《元素与人类文明》——钛平盛世

第五章 钛平盛世

我欲乘风归去，又恐琼楼玉宇，高处不胜寒。起舞弄清影，何似在人间。——苏轼

上九天

探索“未来”，可以说是人类作为一种智慧生命的本能。某种意义上说，正是因为对未来的恐惧与思考，人类社会才有了哲学、宗教、艺术与科学，人类文明得以步步前行。

多年以来，好莱坞的镜头帮我们谋划了很多种可能的未来，全面战争、末日预言、地质灾害、气候变暖……各种灾难层出不穷，在欣赏荧幕变幻的同时，也不得不让我们重新反思自己的“高碳生活”。但是，相比于这些局限在地球上发生的故事，天马行空的外星人更加吸人眼球。人们耳熟能详的E.T.、变形金刚、超人、阿凡达等等科幻角色，全都是各色外星人。而在中国，要是提起科幻，人们首先会想到的恐怕也是“三体人”。

在地球人贫瘠的想象中，外星人的科技往往要比我们高出很多，当我们遭遇的时候，总是要付出惨痛的代价。就算是好不容易碰到了部落时代的阿凡达，我们也没有能够占到便宜，灰溜溜地被赶回了地球。

既然外星人如此可怕，我们为什么还是会期待和外星人相遇呢？

岂止是期待！

1977年9月5日，美国国家航空航天局（NASA）发射了一艘名为“旅行者1号”的探测器。这艘探测器的目标并非是某一颗特定的星球，而是浩瀚的宇宙。

探测器上携带了一张由铜打造并镀金的唱片，唱片中记录了人类文明的相关信息，包括地球的位置、人类这一物种的外形、55种语言的问候录音等等，封面更是贴心地画出了唱片的播放方法。

这张金唱片便是人类发往浩瀚宇宙的一只漂流瓶。

有朝一日，或许是几万年后，它会抵达距离太阳系最近的恒星系统附近，那里正是传说中“三体人”的家乡——人马座α星，俗称“比邻星”。虽然希望十分渺茫，可我们还是期盼着会有那么一天，另一个星球上的居民发现了它，并且解读出其中的奥秘，与我们建立联系。

2012年，旅行者1号掠过冥王星，人类第一次知道了冥王星的模样。从此，它或许不会再和人类已知的天体发生如此亲密的接触，并且随着电能的消耗，大约在2025年，它就无法继续向地球发射信号了，只能独自流浪下去。在那之后，它的任务就只剩下一条——被外星人发现。

由此看见，人类不仅期待着与外星人相遇，更是早已付诸实施。尽管旅行者1号金唱片的象征意义远大于实际，但是谁又能知道，它不是最终掀起太平洋上风浪的那只蝴蝶呢？

未知世界的外星人，或许会很好战，甚至会让地球遭受灭顶之灾，但是，比这些灾难更可怕的，是我们连外星人都找不到，只能孤零零地被束缚在太阳旁边的第三颗行星上。当我们说起外星人的时候，说的其实还是人类文明的未来。

要想寻找外星人，首先需要解决的第一个问题是：走出去。为此，距离地球最近的月亮，就成了人类遐想的第一个地外居住点。

嫦娥孤栖与谁邻？欲上青天揽明月！千百年来，人类登月的梦想从未停止过。在古人的想象中，月亮上大概也有宫殿，里面还住着神仙。1969年，NASA发射的阿波罗11号实现人类首次登月，宇航员阿姆斯特朗走出登月舱，说出了那句将会流传千古的话：“这是我的一小步，却是人类的一大步。”的确，为了从地球“走出去”，人类已经为之努力太久了，阿姆斯特朗代表全人类，跨出了关键的一步。同时，他和他的队员们也能够亲眼证实，月球不过是荒芜一片，没有月宫，也没有嫦娥。

没有神仙嫦娥，那我们就创造“嫦娥奔月”，让千古神话变为现实。

2004年，中国正式确立了月球探测计划，并将其命名为“嫦娥工程”。此后每隔三年，嫦娥一号至三号卫星相继升空，成功完成了一系列探索任务。

又等待了五年之后，“嫦娥四号”于2018年12月8日登上奔月征程，正如我们在“高碳生活”中所提到的，它的目标是人类从未探寻过的处女地——月球背面。由于潮汐锁定效应，月球的公转速度与自转速度相同，通俗地说，它总是以同一面对着地球，于是人类从自己的视角，将月球正对地球的一面称为正面，反之则为背面。古往今来，人类只能看到月球的正面，却无法知晓背面的世界是什么样，因此有人猜测，说不定月球的背面就有外星人建造的基地。

