波音公司物理学家的十八般武艺

编译 蔡立英

在客机飞行过程中，每小时都会有数十个传感器监视数千个参数，产生大约1.5 TB的信息。随着在下一代飞机中增加更多的传感器，以便及时发现维护问题，预计数据量将增加10倍，并且在10小时的飞行中会生成超过1PB的信息。

杰伊·洛厄尔（Jay Lowell）是波音公司的高级技术研究员，也是波音研究与技术部（该公司的中央研发机构）麾下的90多名物理学家之一。他和他的团队必须应对不断增长的海量数据。他认为神经形态处理器（像神经网络一样配置的芯片）可以帮助解决机载数据处理问题并标记异常情况。他指出：“神经形态处理器对于机器学习和人工智能应用极为有效。”

但是，使用当前的处理器技术运行机器学习和人工智能程序需要数十乃至数百千瓦的功率，而如今的飞机通常使用50瓦的功率来处理维护数据。洛厄尔补充说，把所有数据从飞机群传输到云端进行处理的带宽永远都不够，并指出，目前仅在服役的波音737就有大约10 000架。

在波音公司新成立的颠覆性计算和网络公司的组织下，波音公司的物理学家正在攻克的挑战之一就是数据问题。第二个攻关重点是通过将中央处理器与协处理器（例如图形处理器）配对，来升级高性能计算结构。洛厄尔说，在执行较少数量的特定任务时，GPU比CPU“效率更高”。波音正在研究使用比当今顶级性能超级计算机更多种类协处理器的架构。从更长远来看，波音公司看到了用量子传感和量子计算来解决诸如制造优化等问题的前景。

这个边长2.5厘米的超材料立方体是波音公司、加利福尼亚大学圣迭戈分校和其他大学的研究人员，依据2004年美国国防部高级研究计划局的合同制造的。该项目表明，科学家可以用类似真实材料的形态，设计出具有特殊性质的人造材料

除了计算之外，波音公司的物理学家还处理许多其他问题：从处理飞机遭遇雷击到保护工厂工人免受静电电击等。但是，他们不会无限期专注一个问题或一个课题。无论他们花费两个月还是两年来解决问题，一旦将解决方案交给工程师实施，他们的下一个任务很可能与上一个任务截然不同。洛厄尔一语道破：“我们的工作就是把自己从工作中解脱出来。”

2016年，洛厄尔在波音公司的第一个任务是改善工厂机器人系统的功能。洛厄尔说：“他们需要的是能像物理学家那样解决问题并理解其中基本原理的人。”结果是，他需要运用计量学原理来了解机器人如何进行测量，并借助经典力学来识别和表征机器人执行任务的限制因素。物理学还有助于他捕获数据和制图，以洞悉正在发生的过程。他说：“然后，您必须对捕获的数据进行分析，从而在工厂规模上对整个系统进行建模。”最后，他提出的更改和修复建议大大提高了工厂的效率。

接受《今日物理》采访的波音公司的物理学家谢绝谈论他们在使波音737 MAX客机恢复服务中所起的作用，只说拥有各种专业背景的员工正在研究该问题。在导致客机上346名乘客和机组人员均遇难的两起坠机事故发生后，2019年3月，波音737 MAX客机被政府当局停飞。事故归因于机载操纵特性增强系统的故障，该故障不断导致飞机的机头朝下。

解决问题

洛厄尔曾在美国空军学院任教，并且曾在美国国防部高级研究计划局（DARPA）担任项目经理。他认为，波音公司的物理学家所遇到的现实环境与学术环境不同，一方面，大学里的科学家倾向于专注较窄的研究范围。洛厄尔说：“而另一方面，我们波音公司的物理学家则将物理研究应用于足够具体的实际问题，因此，我们无须进行大量假设，我们不必把问题随意分解得微不足道。”

与大多数学术研究相比，波音公司在规模和细节上的要求都更高。例如，2006年加入波音公司的物理学家德扬·尼基奇（Dejan Nikic）说，对机翼的流体力学建模必须考虑到小翼、缝隙和襟翼。模拟机翼在飞行过程中弯曲时的颤动和弹性会增加建模的复杂性。

然而，与确定飞机部件、发动机和飞机周围的气流如何结合在一起将噪音传播到地面所需的计算资源相比，机翼建模所需的计算资源显得微不足道。洛厄尔说，即使是最强大的超级计算机，解决这些问题也要花费数月时间。将噪声水平降低一半将为航空公司带来巨大好处，许多机场可以放宽或取消对通宵起降的禁令。

与他们的学术同行不同，波音公司的科学家很少发表他们的研究报告，大多数情况下是因为所有权。尼基奇指出，发表成果也有可能引发监管的变革，他的研究兴趣包括等离子体物理和脉冲功率的电磁学，他从事激光武器和雷击等课题的研究。

