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飞机黑匣子中的战略性关键金属——钛

发布日期:2022-04-11 11:59    点击次数:176

2022年3月21日,东航一架波音737客机在执行昆明——广州航班任务时,于梧州上空失联。

当日

14点23分,MU5735飞机雷达信号消失。

16点34分,民航局确认该飞机坠毁。旅客123名,机组人员9名,均已遇难。

第一个黑匣子于3月23日找到,是具有通话记录功能的黑匣子,3月27日,第二个黑匣子也被找到,其具有关键的数据记录功能。

什么是黑匣子呢?它为什么这么重要呢?

黑匣子也叫飞行记录仪,是用于航空事故调查、维修、飞行试验用途的设备。黑匣子能够向调查人员提供飞机出事故前各系统的运作情况,空难往往发生在一瞬间,飞行员和乘客都同时遇难而缺乏当事人的证词,调查事故原因会有很大困难,而黑匣子则可以向人们提供飞机失事瞬间和失事前一段时间里,飞机飞行状况、机上设备工作情况等;驾驶舱通话记录器能帮助人们根据机上人员各种对话分析事故原因,以便对事故作出正确结论。

1953年,世界上第一个飞航记录器由澳大利亚研究实验室发明。

1956年,沃伦(Warren)与同事试验了可保持4个小时语音和飞行数据资料的“黑匣子”雏形,但遭到澳大利亚航空界的排斥。澳大利亚皇家空军认为“这种设备并没太大用处,无助于解释事故的原因”。沃伦不得不寻求海外的支持。

1958年,一名英国航空官员看到沃伦的发明后,同意资助沃伦在英国生产“黑匣子”。随后,沃伦率领团队研制出了新的黑匣子模型。他们把飞航记录器放进一个防震防火的盒子里,并开始在全世界发售。

1960年澳大利亚昆士兰州一次空难后,澳大利亚成为世界上第一个强制要求所有民用和军用飞机上都要安装黑匣子的国家。之后的半个世纪里,黑匣子在全球航空业都得到了普遍运用,并成为全世界所有民航和多数军事飞机上的标准设备。

一个飞机上通常有两种黑匣子

一是数据记录器,它能记录飞机的系统工作状况和引擎工作参数等飞行参数,内容包括:空中飞行速度、高度、航向、发动机推力资料、俯仰与滚动资料、纵向加速度资料及许多参数资料。

二是通话记录器,仪器上的四条音轨分别记录飞行员与航空管制员的通话,正、副驾驶员之间的对话、机组员对乘客的广播,以及驾驶舱内各种声音(引擎声、警报声)。

专家表示,黑匣子必须经数据提取、译码、分析,再形成情况汇报,约需10到15天时间才能获得初步分析结果。

黑匣子为什么这么厉害,无坚不摧,它是由什么材料构成的呢?

黑匣子那么坚硬,是因为他的外部材质融入了“钛”这种元素,这种钛金属合金坚如磐石,坚不可摧,可抗高压,可耐高温。

如图所示,这就是黑匣子的简单示意图,1-01为外刚性壳体,1-02为内套刚性小盒组件,1-03为热保护材料,1-02-01为内套刚性壳体,1-02-02为热防护材料或非金属缓冲材料,1-02-03是用于数据存储的存储介质单元。可以看出,一个黑匣子有内外+内外两层刚韧性防护,怪不得这么坚硬,刚性材料为钛金属合金,热保护材料通常为干石英。

“钛”是重要的“战略性关键金属”之一!

何谓战略性关键金属呢?顾名思义,它是十分关键的,且具有战略意义的。

战略性关键金属其实是由世界主要发达国家和地区根据本国高科技发展的需求和供给渠道可能受到限制界定出的矿产资源种类,它一般指对新材料、新能源、信息技术、航空航天、国防军工等新兴产业具有不可替代重大用途的一类金属元素及其矿床的总称,也是关乎国家安全与经济繁荣的资源。

2017年美国特朗普总统签发了《确保关键矿产安全和可靠供应的联邦战略》的第13817号行政令,强调要查明关键矿产的新来源,减少因关键矿产供应链中断带来的国家安全与经济发展隐患,保障美国对关键矿产资源的稳定供给。

2018年5月18日美国内政部公布了35种关键矿产清单。铝、锑、砷、重晶石、铍、铋、铯、铬、钴、萤石、镓、锗、石墨、铪、氦、铟、锂、镁、锰、铌、铂族金属、钾盐、稀土元素族、铼、铷、钪、锶、钽、碲、锡、钛、钨、铀、钒和锆。

发达国家典型关键金属矿产(吴巧生,2020,战略性关键矿产资源供给安全研究综述与展望)

从上图可以看出,钛已经被多个发达国家列为战略性关键金属名单!