2019年1月3日，经过26天漫长的旅行之后，“嫦娥四号”平稳地降落在既定位置。这下，月球背面真的出现“外星人”了——由地球人制造的智能月球车“玉兔二号”缓缓地从着陆器推出，开始完成它的探测任务，对月球来说，这可不是外星人吗？

“玉兔二号”的设计时速最高可达200米——不是“千米”，只是“米”，但这已经是非常了得的速度了。月球上没有高速公路，就连前人轧过的车辙，也不过寥寥几条。虽然没有荆棘密布，可是月壤、岩石，以及陨石撞出的坑坑点点，都会让探测车在月球上的行动变得步履蹒跚。

唯一的优势大概就是月球上重力更小一些，月球车行驶所需的动力可以比在地球少一些，只是这样带来的副作用是，月壤和岩石也会更容易被卷起来，对月球车造成破坏。

所以，即便“玉兔二号”月球车是现代尖端科技的结晶，它在真实的月球环境中，面临的挑战依然艰巨，更何况它还是在我们看不到的月球背面，一切控制信号都只能靠中继卫星“鹊桥”来传递，当研究人员看到情况后进行操作，指令起作用时，时间已经过去了好几秒钟，这可比正在开车的司机打个喷嚏还要久。所以，要想在月球上飙车，那是坚决行不通的。

即便一切都小心翼翼，它的前辈“玉兔一号”，在成功登月之后，仅仅行驶了114.8米的距离便停滞不前了。2019年2月11日，“玉兔二号”已累计行驶了超过120米，打破了原有纪录，这无疑又是中国航天史上一次巨大的进步。

实现突破的原因很多，保密工作严谨的航天领域，不可能将秘密一一公开，但还是向公众展现了不少细节。当“玉兔二号”驶离着陆器时，“嫦娥四号”探测器与它完成了互拍，并特地给它的轮子做了一个大大的特写。不难看出，虽然前后两只“玉兔”的外形十分相似，但是轮子却有着显著不同。

“玉兔二号”的车轮由上海宇航系统工程研究所（又名航天院805所）精心打造而成。车轮采用了六轮悬挂摇臂机构，更具体来说，是“主副摇臂差动式悬架、六轮独立驱动、四轮独立转向”的构型方案。

形象地说，它就像是神话中哪吒驾着风火轮，既有腿的功能，又能当轮子使。人类短短数十年的地外探索，已经在探测车上尝试过多种行走模式，摇臂机构的优势最为明显，它有很强的越障能力与行驶能力，却能在越障之时基本保持平稳，又不像履带那样增加太多的重量。

轮子与地面接触的部分最为重要，它决定了一切精巧的设计能否凑效，就和普通轮胎的胎面一样。“玉兔二号”车轮的“胎面”由两部分组成，分别是位于两侧的棘爪与正面的筛网。

棘爪由铝合金制成，如此设计本是为了增加月球车的抓地力，然而实际应用时并不能完全发挥功能，于是它就主要承担了另一个作用——与着陆器上导轨咬合。月球车不比人类，迈开双腿就能从着陆器跳下来，而是需要缓缓滑落，但是这个过程却是在38万公里外遥控而成，难说会发生什么意外。因此，设计人员在着陆器的导轨上也安装了棘齿，与车轮的棘爪刚好匹配，这样月球车便失去了滑动的自由度，在三维空间处于可控状态，就算是停在导轨上也是稳稳当当。

相反，设计人员一开始并没有很重视筛网的作用，但它的确是月球车平稳移动的最大功臣。与履带一样，它可以增加轮子的受力面积，这样就不至于陷入松软的月壤中，也不会卡在大块的岩石上；至于那些卷入轮子中的小石子，能够从筛网中漏出来，不会对月球车造成持续损坏。最为重要的一点是，它不会出现永久变形。

我们在生活中也经常会用到金属筛网，比如铁丝网编织的纱窗。金属材料或多或少都有延展性，所以在受到外力作用的时候，便会出现形变。

这样的特性源自于金属内部独特的原子结构。与一般物质不同，金属材质内部找不出“分子”这一层级的物质，而是由原子直接堆砌而成。但金属原子的堆砌方式与此前提到的金刚石或单晶硅又有着本质差别，它们几乎不受什么拘束，如同是将豆子倒入了竹筒里，所有原子都紧密地靠在一起，因此金属通常都拥有较高的密度。

