第582章 高熵合金
長達兩百六十米的楔形骨架，從艦艏一直延伸到艦尾。
主承力結構由十二道環形加強框和七根縱向龍骨梁組成，框與梁之間再用高熵合金梯度節點連接，形成了一個半剛性的箱型結構。
骨架的外面再覆蓋陶瓷基蜂窩夾層板，最外層貼的是可重複使用的熱防護蒙皮。
整個外殼系統的總設計師是韓熹，但是具體到每一條焊縫、每一個連接節點的力學設計，鄒楊帶著結構組已經做了幾百輪疊代了。
遠航號的艦體主結構，設計要求極其苛刻。
整艘飛船兩百六十米長，干質量控制在八千噸以內，意味著外殼框架的質量占比不能超過總質量的百分之十五。
換算下來，主結構的總質量必須得壓在一千兩百噸以下才行。
而承載的載荷包括聚變堆芯、磁噴管、儲能環、熱輻射板、乘員艙、生保系統、燃料儲罐等等，總重將近七千噸。
也就是說，這個框架得用一千兩百噸的材料，穩穩噹噹地扛住七千多噸的載荷，還要在深空環境裡保持結構完整性，承受從零下兩百多度到上千度的溫差循環，抵抗微隕石撞擊，屏蔽宇宙輻射，同時還得讓聚變推進系統產生的高能粒子流和強磁場不受干擾地穿過去。
這幾個要求放在一起，基本上是在說：給我造一個比鋁還輕、比鈦還強、比陶瓷還耐熱、比銅還導電、還不會被磁化的東西。
目前全球根本沒有任何一種材料能同時滿足這些條件。
韓熹團隊選了高熵合金加碳纖維增強陶瓷複合材料的路線。
而碳纖維增強陶瓷複合材料則在低密度和抗熱衝擊方面有著天然優勢。
兩種材料通過界面工程結合在一起，理論上能形成一種既輕又強、既能導熱又不導磁的複合結構。
理論上確實很美，但是工程上卻很殘酷。
高熵合金的製備需要極高的冷卻速率來抑制晶粒長大。
冷卻慢了，晶粒粗化，強度直接腰斬；冷卻快了，熱應力裂紋控制不住，整塊料報廢。
韓熹團隊試了七種冷卻工藝，目前最好的一爐，成品率也只有三成而已。
而碳纖維陶瓷界面的結合強度就更麻煩。
碳纖維和陶瓷基體的熱膨脹係數根本不匹配，只要溫度稍有變化界面就會裂開。
韓熹用了三層梯度過渡層，從纖維表面到陶瓷基體，熱膨脹係數逐步過渡，算是把界面結合強度提上來了一些，但是疲勞壽命還遠遠不夠。
而最難解決的，還得是框架連接節點的結構應力集中問題。
遠航號框架不是一體成型的，必須分段製造再在軌組裝。
連接節點要承受整艦在加速、機動和姿態調整時的全部交變載荷，應力集中係數控制在一點五以下才能保證三十年的疲勞壽命。
【寫到這裡我希望讀者記一下我們域名 TW 看書網解悶好，🆂🅷🆄.🆃🆆超流暢 】
這個問題如果解決不了，遠航號在外太空的反覆升降溫環境中，艙段連接就會成為整艘飛船最脆弱的環節。
韓熹他們已經用拓撲優化做了十幾版設計了，節點應力集中係數最低也才壓到了一點八就再也下不去了。
肖宿翻到工作日誌最後一頁，看到了韓熹寫的內容：「節點問題不解決，框架總裝無法啟動。」
他把日誌關掉，靠在椅背上，閉上了眼睛。
應力集中，本質上是荷載流在幾何突變處的偏轉問題。
拓撲優化能改變幾何形狀，但是改變不了荷載流的偏轉路徑。
一旦偏轉不可避免，應力集中就是物理必然。
除非從更底層的地方改。
換材料？
目前已知的所有材料中，根本沒有契合的。
改結構？
把剛性連接改成柔性過渡，能降低熱應力，但是會犧牲整體剛度，影響姿態控制精度。
加隔熱層？
這個方法雖然能減少溫差幅度，但是會增加重量，而且隔熱層本身在反覆溫變下也會老化。
那到底該怎麼做呢？
肖宿的腦子裡開始瘋狂運轉起來。
荷載流的偏轉路徑，其實可以看成一個向量場在節點區域的分布問題。
如果把這個向量場映射到一個高維流形上，讓節點區域的幾何形狀和荷載流方向在流形上構成一個協調的葉狀結構，那應力集中係數就變成流形上的曲率積分，通過調整葉狀結構的拓撲就可以控制曲率，從而控制應力集中。
這個思路在肖宿之前處理NS方程渦量邊界層的時候就用過。
當時他把渦量分布和樂框架做約束，把渦量鎖定在穩定軌道上。
而現在，只不過是應力張量變成了渦量，結構邊界變成了流體邊界而已，從本質上看，它們還是同一個數學結構。
可是應力張量不是渦量。
渦量是反對稱的，應力張量是對稱的。
