厄爾一語道破：“我們的工作就是把自己從工作中解脫出來?！?/p>

2016年，洛厄爾在波音公司的第一個(gè)任務(wù)是改善工廠機(jī)器人系統(tǒng)的功能。洛厄爾說：“他們需要的是能像物理學(xué)家那樣解決問題并理解其中基本原理的人?！苯Y(jié)果是，他需要運(yùn)用計(jì)量學(xué)原理來了解機(jī)器人如何進(jìn)行測量，并借助經(jīng)典力學(xué)來識(shí)別和表征機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的限制因素。物理學(xué)還有助于他捕獲數(shù)據(jù)和制圖，以洞悉正在發(fā)生的過程。他說：“然后，您必須對捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而在工廠規(guī)模上對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模?！弊詈?，他提出的更改和修復(fù)建議大大提高了工廠的效率。

接受《今日物理》采訪的波音公司的物理學(xué)家謝絕談?wù)撍麄冊谑共ㄒ?37 MAX客機(jī)恢復(fù)服務(wù)中所起的作用，只說擁有各種專業(yè)背景的員工正在研究該問題。在導(dǎo)致客機(jī)上346名乘客和機(jī)組人員均遇難的兩起墜機(jī)事故發(fā)生后，2019年3月，波音737 MAX客機(jī)被政府當(dāng)局停飛。事故歸因于機(jī)載操縱特性增強(qiáng)系統(tǒng)的故障，該故障不斷導(dǎo)致飛機(jī)的機(jī)頭朝下。

解決問題

洛厄爾曾在美國空軍學(xué)院任教，并且曾在美國國防部高級研究計(jì)劃局（DARPA）擔(dān)任項(xiàng)目經(jīng)理。他認(rèn)為，波音公司的物理學(xué)家所遇到的現(xiàn)實(shí)環(huán)境與學(xué)術(shù)環(huán)境不同，一方面，大學(xué)里的科學(xué)家傾向于專注較窄的研究范圍。洛厄爾說：“而另一方面，我們波音公司的物理學(xué)家則將物理研究應(yīng)用于足夠具體的實(shí)際問題，因此，我們無須進(jìn)行大量假設(shè)，我們不必把問題隨意分解得微不足道?！?/p>

與大多數(shù)學(xué)術(shù)研究相比，波音公司在規(guī)模和細(xì)節(jié)上的要求都更高。例如，2006年加入波音公司的物理學(xué)家德?lián)P·尼基奇（Dejan Nikic）說，對機(jī)翼的流體力學(xué)建模必須考慮到小翼、縫隙和襟翼。模擬機(jī)翼在飛行過程中彎曲時(shí)的顫動(dòng)和彈性會(huì)增加建模的復(fù)雜性。

然而，與確定飛機(jī)部件、發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)周圍的氣流如何結(jié)合在一起將噪音傳播到地面所需的計(jì)算資源相比，機(jī)翼建模所需的計(jì)算資源顯得微不足道。洛厄爾說，即使是最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)，解決這些問題也要花費(fèi)數(shù)月時(shí)間。將噪聲水平降低一半將為航空公司帶來巨大好處，許多機(jī)場可以放寬或取消對通宵起降的禁令。

與他們的學(xué)術(shù)同行不同，波音公司的科學(xué)家很少發(fā)表他們的研究報(bào)告，大多數(shù)情況下是因?yàn)樗袡?quán)。尼基奇指出，發(fā)表成果也有可能引發(fā)監(jiān)管的變革，他的研究興趣包括等離子體物理和脈沖功率的電磁學(xué)，他從事激光武器和雷擊等課題的研究。

洛厄爾說，平均而言，客機(jī)每年遭遇雷擊一兩次。隨著制造商開始采用更多的復(fù)合材料以減輕重量，要建造安全驅(qū)散閃電并讓機(jī)艙避開閃電的法拉第籠就愈加復(fù)雜。洛厄爾說，對于金屬飛機(jī)來說，這很容易?！伴W電跟隨著飛機(jī)的金屬外殼，它不會(huì)穿透到飛機(jī)內(nèi)部，或者可能只有幾百安培的電流。復(fù)合材料的導(dǎo)電性不及金屬，可能會(huì)有數(shù)千安培的電流通到飛機(jī)內(nèi)部?！?/p>

物理學(xué)家有足夠的能力來理解電流如何在飛機(jī)的構(gòu)件之間流動(dòng)，包括把構(gòu)件固定在一起的緊固件之間電流流動(dòng)的微觀細(xì)節(jié)。尼基奇說：“我們已經(jīng)做了一些事情，例如，了解雷擊到機(jī)身表面時(shí)的等離子體密度和溫度，羽流包含的物質(zhì)，雷電穿透給定材料的距離以及腐蝕速率。所有這些都是基礎(chǔ)物理學(xué)的問題?！?/p>

保護(hù)復(fù)合材料飛機(jī)的方法是：通過在復(fù)合材料疊層中加入一層金屬箔來提高飛機(jī)外殼表面的導(dǎo)電性。這樣做可以減少轉(zhuǎn)移到飛機(jī)子結(jié)構(gòu)中的電流量，飛機(jī)子結(jié)構(gòu)本身就設(shè)計(jì)了處理轉(zhuǎn)移電流的功能。波音公司增加了其他專有功能，以提供后備的保護(hù)層。