不仅如此，当受到外力的时候，金属原子的相对位置也可以发生改变，于是宏观上便会出现弯折、错位、扭曲等形变现象。而金刚石虽是最硬的物质，可内部的碳原子受到化学键的束缚，一旦产生形变就会碎裂。

对于车辆的轮子而言，能够发生一定程度的形变是至关重要的，因为这样可以吸收路面凹凸不平造成的震动。地球上的车辆几乎都使用橡胶轮胎，而在橡胶还未被发现利用的时候，无论是马车还是18世纪末出现的自行车，轮子通常都是由木头打造，形变程度较小，颠簸得厉害。直到后来，高弹性的橡胶被发现并用于轮胎，再加上悬挂系统的发明，车辆避震问题才得到了解决。

但是新的问题又出现了——一旦形变过头，橡胶便会发生疲劳，呈现松弛的状态无法恢复。这种情况在汽车轮胎磕到马路牙子的时候最为常见，脆弱的胎侧受到外力作用发生形变，于是就会造成“鼓包”的现象。经验丰富的汽车司机发现这种情况之后往往会做出换胎的决定，因为它很可能会成为爆胎的起因。

大多数合金与橡胶一样，当形变程度较大的时候，便很难再恢复原状，从而出现永久形变。对于月球车轮子上的筛网而言，这显然是难以接受的缺陷，否则只要滚上几圈，轮子也许就不再是圆形，容易卡住岩石，在月球上动弹不得。

但是“玉兔二号”并不会这样，它所用的筛网是一类特殊的合金，由钛和镍共同打造，它拥有一个非凡的特性——记忆效应。所谓记忆效应，就是金属在发生形变之后，随着外力撤销，便可以完全恢复到原来的形状，正是这一特性，可以让筛网保持永久的圆形状态。

设计师们选择了钛合金筛网方案之后，打造出了直径300毫米而宽度为150毫米的轮子。尽管拥有如此复杂的结构，它的总质量却只有区区735克，还不及一本普通的《现代汉语字典》。

出色的记忆效应，轻盈的体态，让钛元素荣膺“太空金属”的美誉，但它在太空中的价值还远不止于此。

“嫦娥四号”登月之后，需要完成一系列观测任务。既然是观测，那么视力的重要性不言而喻，就和人类一样。对月球探测器而言，它的“眼睛”其实就是用于拍照的镜头。可是月球上的光学环境与地球不同，除了色彩可能带来的差异以外，还面临着大量高能粒子辐射的问题。除此以外，月球上巨大的温差也让月球车的“视力”备受影响，所以它的“瞳孔”——也就是镜头，是由特种玻璃制作而成。

仅仅是特制的镜头还不够，镜筒也要与之匹配。温差会造成物质的热胀冷缩，这是另一种外力带来的形变，若是镜筒材料的胀缩幅度与镜头不同，便会对镜头造成损坏。一般金属的热胀冷缩效应都要高于玻璃数倍，作为探测器的“眼眶”并不合适。所幸的是，钛合金与玻璃的热变形程度接近，这也让它又多了一项太空任务。

早在1978年，日本北极探险队前去北极探险时，为了适应极寒天气，就已经在照相机的上下盖和前后盖尝试了钛合金。在-40℃乃至更低气温的北极室外，钛合金相机的效果好得出乎意料，在那之后，钛合金用作光学元件就变得非常普遍了。人类要想上九天揽月，又怎能忘记了钛元素？

就算不在月球那么高的太空，如今遨游于平流层的那些飞行器，也都离不开钛元素的贡献。航空界早有一个共识：如果没有钛，就不可能制造出高性能的超音速飞机，“太空金属”的魔力可见一斑。

轻质而又强韧的钛合金，几乎可以适用于飞机的任何部位：机身蒙皮、机翼肋条、机翼蒙皮、起落架、机尾罩、垂尾构件、锚固件、承重件、座位导轨……不过，最重要的还是要数发动机。

根据测算，飞机发动机的质量每降低1公斤，便可以让使用成本节约220-440美元，而飞行速度却可以因此而得到提升，这对于涡轮喷气式飞机来说尤其显著。

喷气式飞机利用的原理是经典的牛顿第三定律：当一个物体对另一个物体施力的同时，也会受到一股反向且等大小的反作用力。基于此，英国工程师弗兰克·惠特尔（Frank Whittle）想出了一个绝妙的主意，要是能够将空中的气体先收集起来，然后再猛地释放，飞机不就可以快速飞行了吗？其实孩子们也很喜欢玩这个把戏——吹起一只气球再撒手，于是气球便会喷着气，飞快地在空中旋转。