洛厄尔说，平均而言，客机每年遭遇雷击一两次。随着制造商开始采用更多的复合材料以减轻重量，要建造安全驱散闪电并让机舱避开闪电的法拉第笼就愈加复杂。洛厄尔说，对于金属飞机来说，这很容易。“闪电跟随着飞机的金属外壳，它不会穿透到飞机内部，或者可能只有几百安培的电流。复合材料的导电性不及金属，可能会有数千安培的电流通到飞机内部。”

物理学家有足够的能力来理解电流如何在飞机的构件之间流动，包括把构件固定在一起的紧固件之间电流流动的微观细节。尼基奇说：“我们已经做了一些事情，例如，了解雷击到机身表面时的等离子体密度和温度，羽流包含的物质，雷电穿透给定材料的距离以及腐蚀速率。所有这些都是基础物理学的问题。”

保护复合材料飞机的方法是：通过在复合材料叠层中加入一层金属箔来提高飞机外壳表面的导电性。这样做可以减少转移到飞机子结构中的电流量，飞机子结构本身就设计了处理转移电流的功能。波音公司增加了其他专有功能，以提供后备的保护层。

更司空见惯的是，尼基奇经常被叫去处理工厂工人的投诉，这些工人把机翼板放在高压釜中固化后，从机翼板上剥离塑料板时，通常会受到无害但令人讨厌的静电电击。解决方案包括：改变机翼板的去封装方式、改变工人的穿着以及其他措施。洛厄尔说：“其他尝试解决这个问题的人都没有取得进展。”

思维差异

米纳斯·塔涅利安（Minas Tanielian）是一位非典型的波音公司物理学家。他在波音公司工作的30多年中，专门与大学、DARPA和其他联邦机构开展合作。他还从事无线系统、微系统、自动系统、量子设备和激光供能系统等领域的研究。他拥有65项专利，发表了60多篇科研论文。目前，他与美国空军科学研究办公室签订了合同，开展大学与工业界有关无线电能传输的合作项目。

波音公司的电子物理工程师丹尼斯·迪盖（Dennis Dugay）在公司位于加利福尼亚州亨廷顿海滩的实验室的消声室内。迪盖开发和测试飞机通信系统的射频和微波组件

将近20年前，塔涅利安在阅读《今日物理》（2000年5月，第17页）中有关左手材料（现称为超材料）的一则新闻报道后，与加利福尼亚大学圣迭戈分校的研究人员取得了联系。他说：“我和大学的研究人员组建了一个团队，我们启动了DARPA的超材料研究项目。最初，超材料的概念在工程界引发了一些争议，但在6个月内我们开展了一项实验，验证了超材料的真实性并发表了研究结果。最终，该项目在DARPA进入了第二阶段：负折射率材料研究，我们将重点放在应用上。”塔涅利安随后在波音公司的国防业务中找到了该技术的应用，他表示，出于专利原因无法在此谈论具体内容。

为DARPA项目开发的一些建模工具后来用于开发手机上的小型电子天线。洛厄尔说，这是基础物理学经常通过“擦板投篮”从基础物理学转化到应用的一个例子：“并不是说你所做的研究总是直接应用到你可能想到的地方，而是中间还有一步之遥。”

波音公司的科学家说，物理学家采用的还原论方法是进行故障排除的理想选择。洛厄尔指出：“当去处理故障时，物理学家解决问题的方法是问：我该如何将系统简化为最核心本质的物理学，然后再逐步提高复杂性？而工程师则从复杂性入手，然后在复杂性上研究系统，有时会努力简化问题以弄清问题。”

塔涅利安说，物理学家还帮助弥合不同专业的工程师和从事多学科研究的其他科学家之间的知识鸿沟。他解释说，比如，电气工程师可能不了解机械工程、热学或项目的其他方面，而机械工程师可能不太懂电子学。“物理学家在如何做一些专业的事情上不是专家，但是他们了解事情发生或相互作用的核心，尤其是在多学科环境中。”

广纳贤才

洛厄尔说，波音公司希望招募有实验背景的人、有理论背景的人、有分析能力的人和有统计能力的人。“在我们这样规模的公司中，各种问题的涉及面很广，因此我们所需的人才技能是既广又深。”

洛厄尔预计，未来两年内，仅波音公司的颠覆性计算和网络公司将至少需要12名新物理学家。对量子物理学家（从事超算研究和具有建模经验）需求特别大，此外还需要处理大量数据和代码（利用不同类型的处理器）的高能物理学家。

塔涅利安说：“我们试图招募年轻物理学家进入工业界特别是波音公司（实际上是一家工程公司）方面并不容易。”