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一百一十七 碳纤维

    “我?”

    南相容一愣,指着自己问道,

    “我都不知道自己有这么厉害,叶董你为什么这么说?”

    叶蒙问道,“你研究过在失重环境下制造碳纤维的技术对吧?”

    “只是研究过理论技术,但人类暂时也造不出太空工厂,甚至连这方面的实验室都造不出来,所以后来就没继续研究了。难道叶董你们现在可以造太空工厂了?”说到这,南相容忍不住眼前一亮。

    不过叶蒙却摇摇头,“还不能,而且就算能也未必去造,这个之后再讨论吧。你能先给我介绍下你对失重环境下碳纤维制造技术的研究,到哪一步了吗?”

    “好的。”

    碳纤维,指的是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维,性能极其优异。而之所以碳纤维性能这么优异,是因为其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向,因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。

    碳纤维内沿纤维轴方向生长的整个微晶结构相当于一个大分子,如果碳纤维中这种轴向微晶结构越长或越多,那碳纤维的性能就越强。

    只不过目前的碳纤维中,轴向微晶结构由于工艺限制,无法生长得很长,更重要的是微晶结构往往只能沿着一个固定纤维轴向生长,难以转向,这样就难以生成复杂几何结构的微晶结构,因此也难以制造复杂形状的碳纤维材料,尤其是小型材料。

    但在失重环境下这个问题就能够解决了,失重环境下,在成形过程中的碳元素及其他碳纤维所需元素不会在重力作用下沉积下来,那么就可以通过相应技术手段控制这些材料元素的运动,微晶结构在生长到一定程度后就能转向沿着其他纤维轴方向生长,于是就能形成复杂几何结构。

    南相容大致将,失重环境下制造这种换向结晶碳纤维的技术方案介绍一遍,最后说道,

    “目前这种制造方案在理论上是验证可行的,另外这套方案同样能用于制造超长定向轴碳纤维材料,当然,同样只是理论上。”

    叶蒙点点头,“那么看来目前,对在失重环境下制造碳纤维技术的研究,你是走在最前面的。”

    南相容闻言却无奈笑了笑,“说实话这是我博士研究课题,但由于只能做理论研究,无法用实验验证,我差点儿毕不了业。后来随侥幸毕业了,但工作后我却不得不改变研究方向。”

    “那现在你有兴趣再做这项研究吗?”

    南相容迟疑了一下,反问道,“可你刚才不是还说现在还造不了太空工厂吗?没有太空工厂做实验的话这项研究是没法进行的。”

    “那可未必。”

    嗯?

    南相容困惑道,“我不明白你的意思。”

    叶蒙解释道,“制造转向结晶结构碳纤维的关键在于失重而非太空,而我们在地球上也可以制造失重环境啊。”

    “你是指自由落体?”南相容问道,而不等叶蒙答话,她就立即反对道,“但这怎么可能?难道我们把工厂搬到飞机里吗?就连过去最大的客机安225也不可能实现这点吧。”

    过去人类模拟失重环境最常用的方式,一个是进入太空,另一个是用飞机以1g加速度自由往下飞,相当于自由落体。过去宇航员训练就用后一种方式。

    只不过飞机体积不大,另外每次下坠也就持续半分钟不到,载一些乘客上去做自由落体训练倒是可以,而想要将工厂搬进去的话,怎么看都是天方夜谭。

    而叶蒙只是笑着摇摇头,“我没说要用飞机来实现这点啊。别忘了我是做什么的,我们可以用飞艇、准确说是气囊来实现这点。”

    “气囊?”

    南相容邹起眉头,然后恍然道,

    “哦!你是要用气囊将工厂吊到高空,然后顺着缆深滑落下来,这样就能模拟自由落体了?”

    “聪明,”叶蒙点点头,“没错,这种结构类似高空蓄能站,只不过工厂会以远超蓄能站下滑的速度坠落下来。”

    南相容表情变得有些复杂,然后笑道,“都说叶董你的想象天马行空,今日一见果然不假。不过我还是有疑问,这种高空工厂做自由落体时间很短吧,还是说你们可以将工厂吊到很高的空中?”

    “也不算太高,两万米左右,另外可以往地下挖一万米深坑,总共三万米距离,再留两三公里减速,也就是能用两万八千米左右的距离做自由落体,这个时间是七十几秒钟。而接下来也是我今天要来请教的问题,如果实现了这种失重工厂,那么制造碳纤维时能不能造七十几秒钟就停下一会儿,等工厂爬到两万米高空再降下来,继续制造碳纤维,如此反反复复?”