十多年后，惠特尔的奇思妙想在战场上最先变成了现实，德军与盟军双方先后设计出了新型的喷气式飞机用于实战，很快就在性能上超越了传统的活塞式飞机。

战后，对喷气式飞机情有独钟的英国人从德国人那里吸取经验，在1949年推出了第一款商用的喷气式客机——“彗星”，人类从此进入喷气旅行的时代。

“彗星”客机的飞行高度可达12000米，时速更是超过800公里，而在当时，其他任何一款民航飞机的速度都不及它的一半。但是，对于这样革命性的新事物，大多数航空公司都采取了观望的态度，在美国，更是只有泛美航空试探性地下了3架飞机的订单。

美国人并非对此无动于衷，事实上，对于英国人率先发明并在民航应用喷气式飞机这一点，从政府到民间都弥漫着一股嫉妒与懊恼。波音公司更是有些坐不住，但是要想快速研发出喷气式飞机，他们或许要将自己在二战期间造军机获得的所有利润全部拿出来，这场豪赌又令决策者们犹豫不决。

1952年5月2日，嫁入英国海外航空公司的“彗星”客机正式投入运营，在执飞了伦敦到约翰内斯堡的洲际航程之后，反响十分强烈。乘客们纷纷炫耀：飞机很平稳，可以在机上喝水；飞机很快捷，到达目的地时都怀疑是不是手表出了问题；飞机很梦幻，坐在万米高空看地球的感觉真是好极了……

几乎在同一时间，波音公司历经两年的调研，终于敲定了战略目标：造出一架属于美国人的喷气式飞机！但是波音实在拿不出这么多科研经费，在申请了联邦财政支持后，又向飞机发动机的制造商普拉特·惠特尼（即普惠公司）赊了一大笔钱，以解燃眉之急。

于是人类航空史在这个时候来了个急转弯。

作为第一个吃螃蟹的飞机型号，“彗星”在接下来的两年遭遇了最黑暗的时刻。新型客机虽然在各方面都很出色，却不具备良好的安全性。1953年5月2日，就在“彗星”首航一周年之际，收到的礼物竟是一场空中劫难。印度德里的上空，一架飞机起飞后不久便解体坠毁。事故原因被认为是强对流天气，各航空公司因此修改了飞行手册，并没有怪罪于飞机的设计问题。

然而，1954年1月10日，又一架“彗星”客机发生了解体。这一次是在意罗马上空，“彗星”客机也因此全部停飞。事故经调查后，管理层与工程师们的意见并不统一，有的认为是错误操作所致，有的则认为是飞机的设计存在缺陷。最后，大家实在争执不下，只好采取投票的方式决定是否让“彗星”复航，而投票结果是——通过，与此同时，由专家小组继续调查事故原因。

仍在研发新型喷气式飞机的波音团队惊闻这一惨剧之后，百感交集，他们不免担心这也会成为波音的未来。

正所谓祸不单行，同年4月8日，依然是在罗马，复航后不久的“彗星”客机再次出现空中爆炸解体的状况，这一次，所有人都确信，一定是设计出现了问题。人们对于喷气式飞机用于民航客运的质疑声，也一浪高过一浪。

为什么喷气式飞机不耐用？这是当时最受关注的难题。

经过彻底的调查，“彗星”的阿喀琉斯之踵终于被找到了——金属疲劳。所谓金属疲劳，其实是一种十分形象的描述，指的就是金属材料在经过长期使用之后，内部产生了一些微小的裂痕，导致强度下降的现象。

举个例子，要想截断一根细铁丝，如果手头没有工具，可以反复朝着相反的方向不断弯折，细铁丝很快就会断开，这其实就是利用了金属疲劳的原理。对于飞机这样的庞然大物而言，金属疲劳很可能就是致命的，正所谓千里之堤毁于蚁穴，哪怕只是一丝裂纹，在受到异常外力作用的时候，都可能会造成整架飞机自此处断开。

由于高空与高速的使用环境，喷气式飞机造成的金属疲劳要远远超过其他类型。实际上，除了这显而易见的两高之外，它还有另外两高：一是高压，二是高温。

所谓高压，说的是当飞机在平流层巡航之际，外界的空气十分稀薄，所以机舱内必须采取加压的方式确保呼吸，但是由此也造成舱内与舱外之间存在较大的气压差，这时的飞机就像是易拉罐装的碳酸饮料一样，机身上哪怕只有一个小孔，气流就可以自此喷涌而出。