渦量的積分曲線在流體裡自然閉合，荷載流的積分曲線在固體裡沒有閉合這一說。和樂群能鎖住渦量，是因為渦量場有天然的辛結構，而應力場……
肖宿不知不覺眉頭緊鎖。
如果和樂群這條路走不通呢？
或許，應該換了個方向想。
不去管和樂群，而是直接看幾何。
應力集中係數是應力峰值與名義應力的比值。峰值出現在節點核心，因為六股荷載流在那個位置擠成一團。
如果能讓荷載流在進入核心區之前就提前分流，每股流各走各的通道，到邊界處再光滑匯合，核心區的應力峰值自然就能降下來了。
這個思路其實就是拓撲優化在做的事，只不過拓撲優化是在二維或三維空間裡挖孔，空間維度不夠，挖來挖去還是互相干擾。
那如果把空間維度提上去呢？
不是在三維里挖孔，而是在高維流形上重新安排六股流的位置關係。讓它們在流形上分屬不同的葉層，葉層之間只在邊界處光滑過渡，核心區就沒有交匯，沒有奇點，應力集中係數自然就……
想到這兒，肖宿倏的睜開了眼。
葉層。
又是葉層。
剛才被他壓下去的那個念頭，繞了一圈又回來了。
……
第二天上午，肖宿去了韓熹那邊的框架組裝現場。
框架組裝區在基地最西側，和試車區隔了將近一公里，但是站在門口還是能感覺到腳下有微弱的振動。
那是遠處試車台傳來的餘震，隔著戈壁的沙土地傳過來，早就衰減成了一種極低沉的嗡鳴，像是大地在呼吸一樣。
框架組裝現場最大的特點就是大，比肖宿去過的其他實驗區都大。
整個廠房長三百二十米，寬一百五十米，層高四十米，是國內目前最大的單體工業廠房。
廠房裡沒有隔間、沒有走廊，就是一整片開闊到幾乎看不到邊際的空間。
地面上鋪著軌道和滑移平台，十二道環形加強框沿著軌道依次排列，每一道都有二十米直徑，像一圈圈被豎起來的鋼環，立在灰白色的地坪上。
環形框之間還沒有完全連接，縱向龍骨梁一部分已經就位，一部分還在吊裝。
幾台巨型龍門吊在頭頂緩慢移動，吊索上掛著十幾米長的鈦合金梁，每一根都有成年人大腿那麼粗，表面塗著防氧化塗層，在廠房頂燈下泛著暗灰色的金屬光澤。
廠房北側牆面嵌著一塊巨大的顯示屏，寬將近二十米，上面展示著遠航號的完整設計圖。
主承力結構由十二道環形加強框和七根縱向龍骨梁組成，框與梁之間再用高熵合金梯度節點連接，形成了一個半剛性的箱型結構。
骨架的外面再覆蓋陶瓷基蜂窩夾層板，最外層貼的是可重複使用的熱防護蒙皮。
整個外殼系統的總設計師是韓熹，但是具體到每一條焊縫、每一個連接節點的力學設計，鄒楊帶著結構組已經做了幾百輪疊代了。
遠航號的艦體主結構，設計要求極其苛刻。
整艘飛船兩百六十米長，干質量控制在八千噸以內，意味著外殼框架的質量占比不能超過總質量的百分之十五。
換算下來，主結構的總質量必須得壓在一千兩百噸以下才行。
而承載的載荷包括聚變堆芯、磁噴管、儲能環、熱輻射板、乘員艙、生保系統、燃料儲罐等等，總重將近七千噸。
也就是說，這個框架得用一千兩百噸的材料，穩穩噹噹地扛住七千多噸的載荷，還要在深空環境裡保持結構完整性，承受從零下兩百多度到上千度的溫差循環，抵抗微隕石撞擊，屏蔽宇宙輻射，同時還得讓聚變推進系統產生的高能粒子流和強磁場不受干擾地穿過去。
這幾個要求放在一起，基本上是在說：給我造一個比鋁還輕、比鈦還強、比陶瓷還耐熱、比銅還導電、還不會被磁化的東西。
目前全球根本沒有任何一種材料能同時滿足這些條件。
韓熹團隊選了高熵合金加碳纖維增強陶瓷複合材料的路線。
而碳纖維增強陶瓷複合材料則在低密度和抗熱衝擊方面有著天然優勢。
兩種材料通過界面工程結合在一起，理論上能形成一種既輕又強、既能導熱又不導磁的複合結構。
理論上確實很美，但是工程上卻很殘酷。
高熵合金的製備需要極高的冷卻速率來抑制晶粒長大。
冷卻慢了，晶粒粗化，強度直接腰斬；冷卻快了，熱應力裂紋控制不住，整塊料報廢。
韓熹團隊試了七種冷卻工藝，目前最好的一爐，成品率也只有三成而已。
而碳纖維陶瓷界面的結合強度就更麻煩。
碳纖維和陶瓷基體的熱膨脹係數根本不匹配，只要溫度稍有變化界面就會裂開。
韓熹用了三層梯度過渡層，從纖維表面到陶瓷基體，熱膨脹係數逐步過渡，算是把界面結合強度提上來了一些，但是疲勞壽命還遠遠不夠。