    “这个——”南相容想了想,“以前还没考虑过这个问题,稍等一下。”

    然后她起身来到办公电脑前,找出以前的博士论文开始查看起来。不过这时却听叶蒙说道,

    “那个,你可能还需要考虑工厂下坠过程中会有点儿晃动,当然晃动程度我们尽量缩小到比高铁晃动还小的程度,另外工厂下坠到底部时会以接近10g的加速度减速,这个因素也得考虑进去。”

    南相容头也不回,点点头说道,“明白。”

    然后她就继续看起论文来,并且拿出草稿纸进行演算,看样子一时半会儿结束不了。

    一旁的叶蒙也不急,而且反倒是比较欣赏对方这种做事态度,而他自己以及巨构公司和体感时代中很多同事其实都是这样。

    不过他见南相容还是用这种传统方式做公式推演,就感到对方工作方式有点儿落伍了,因为现在已经有半自动公式推导程序,已经在巨构公司和体感时代内部广泛使用。

    当然他也没提醒对方这点,毕竟现在让对方换一种工具使用也不合适,而且他也不缺这点时间,于是就在旁边耐心等着。

    南相容大概推算了二十分钟左右,然后抬起头来,笑了笑,“不好意思,让你久等了。”

    “没事的,结果怎么样?”

    “目前的大致结论是,用这种坠落方式制造转向碳纤维在理论上是可行的,只不过由于制造过程不连续,加上有一定程度振动以及工厂真空度不如太空工厂,所以成品率会明显低于在太空工厂。”

    “低多少呢?”

    “还不确定,不过很可能会低一个量级。”

    叶蒙想了想,然后点头说道,“那看来还不算太低。”

    南相容不禁笑道,“一个量级还不算低吗?这在工业上完全是两个层次了。”

    叶蒙摇摇头,“单看成品率没意义,要看单位成本对应的产量,也就是生产效率,而目前坠落工厂的生产效率是明显高于太空工厂的。”

    “为什么啊?”南相容说道,“这种坠落工厂结构应该明显比太空工厂复杂得多,毕竟它需要刻意保持坠落加速度、晃动幅度,还需要能以极高加速度减速,这样造价和运营成本也很高吧?”

    “没错,”叶蒙点点头,“但坠落工厂的成本应该还是明显不如太空工厂,毕竟只有巨型化的太空工厂才有商业价值。”

    南相容面色一变,“你怎么知道这点的?”

    南相容知道太空工厂需要巨型化才有商业意义,而她研究的只是实验室级别的太空工厂,因此巨型化这点她没在论文中提到。

    叶蒙笑了笑,“看来你已经知道这点了,不过我还是说下原因吧,你看我说的对不对。原因分两点。”

    第一点是目前太空工厂的能源,尤其是制造碳纤维所需的高温能源,还不能由太阳能电池板提供,因为太阳能电池板电压太低,要提供这种高温工艺环境需要非常复杂庞大的变压装置,这样还不如每次从地球上运送燃料过来。

    而商用的太空工厂要保持足够产能的话,太空工厂上就需要有足够的空间放置这些燃料,这就会增大太空工厂的体积。

    第二点是散热,而且这才是主要原因。

    太空中没有介质,航天器只能靠效率最低的热辐射来散热,这样就需要设置相当大的散热板才行。而且由于太空工厂内有持续提供超过一千度高温的工作车间,这种发热功率远大于人类过去制造的任何航天器,因此所需布置的散热板和散热板与航天器总体积比都会明显更大。这就会让太空工厂体积增大一大截。

    而靠热辐射散热的散热板的散热功率极其有限,布置大量散热板只是保证太空工厂整体温度别高到将工厂烧毁的程度,而若要保证工厂高温车间的局部温度也不高到将车间烧毁的地步,那工厂里就需要布置大量冷却水,这又需要相当大的存储空间。

    并且在工厂进行生产时,有很大一部分冷却水要分布在散热板里。这样才能让一部分冷却水先吸收制造车间的热量,然后流到散热板尽快散热,接下来再流入制造车间吸热。这又会将散热板体积增大一大截。