钛,其化学符号为Ti,原子序数为22。它通常为银白色,其特征为重量轻、强度高、具金属光泽,亦有良好的抗腐蚀能力。由于其稳定的化学性质,良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱,以及高强度、低密度,常用来制造火箭及太空船,因此获美誉为“太空金属”。

钛的矿石主要有钛铁矿及金红石,广布于地壳及岩石圈之中。钛亦同时存在于几乎所有生物、岩石、水体及土壤中。钛最常见的化合物是二氧化钛,可用于制造白色颜料。其他化合物还包括四氯化钛(TiCl4,作催化剂及用于制造烟幕或空中文字)及三氯化钛(TiCl3,用于催化聚丙烯的生产)。

钛能与铁、铝、钒或钼等其他元素熔成合金,造出高强度的轻合金,在各方面有着广泛的应用,包括宇宙航行(喷气发动机、导弹及航天器)、军事、工业程序(化工与石油制品、海水淡化及造纸)、汽车、农产食品、医学(义肢、骨科移植及牙科器械与填充物)、运动用品、珠宝及手机等等。

不仅仅是重要的黑匣子,如今俄乌交战,钛也是各种军事武器、战斗机中的重要金属元素。

1791年,钛以含钛矿物的形式在英格兰的康沃尔郡被发现,发现者是英格兰业余矿物学家格雷戈尔。

1795年,普鲁士化学家克拉普罗特(Martin Heinrich Klaproth)独立地从匈牙利的金红石中再度发现到这种氧化物。

1910年,美国伦斯勒理工学院的亨特(Matthew A. Hunter)将四氯化钛和钠一起加热至700-800摄氏度,提炼出高纯度的钛

1950年代至60年代,苏联率先将钛用于军事及潜艇用途(661型潜艇、705型核潜艇、M级核潜艇),作为对冷战的部分规划。自1950年代初起,钛开始被用于各种军事航空用途,尤其是制造高性能喷射机,最初的机体包括F-100超级军刀及洛克希德A-12。

美国国防部意识到钛这种金属的战略重要性,整个冷战时期,钛一直被美国政府视为战略材料,国家防御储备中心内有大量海锦钛库存,直至2005年用尽为止。现时世界最大的钛生产商,是俄罗斯的VSMPO-Avisma,据估计这家公司的全球市场占有率达29%。

2006年美国国防部国防高等研究计划署向两家公司联合拨款五百七十万美元,研发制造钛金属粉末的新方法。在热力与压力下,这种粉末可用于制作各种强度高且重量轻的物件,从装甲敷板到宇宙航行、运输、化工用元件。

那中国呢?

钛是我国的优势矿种,可以用来卡其他国家的脖子,其储量居世界第一(陈毓川,2011)!

中国的钛矿主要为钒钛磁铁矿、金红石和少量砂矿。主要分布于四川、湖北、河南、云南、广东、广西等地。

上图是笔者使用实验室内飞纳扫描电镜结合能谱分析出的氧化钛矿物(TiO2)。

上图是笔者使用实验室内日立扫描电镜结合能谱分析出的金红石(Rt)和钛铁矿(Ilm)。

(2018年中国关键和大宗金属对外依存度,翟明国,2021,矿产资源国家安全、国际争夺与国家战略之思考)

从上图可以看出,中国的钛对外依存度不是很高,大约40%。

(美国发布的关键矿产清单以及与中国的争夺图,翟明国,2021,矿产资源国家安全、国际争夺与国家战略之思考)

从此图可以看出,美国对于钛的进口率非常高,接近90%,而中国较低。

钛是战略性关键金属,世界各个发达国家都高度重视,我国拥有大量的钛矿储量,应合理规划和开发钛资源,有效并高效利用这种战略资源。

参考文献

[1]翟明国,胡波.矿产资源国家安全、国际争夺与国家战略之思考[J].地球科学与环境学报,2021,43(01):1-11.DOI:10.19814/j.jese.2020.10018.

[2]吴巧生,周娜,成金华.战略性关键矿产资源供给安全研究综述与展望[J].资源科学,2020,42(08):1439-1451.

[3]陈毓川,矿产资源战略研究,2011,科技成果.

美编:陈添鑫

校对:王海波