而最難解決的，還得是框架連接節點的結構應力集中問題。
遠航號框架不是一體成型的，必須分段製造再在軌組裝。
連接節點要承受整艦在加速、機動和姿態調整時的全部交變載荷，應力集中係數控制在一點五以下才能保證三十年的疲勞壽命。
【寫到這裡我希望讀者記一下我們域名 TW 看書網解悶好，🆂🅷🆄.🆃🆆超流暢 】
這個問題如果解決不了，遠航號在外太空的反覆升降溫環境中，艙段連接就會成為整艘飛船最脆弱的環節。
韓熹他們已經用拓撲優化做了十幾版設計了，節點應力集中係數最低也才壓到了一點八就再也下不去了。
肖宿翻到工作日誌最後一頁，看到了韓熹寫的內容：「節點問題不解決，框架總裝無法啟動。」
他把日誌關掉，靠在椅背上，閉上了眼睛。
應力集中，本質上是荷載流在幾何突變處的偏轉問題。
拓撲優化能改變幾何形狀，但是改變不了荷載流的偏轉路徑。
一旦偏轉不可避免，應力集中就是物理必然。
除非從更底層的地方改。
換材料？
目前已知的所有材料中，根本沒有契合的。
改結構？
把剛性連接改成柔性過渡，能降低熱應力，但是會犧牲整體剛度，影響姿態控制精度。
加隔熱層？
這個方法雖然能減少溫差幅度，但是會增加重量，而且隔熱層本身在反覆溫變下也會老化。
那到底該怎麼做呢？
肖宿的腦子裡開始瘋狂運轉起來。
荷載流的偏轉路徑，其實可以看成一個向量場在節點區域的分布問題。
如果把這個向量場映射到一個高維流形上，讓節點區域的幾何形狀和荷載流方向在流形上構成一個協調的葉狀結構，那應力集中係數就變成流形上的曲率積分，通過調整葉狀結構的拓撲就可以控制曲率，從而控制應力集中。
這個思路在肖宿之前處理NS方程渦量邊界層的時候就用過。
當時他把渦量分布和樂框架做約束，把渦量鎖定在穩定軌道上。
而現在，只不過是應力張量變成了渦量，結構邊界變成了流體邊界而已，從本質上看，它們還是同一個數學結構。
可是應力張量不是渦量。
渦量是反對稱的，應力張量是對稱的。
渦量的積分曲線在流體裡自然閉合，荷載流的積分曲線在固體裡沒有閉合這一說。和樂群能鎖住渦量，是因為渦量場有天然的辛結構，而應力場……
肖宿不知不覺眉頭緊鎖。
如果和樂群這條路走不通呢？
或許，應該換了個方向想。
不去管和樂群，而是直接看幾何。
應力集中係數是應力峰值與名義應力的比值。峰值出現在節點核心，因為六股荷載流在那個位置擠成一團。
如果能讓荷載流在進入核心區之前就提前分流，每股流各走各的通道，到邊界處再光滑匯合，核心區的應力峰值自然就能降下來了。
這個思路其實就是拓撲優化在做的事，只不過拓撲優化是在二維或三維空間裡挖孔，空間維度不夠，挖來挖去還是互相干擾。
那如果把空間維度提上去呢？
不是在三維里挖孔，而是在高維流形上重新安排六股流的位置關係。讓它們在流形上分屬不同的葉層，葉層之間只在邊界處光滑過渡，核心區就沒有交匯，沒有奇點，應力集中係數自然就……
想到這兒，肖宿倏的睜開了眼。
葉層。
又是葉層。
剛才被他壓下去的那個念頭，繞了一圈又回來了。
……
第二天上午，肖宿去了韓熹那邊的框架組裝現場。
框架組裝區在基地最西側，和試車區隔了將近一公里，但是站在門口還是能感覺到腳下有微弱的振動。
那是遠處試車台傳來的餘震，隔著戈壁的沙土地傳過來，早就衰減成了一種極低沉的嗡鳴，像是大地在呼吸一樣。
框架組裝現場最大的特點就是大，比肖宿去過的其他實驗區都大。
整個廠房長三百二十米，寬一百五十米，層高四十米，是國內目前最大的單體工業廠房。
廠房裡沒有隔間、沒有走廊，就是一整片開闊到幾乎看不到邊際的空間。
地面上鋪著軌道和滑移平台，十二道環形加強框沿著軌道依次排列，每一道都有二十米直徑，像一圈圈被豎起來的鋼環，立在灰白色的地坪上。
環形框之間還沒有完全連接，縱向龍骨梁一部分已經就位，一部分還在吊裝。
幾台巨型龍門吊在頭頂緩慢移動，吊索上掛著十幾米長的鈦合金梁，每一根都有成年人大腿那麼粗，表面塗著防氧化塗層，在廠房頂燈下泛著暗灰色的金屬光澤。
廠房北側牆面嵌著一塊巨大的顯示屏，寬將近二十米，上面展示著遠航號的完整設計圖。