    而为了保证太空工厂具有足够的产能,就需要在工厂里设置足够多或者足够大的生产车间,这样又会让散热板和冷却水的存储空间成倍增加,那么太空工厂巨型化就不可避免。

    但巨型化的太空工厂,一是连理论制造方案都没有,二是制造成本在目前也是天价。

    “此外,由于太空工厂所需原材料都来自地面,哪怕维度革命爆发后各种产品制造成本,包括火箭以及太空工厂所需原材料的制造成本都会大幅下降,但毕竟作为维度革命关键推进因素的飞艇无法在太空中工作,所以太空工厂的运输成本比起位于大气层中的坠落工厂的运输成本仍会高很多,而且我估计会高出不止一个量级,因此哪怕坠落工厂成品率比太空工厂低一个量级,总体生产效率也是更高的。”

    南相容点点头,“分析得没错,看来叶董对航天这块也很懂嘛。”

    叶蒙笑着摇摇头,“我不太懂航天,只是刚才的分析过程不需要很专业的知识,只要愿意去想的话也不难得出这个结论。”

    其实目前坠落工厂生产效率更高是记忆碎片给他的信息,但他也不能直接这么说,所以就专门找了些原因。

    “叶董谦虚了。你刚才虽然没说到多少航天专业知识,但对关键点的分析都是对的,这才是最重要的。”

    叶蒙笑了笑,没继续客套,而是问道,“那么,南相老师,你现在有兴趣与我们合作研发这种制造碳纤维的坠落工厂呢?”

    “当然可以,”南相容点点头,然后说道,“不过,对坠落工厂除了碳纤维生产车间以外部分的实现方案,我想了解得更具体一点儿,你看可以么?”

    “没问题。”

    叶蒙知道对方是想了解一下坠落工厂的可行性,而自己不多介绍一点儿的话也没法证明这点,而且自己这部分方案他其实也有问题要向对方请教。

    “首先用足够多的高空气囊,分布式连在轨道各处,就能将工厂轨道吊起来,这点对于我们来说可能是目前最容易的。坠落工厂本身大致形状是直径十米、高度几十米的柱状体工厂。你看这么大的空间足够容纳一个碳纤维制造工厂么?”

    南相容想了一会儿,然后点头说道,“应该是可以的,毕竟工厂上不需要配置大量燃料与散热装置,只是这样的工厂产量就比较小了。”

    “没关系,我们可以大量制造这种坠落工厂。虽然它的单次建设成本高,但运营成本相对来说就低了很多,总体成本在未来应该是可以承受的。”

    叶蒙接着介绍坠落工厂实现方案,

    “生产车间坠落的加速度主要由重力提供,其控制装置再提供一点额外加速度,保证下落加速度总体稳定在1g左右就行。而控制装置主要职能是保证车间振动程度尽量小,这个我们是想用磁悬浮技术来实现,但估计早期坠落工厂的控制装置是用轮式机构来实现。这样振动程度会大一些,但是可以通过在车间内设置减震装置来减小振动。而减震装置也要占用空间,所以我们可能会增大车间直径或增长车间高度来保证车间内部容积。”

    “最难的部分其实是减速装置,毕竟要以10g加速度减速,当然难点主要不在于如何减速,而是如何保证减速过程中晃动程度别太大。这点我们说实话,用航母上那种电磁阻拦技术来实现是最好的,但目前我们还不具备这种技术,所以最可能的方案是采用机械制动,当然这样振动就会更剧烈,成品率可能会更低。”

    而这时南相容说道,

    “没关系。可调整碳纤维姿态,让纤维轴生长方向垂直朝上,在减速之前再让碳纤维倒过来,让生长方向朝下,未结合元素就不会粘到非纤维轴方向上去了。”

    “倒过来?这样不会让已结合元素脱落么?那可是10g加速度啊!”叶蒙诧异道。

    南相容忍不住笑道,

    “10g加速度对于宏观物质的确很强,但对于微观物质真的不算什么,单个碳纤维微晶理论上可以承受超过十万g的加速度,即便在车间减速过程中碳纤维微晶仍处于高温环境中,但承受几千个g也是没问题的,所以不用担心这10g的加速度。”

    “那就好,”

    叶蒙点点头,

    “剩下的就是着工厂轨道上的电路/原材料运输管道/冷却水输送管道设计,以及工厂车间与之对接结构设计,但难度都不如前面几个装置。总之,坠落工厂除车间内部部分,其余部分在理论上也是可行的,而其中最难的技术部分应该还是车间内部生产单元的设计,而这部分就需要你来完成了。”

    “嗯,这应该也是可以实现的。”

    南相容点点头,然后又说道,

    “另外我还有个问题,其实一开始就想问了,叶董你要不定轴碳纤维是用来干什么的呢?”