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第六種元素:鈦 —《改變世界的七種元素》

2014/07/09 | | 標籤:

1950 年 10 月,《大眾科學》雜誌特別介紹了「在擔當飛機、火箭和盔甲的結構材料上,挑戰鋁和鐵」的「新競爭者」。強韌、質輕又抗腐蝕,鈦扮演未來的神奇金屬。

英國牧師,同時也是礦冶專家兼化學家葛瑞格(William Gregor)於 1791 年在康瓦耳的馬納坎(Manaccan)村一條河中分離出一些「黑沙」時,發現了鈦。今天我們知道那是鈦鐵礦,主要成分是鐵鈦氧化物,他從這種礦物中提煉出混合物,其中含有一種新元素的氧化物,他把它命名為馬納坎礦。四年後,德國化學家克列普洛(Martin Klaproth)由鈦的另一種重要礦物,金紅石中分離出二氧化鈦。他把新元素取名為鈦(titanium),這個名字來自希臘神話中的泰坦(Titan)巨神族,這些神遭父親優拉納斯(Uranus)囚禁在地球內部。克列普洛也發現了鈾(uranium);在那個時代,這兩種元素的性質都未完全瞭解,所以他選用了抽象的名字。然而,純屬巧合,最後證實克列普洛的命名相當恰當:和泰坦族受困在地球內部的情況一樣,鈦在礦物中的鍵結很強,非常難提煉。

直到 1910 年,冶金專家杭特(Matthew Albert Hunter)在紐約州的壬色列理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute )進行研究時,才製出純的金屬鈦樣本。進行這項研究時,他發現了鈦的特殊物理性質。而自從首次發現鈾以來,經過了一百五十年,直到1940 年代,才發明出把鈦由礦物中提煉出來的商業製法。當冷戰初期緊張局勢逐漸升高,美俄雙方都渴望能建立先進的科技,使自己在海面、空中及外太空都占有優勢。鈦看起來似乎就是能達到這個目標的神奇新金屬。第一次及第二次世界大戰是用鐵和碳作戰;冷戰將是用鈦和鈾作戰。

鈦使冷戰時期的工程發揮到極致,例如洛克希德公司的超音速間諜機黑鳥。黑鳥的飛行速率是音速的三倍,超越任何蘇聯的先進飛彈科技,可以在數小時之內,把重要的軍事情報帶回美國本土。黑鳥是工程界令人讚歎的傑作,而且至今仍是世界上最快的吸氣式載人噴射機。

黑鳥的重量結構中,鈦佔了百分之九十 [Public domain]

超音速黑鳥

「我們將飛在(2 萬 7 千公尺的)高空上,並把速率提高到 3馬赫⋯⋯我們飛得愈高愈快,別人要追蹤我們的位置就愈困難,更不用說想阻止我們了。」洛克希德航太公司研發中心副總裁詹森(Kelly Johnson)對一群工程師解釋道。

1950 年代在冷戰的高峰期,美國渴望知道蘇聯的軍事實力。衛星技術有嚴重的限制:軌道固定,太容易預測,路徑不可能不被發現,何況由外太空拍攝到的畫面通常都很模糊。

詹森相信他的間諜機是能蒐集足夠軍事情報,還能確保機上飛行員安全的唯一方法。冷戰時期第一批間諜機是由第二次世界大戰的轟炸機改裝而成的,這些飛機速率緩慢,又在低空飛行,很容易受到蘇聯的攻擊。1950 年代末期,洛克希德最先進的間諜機 U-2,可以在 21 公里的高度飛行,速率最快可達時速 8 百公里,但是蘇聯砸下重金,研發可以攻擊 U-2 的先進反間諜機武器。美國顧慮到 U-2 易遭蘇聯反間諜機科技的攻擊,所以想發展一種可以飛得更高、更快的新型間諜機。事實上也確實如此,1960 年正當洛克希德開始研發黑鳥時,一架 U-2 被擊落,飛行員鮑爾斯(Gary Powers)遭 KGB 逮捕。