高温是喷气式飞机的又一大特征。涡轮发动机将空气吸入，空气与航空煤油发生化学反应产生大量二氧化碳与水蒸气，此时发动机再将这些气体快速向后喷出，形成强大的推动力。问题在于，飞机排出的气体，有时温度可以达到上千度，对于长期运转的发动机来说，这无疑是个严峻的考验。

二战期间的飞机主要由钢材和铝材所造，这样的材料搭配也一直延续到了“彗星”客机。喷气式飞机适合高速飞行，对于轻量化的要求也就更为突出，所以铝材的使用比例有所提升。但这是个十分矛盾的局面，因为铝的耐金属疲劳能力并不出众，尤其在高温条件下，性能严重丧失。所以，当“彗星”飞天翱翔之际，却早已埋下了一颗定时炸弹。1954年，这颗炸弹被彻底引爆，“彗星”黯然坠落。

但是这一年对于整个民航业来说，却是丰硕累累的一年。

“彗星”的失败，让波音变得更加冷静。5月15日，波音首架喷气式飞机下线，为了掩人耳目，它一直以来的身份都是367-80（Dash-80），也就是沿用了自家螺旋桨飞机的编号方式。直到两个月后的首飞，竞争对手们才知道，这居然是一款喷气式飞机。

大概是吸取了“彗星”的教训，367-80此时并没有进入民航市场，而是作为KC-135型加油机开始服起了兵役。

但是谁都没想到，波音这一次赢了个大满贯，它的性能获得了广泛认可，不仅在几年后以707的传奇机型占领了民用市场，就连美国总统所乘的专机“空军一号”也是非它莫属。

这并非是1954年所有的航空大事件。

虽然“彗星”遭受了坎坷，但是为它提供发动机的罗尔斯·罗伊斯公司，却在新型的发动机Avon上使用了钛合金；但他们还是落后了一些，同年早些时候，为波音提供发动机的普惠公司已经率先实现了这一技术，将发动机的转子盘和叶片都换成了钛合金制造。实际上，当1958年波音707定型的时候，全机已经使用了81.6 kg的钛合金。

钛合金不仅轻质，还能在高温条件下耐受一定程度的金属疲劳，所以它比钢材与铝材更适合用于飞机制造。当航空工程师们掌握了钛合金的加工技巧后，飞机上的钛合金零件便逐渐多了起来。以后世的眼光看来，钛合金在恰当的时机现身，也让人们在这个时候没有因“彗星”的三次坠落而对喷气式飞机失去耐心。

在那之后，用钛量几乎成了评价飞机先进性的重要标准。波音707型获得成功后，1962年研制的波音727型客机，钛合金的用量就猛增到590 kg；而在777型客机，这个数字更是达到了5896.7 kg，占机身比例的11%左右。至于更考究性能的军用飞机，钛的用量就更大了。美国目前最先进的战机F-22（中文名称猛禽），光是两台发动机就各用了5吨钛合金，全机的用钛量达到了41%之多。

而在上世纪60年代时，美国甚至还研制出了一款全钛飞机SR-71（中文名称黑鸟），也就是赫赫有名的3马赫侦察机（注：3马赫是指飞行速度可达音速3倍，该机型实际飞行速度可超过3500 km/h），不到两个小时就可以从纽约飞到伦敦，全机的用钛量达到了95%之多。在服役期间，未曾有一架SR-71被击落，因为没有任何武器可以追上它，只是由于使用成本过高，退役后便没有再复产。不过，它创造的神话已经令世人震惊，一些科幻电影中还经常会出现它的身姿。

如今，钛合金与飞机制造业相互成就，继续书写着人类航空史，其中的很多技术，未来也许还会在更遥远的太空应用，引领着我们飞翔。我们不禁要感谢“彗星”当初并不成功的尝试，是它作为喷气式飞机的先驱，开启了人类的新篇章。

1958年，“彗星”复出。这一年10月4日，在对首次横跨大西洋航班的争夺中，英国海外航空使用“彗星”四型，率先完成这次壮举。两架飞机几乎同时从伦敦与纽约对开，机上分别坐着英国海外航空公司的首席执行官与董事长，个中深意不言自明。20多天后，泛美航空使用波音707赢得了亚军。

然而，这也成了“彗星”璀璨的谢幕演出。由于没能在最初的几年不断改进，复出后的“彗星”已经无法再与波音707相抗衡，在完成横跨大西洋壮举的次年，设计并生产它的公司德·哈维兰就被并购了，从此天空中再无“彗星”，这不免令人有些唏嘘。

但它的余晖，终将照耀着人类飞向未来。