齐天大圣孙悟空一个筋斗云啊就是十万八千里。看完《大圣归来》,对着这句台词开了发脑洞:里程十万八千里,火箭一样的速度,这筋斗云用什么材料制造最合适?有实现的可能性吗?说干就干,先来分析大圣的出行需求:大圣出行的目的基本有以下几个方面:1.化缘;2.救师傅;3.搬救兵。
按照马斯洛需求理论:化缘是最基本的生理需求,筋斗云只要满足代步功能即可;救师傅就上升到了社会需求这一层,这是社会期望,师傅挂了让大圣怎么超脱?无论如何,也得弄个易启动、高强度、耐用性好的座驾;可当事情发展到不搬救兵就无法收场的局面,就需要更高级的性能了,比如去东海找龙王,座驾就得抗压耐电化学腐蚀;去阎王殿找阎王,座驾更得耐高温有韧性。
再来看看距离和速度,对座驾有怎样的要求:十万八千里=54000km,而赤道周长约为40000km,就是说,大圣一个筋斗就是绕着地球一圈多。速度呢?考虑到大圣的版本中还没有出现时光倒流的状况,且《西游记》中对时间的描述通常以“那消一个时辰”为模糊描述,暂且记为火箭一样的速度。粗略来看,筋斗云集合了目前人类各种交通工具(汽车、火车、船舶、潜艇、飞机甚至火箭)的性能制高点。有了这些特点就够了吗?
等等,从筋斗云这个很有科技意味的“云”字来看,还有一个要求就是要够轻!先来看看金属材料青铜做的筋斗云?它是人类掌握的第一种高强度材料,一般用来铸造大载荷工件,太笨重,不妥。铁做的筋斗云?铁和铁的合金(包括钢)在工业产品中有着广泛的应用,但是易锈蚀,在地狱火的摧残下可能化为铁水钢水,无法满足筋斗云出行第三层次需求,排除。铝合金呢?
铝合金以其约钢铁35%的密度、更高的硬度和“不生锈”等优点成为超越钢铁的新一代工业金属,在火箭、飞机、汽车、船舶制造中应用广泛。可惜依然难以克服一些先天不足:在航天等领域可能需要耐受2000℃以上的高温,铝合金虽有熔点高达2030℃的氧化膜包住,但内部早就化为铝水。此外,铝合金虽然不会像钢铁一样严重锈蚀,但它依然难以承受“电化学腐蚀”的魔法攻击,在某些极苛刻的使用环境下,也无法满足条件。
非金属材料是否可行?工程新材料领域比较看好的碳纤维复合材料或许是不错的座驾选择。碳纤维做的筋斗云?碳纤维是以碳元素为主构成的纤维。它的碳含量高于90%,也就是说其化学组成很接近碳单质。相当于在石墨的基础上混入了一些无定形碳的结构特征,然后在微观尺度上经过卷曲、折叠整体呈纤维状。常见的碳单质:a,b,d-f,g,h,分别为:金刚石(钻石)、石墨、富勒烯(足球烯和其类似物)、无定形碳,以及碳纳米管。
这样的碳纤维丝比头发还细,但抗拉强度非常高,这样的材料经过合理的加工,筋斗云在途中就不会因为各种外力变形甚至断裂。碳纤维丝一般不会直接使用,而是先织成碳纤维布,再加工成型做成需要的产品。确定抗拉强度可以满足需求后,再探究下碳纤维是否真的耐高温耐腐蚀轻量化?耐高温?那一定是碳纤维复合陶瓷材料!
它是一种常见的碳纤维复合材料,耐高温神器,具有极强的热稳定性和抗热衰性,主要用于航天材料和超级跑车、飞机的刹车盘等。用碳纤维复合陶瓷制造的航天器返回舱,可以耐受返回大气层时摩擦产生的热。刹车时摩擦生热变红的F1刹车碟,可以达到900℃。耐腐蚀?轻量化?碳纤维复合树脂材料可以满足需求。它具有轻量高、耐腐蚀等特点,广泛用于制造对轻量化有高要求的工业产品。
碳纤维复合增强树脂CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer):日常生活中能看到的“碳纤维材料”制品几乎都是CFRP做的。它可以被简单粗暴地理解为:用特殊的“胶水”(胶水和树脂在材料化学上属同一大类)将碳纤维布一层层粘贴在模具上,再压紧和适当处理使“胶水”固化,得到需要的零件。CFRP比重仅有普通钢铁的25%左右,而比强度约有其10倍。
而且CFRP是非金属材料,抗腐蚀性远强于钢铁、铝合金等金属。因此CFRP是一种轻量高强的的高性能材料。“碳纤维”CFRP,有那么神奇?下面来看看它的应用:世界一级方程式锦标赛(F1)早在1981年就引入了CFRP材料制作轻量化车身,其中碳纤维单体壳座舱具有里程碑意义。碳纤维单体壳座舱。这种座舱在极轻量化的情况下仍有极高的强度,以保障车手的安全。
比如2007年F1加拿大站中,宝马索伯车队车手库比卡以约300 km/h的速度撞上防护墙后翻滚,赛车严重受损,但座舱仍然完整,事后查明他并无大碍,只是脚踝扭伤。碳纤维材料早在赛车和超级跑车领域早有应用,而在量产车领域,巴伐利亚汽车制造厂(Bavarian Motors Works,嗯……就是宝马)则是第一个引入全碳纤维座舱的厂家。
从新7系轿车开始,BMW就采用CFRP作为部分部件,使白车身重量减轻40公斤。是为数不多引入碳纤维复合材料做车身的量产车。CFRP主要用于车身B柱、C柱、车顶纵梁、前横梁、门槛梁以及中央通道。BMW 7系的CFRP使用布局,黑色为CFRP材料。而已经量产的混合动力跑车BMW i8则采用了全CFRP单体壳座舱。
引进大量赛车设计的思路制作了“LifeDrive”架构,相当于把一个全CFRP单体壳座舱放在金属底盘上,BMW称座舱为“Life”模块,底盘为“Drive”模块。在实现轻量化基础上再配合油电混合动力技术,让这辆跑车油耗低得惊人:官方综合工况油耗低至2.1 L/100km。什么概念?就是一辆高级轿车大小的双门四座跑车油耗只有一辆摩托那么多。
随着自重、油耗的降低,车辆灵活性、操控性也随之增强,宝马称其为发生在身边的小小奇迹。BMW i8 全碳纤维单体壳座舱。另外,CFRP还用于制作滑雪板、赛用自行车等。目前来看,只有碳纤维复合材料能够满足大圣的出行需求,上天入地不成问题。当然,技术还在发展,就碳材料而言,未来材料将是碳纳米管。碳纳米管微观结构。
它比碳纤维密度更小,但比强度、刚度都更大,航天工程领域有想法用它做成“天梯”,实现给同步卫星维修、搭建超高海拔卫星发射台等功能。到时候大圣就有更棒的筋斗云了,人类也拥有了更棒的奇迹。