黑鳥的飛行速率是 U-2 的四倍,飛行高度高了 6 公里,實現了美國的雄心壯志。設計這架飛機時的野心可不小:美國空軍希望打造一架飛機,不必再躲避蘇聯的飛彈,而是快到讓任何飛彈都無法鎖定。以前就有飛機飛過 3 馬赫以上的速率,但那是利用後燃器造成的短程爆發。黑鳥將以這種速率做正常飛行,全程都要使用後燃器。但是要成功打造如此複雜的工程傑作,洛克希德的工程師必須先學會如何駕馭鈦。

1959 年,詹森的 3 馬赫飛機研究工作開始在洛克希德的設計工程單位「臭鼬工廠」進行,「臭鼬工廠」的暱稱,是因為附近有一家塑膠工廠會發出難以忍受的惡臭而來。工程師很快就體認到,鋼實在太重了;而鈦是質輕金屬中,唯一能承受 3 馬赫飛行造成的高溫的。

27 公里的高空,空氣接近真空,非常稀薄。溫度是會凍死人的攝氏零下 55 度。即使如此,因為黑鳥飛得比步槍子彈還快,機鼻會因與空氣摩擦而使溫度上升到攝氏 400 度以上。靠近後燃器的地方溫度更超過 560 度。要不是漆成黑色,溫度還會更高,也因為漆成黑色,因而有了黑鳥之名。溫度變化這麼大,造成飛機在飛行時會膨脹數英寸。機身與燃料箱只有在高速飛行時才能緊密結合,一旦降落,燃油就會由縫隙漏出,滴在跑道上。

黑鳥的結構重量中,鈦超過百分之九十。這個計畫啟動之時,沒有人曾經這樣大規模,或在如此極端的條件下使用過鈦。只有美國境內的小公司「鈦金屬公司」處理過鈦,而且這家公司製造的鈦,品質不太穩定。不但如此,他們還找不到足夠的鈦來打造飛機。中情局找遍全球,最後由蘇聯的一家出口商那裡取得貨源,對方並不知道他們正協助打造要用來對付蘇聯的間諜機。

在設計、測試與打造黑鳥間諜機期間,共製造了 1 千 3 百萬個鈦零件。工程師在過程中遭遇許多困難。一點點雜質就會讓鈦變脆,一開始時,某些零件由腰部的高度掉下來,就會砸得粉碎。用鋼筆畫的線會很快把鈦薄片侵蝕出一條縫;鍍鎘的板手會造成螺栓脫落;最奇怪的是,夏天製造的點焊板會碎裂,但冬天製造的不會。後來終於找出汙染源是氯,原來臭鼬工廠在夏天為了防止產生藻類,在水塔裡添加了氯。

這些問題後來都找到了解決方案,但費用很高。工程師必須在極度潔淨的環境裡工作,每一個零件都要泡在酸中,然後在氮氣中焊接。這架飛機的造價快速增加到幾億美元。

但是它還是建造完成了,而且在 1964 年 12 月 22 日舉行處女航,為了娛樂詹森,它以超音速飛行低空掠過空軍基地的跑道。洛克希德成功造出人類歷史上最不可思議的飛機。至今這仍然是最佳典範,顯示人類智慧與地球元素的特殊性質相結合時,會產生什麼火花。

黑鳥不只是工程奇蹟,也是功能強大的戰爭工具。越戰期間它首次執行任務時,很快就展現了價值。位於南越溪生的美軍基地遭北越軍隊包圍,但是美軍找不到敵人補給兵員與彈藥的卡車停車場。1968 年 3 月 21 日,黑鳥執行偵察任務時,飛過南北越之間的非軍事區。它拍回的照片不只揭露了可疑的卡車停車場,還有包圍溪生的重型火砲布置圖。幾天後,美軍對這些目標發動了空中攻擊,而且在兩個星期之內就解除了包圍。

黑鳥在越南證明了它的價值之後,在 1973 年 10 月又再次派上用場,當時埃及軍隊渡過蘇伊士運河,發動贖罪日戰爭。阿拉伯聯軍的閃電攻擊令以色列猝不及防,而美國在這場衝突中支持以色列,擔心如果情報不足,以色列可能會失去更多領土。蘇聯則支持阿拉伯聯軍,已經調動宇宙衛星提供以色列軍隊的位置給阿拉伯聯軍;尼克森總統下令黑鳥也對以色列提供類似的支援。