更司空見慣的是，尼基奇經(jīng)常被叫去處理工廠工人的投訴，這些工人把機(jī)翼板放在高壓釜中固化后，從機(jī)翼板上剝離塑料板時(shí)，通常會(huì)受到無害但令人討厭的靜電電擊。解決方案包括：改變機(jī)翼板的去封裝方式、改變工人的穿著以及其他措施。洛厄爾說：“其他嘗試解決這個(gè)問題的人都沒有取得進(jìn)展?！?/p>

思維差異

米納斯·塔涅利安（Minas Tanielian）是一位非典型的波音公司物理學(xué)家。他在波音公司工作的30多年中，專門與大學(xué)、DARPA和其他聯(lián)邦機(jī)構(gòu)開展合作。他還從事無線系統(tǒng)、微系統(tǒng)、自動(dòng)系統(tǒng)、量子設(shè)備和激光供能系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究。他擁有65項(xiàng)專利，發(fā)表了60多篇科研論文。目前，他與美國空軍科學(xué)研究辦公室簽訂了合同，開展大學(xué)與工業(yè)界有關(guān)無線電能傳輸?shù)暮献黜?xiàng)目。

波音公司的電子物理工程師丹尼斯·迪蓋（Dennis Dugay）在公司位于加利福尼亞州亨廷頓海灘的實(shí)驗(yàn)室的消聲室內(nèi)。迪蓋開發(fā)和測試飛機(jī)通信系統(tǒng)的射頻和微波組件

將近20年前，塔涅利安在閱讀《今日物理》（2000年5月，第17頁）中有關(guān)左手材料（現(xiàn)稱為超材料）的一則新聞報(bào)道后，與加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校的研究人員取得了聯(lián)系。他說：“我和大學(xué)的研究人員組建了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，我們啟動(dòng)了DARPA的超材料研究項(xiàng)目。最初，超材料的概念在工程界引發(fā)了一些爭議，但在6個(gè)月內(nèi)我們開展了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了超材料的真實(shí)性并發(fā)表了研究結(jié)果。最終，該項(xiàng)目在DARPA進(jìn)入了第二階段：負(fù)折射率材料研究，我們將重點(diǎn)放在應(yīng)用上。”塔涅利安隨后在波音公司的國防業(yè)務(wù)中找到了該技術(shù)的應(yīng)用，他表示，出于專利原因無法在此談?wù)摼唧w內(nèi)容。

為DARPA項(xiàng)目開發(fā)的一些建模工具后來用于開發(fā)手機(jī)上的小型電子天線。洛厄爾說，這是基礎(chǔ)物理學(xué)經(jīng)常通過“擦板投籃”從基礎(chǔ)物理學(xué)轉(zhuǎn)化到應(yīng)用的一個(gè)例子：“并不是說你所做的研究總是直接應(yīng)用到你可能想到的地方，而是中間還有一步之遙?！?/p>

波音公司的科學(xué)家說，物理學(xué)家采用的還原論方法是進(jìn)行故障排除的理想選擇。洛厄爾指出：“當(dāng)去處理故障時(shí)，物理學(xué)家解決問題的方法是問：我該如何將系統(tǒng)簡化為最核心本質(zhì)的物理學(xué)，然后再逐步提高復(fù)雜性？而工程師則從復(fù)雜性入手，然后在復(fù)雜性上研究系統(tǒng)，有時(shí)會(huì)努力簡化問題以弄清問題?！?/p>

塔涅利安說，物理學(xué)家還幫助彌合不同專業(yè)的工程師和從事多學(xué)科研究的其他科學(xué)家之間的知識(shí)鴻溝。他解釋說，比如，電氣工程師可能不了解機(jī)械工程、熱學(xué)或項(xiàng)目的其他方面，而機(jī)械工程師可能不太懂電子學(xué)。“物理學(xué)家在如何做一些專業(yè)的事情上不是專家，但是他們了解事情發(fā)生或相互作用的核心，尤其是在多學(xué)科環(huán)境中。”

廣納賢才

洛厄爾說，波音公司希望招募有實(shí)驗(yàn)背景的人、有理論背景的人、有分析能力的人和有統(tǒng)計(jì)能力的人?！霸谖覀冞@樣規(guī)模的公司中，各種問題的涉及面很廣，因此我們所需的人才技能是既廣又深。”

洛厄爾預(yù)計(jì)，未來兩年內(nèi)，僅波音公司的顛覆性計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)公司將至少需要12名新物理學(xué)家。對量子物理學(xué)家（從事超算研究和具有建模經(jīng)驗(yàn)）需求特別大，此外還需要處理大量數(shù)據(jù)和代碼（利用不同類型的處理器）的高能物理學(xué)家。

塔涅利安說：“我們試圖招募年輕物理學(xué)家進(jìn)入工業(yè)界特別是波音公司（實(shí)際上是一家工程公司）方面并不容易?！?/p>