黑鳥自紐約飛到阿拉伯與以色列邊界,距離有 9 千公里,它破紀錄在 5 小時內抵達,且在禁區上空飛行 25 分鐘就足夠它拍照了。第二天早上,顯示阿拉伯軍隊位置的照片已經放在以色列參謀總長的桌上。

有了鈦,美國在冷戰時期掌控了整個天空。在太空中,美國也一樣占盡優勢,阿波羅及水星太空計畫中都廣泛使用鈦。但是在鐵幕的另一邊,蘇聯也利用神奇的鈦金屬稱霸海洋,他們建造了一種新型的潛水艇,體積較小、速率較快,而且可以潛到較深的海底。

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1983 年,蘇聯又再次使用鈦,這次要打造世界上潛水最深的潛艇。長度 122 公尺的共青團員號(Komsomolets),船身內層用鈦打造。[Public domain]

打造蘇聯潛艇

「這一定是先進設計:新的材料、新型的發電機,還有新的武器系統 —這一定是最高級的。」斯維亞托夫(Georgi Sviatov)在擔任 K-162 潛艇的蘇聯海軍初級工程師時這麼說。當時蘇聯想製造一艘潛艇,要能快速通過危險水域去攻擊敵人,而且中途不會被偵測到。

工程師想使用鋼和鋁,但是鈦的優點很明顯。在打造潛艇船身時,金屬的強度對重量比值是首要考量,船身一定要輕,潛艇才能自然浮出水面,但是同時也要能承受極大的水壓。鈦的優異比值能使蘇聯潛艇下沉到創紀錄的深度。不但如此,鈦又能抗腐蝕,它的表面會形成二氧化鈦薄層,在嚴苛的海洋環境中保護船身。而且,鈦和鐵不同,鈦不是磁性物質,潛艇較不會被偵測到,也不會引爆磁性水雷。

美國完成鈦製黑鳥時,蘇聯正在為高科技船身努力。第一艘鈦船身潛艇 K-162 太貴了,大多數人都認為,就算用黃金打造也不用這麼貴;於是,這艘潛艇就被戲稱為「金魚」。

1983 年,蘇聯又再次使用鈦,這次要打造世界上潛水最深的潛艇。長度 122 公尺的共青團員號(Komsomolets),船身內層用鈦打造,可在 1 公里的深度運作。1989 年 4 月,共青團員號沉沒於挪威海,起因是有一條高壓空氣管線起火燃燒,引發大火。火焰快速經由富含氧氣的空氣蔓延開來。因為火燒、水淹,加上窒息,60 名水兵中有 42 名死亡。破裂的鈦製船身、兩座反應爐,以及至少兩枚核彈頭,至今仍沉在海面下 1.6 公里處,封在混凝土製成的石棺內,以防止裡面有毒的鈽外漏。

美國軍事情報團在 1960 年代末開始蒐集蘇聯鈦船身潛艇的證據。衛星照片拍到,在列寧格勒(聖彼得堡)蘇多梅海軍上將造船廠(Sudomekh Admiralty Shipyard)中有一種特殊金屬,這金屬對光的反射性太好,不可能是鋼,而且它也不腐蝕。在 1969 年冬天,美國海軍助理武官葛林(William Green)中校在訪問列寧格勒時,撿到一片碎片,這是由駛離蘇多梅船廠的卡車上掉下來的。結果發現那是鈦。這件事到了 1970 年代中期才獲得證實,當時情報團的軍官在檢查蘇聯送往美國的廢五金中,發現有一片鈦上面刻了 705 的數字。情報團已知這是一直在注意的蘇聯潛艇計畫的序號。長期以來,美國都不相信蒐集到的情報。要打造船身像蘇聯潛艇這麼龐大的尺寸,鈦看起來實在太貴,也太困難了。

冷戰結束後,具有極度深潛能力的鈦船身潛艇,以及 3 馬赫的鈦機身飛機,都不需要了。在 1990 年代初,隨蘇聯瓦解,鐵幕兩邊都可以刪減軍事費用了;美國總統老布希及英國首相柴契爾夫人稱之為「和平紅利」。最後一艘 705 型潛艦已退役,而黑鳥的經費也已經刪除,整個研發過程結束,黑鳥成為史上唯一未遭敵人砲火擊落,也未損失任何乘員的軍機。

本文摘自《改變世界的七種元素》,由天下文化出版

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