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【極光片語】為火箭升空鋪路——If you cannot fight it, join it

 

李世光老師。攝影/林梳雲

李世光老師。攝影/林梳雲

任教於臺大應力所的李世光老師,不止在專業領域上受人景仰,他的幽默風趣也在江湖上廣為流傳,據悉李老師辦公室裡有著千奇百怪的小玩意兒,每一項小玩意兒的背後都有精彩故事。泛科學特別來臺大應力所直擊現場,聽李老師跟大家分享他珍藏的科學故事。那天的陽光讓臺大校園充滿活力,我們提早到辦公室等候李老師,還沒見到人影,就聽到走廊上傳來他爽朗的笑聲,李老師走進門,熱情的招呼我們這群小粉絲後,從辦公桌後方的展示架上拿出兩顆石頭說:「這兩顆石頭有很多故事可講呢!」

獲選為超級世光大道第一集主角的這兩顆卵石,只有半個拳頭大,一顆純白,一顆血紅,表面有點粗糙,看起不過是平凡的石頭,其實來自佛羅里達甘迺迪太空中心的履帶車道,它們有什麼樣的魔力,能讓李老師二十多年來仍愛不釋手、津津樂道?

鋪在甘迺迪太空中心履帶車道上的卵石。攝影/林梳雲

鋪在甘迺迪太空中心履帶車道上的卵石。攝影/林梳雲

故事要從很多年前說起,當時李老師在朋友的邀請下,去佛羅里達州的甘迺迪太空中心參加了特別參訪團,到一般遊客不能進入的棚廠,近距離欣賞承載全人類太空夢的太空梭,了解太空梭的製作和維修等過程。結束了棚廠的參訪,李老師被帶到戶外前往參觀履帶車道,當時他心想:「我大老遠跑來太空中心參加特別參訪團,在佛羅里達的豔陽下,竟然要我們去看一條石頭路?究竟有什麼特別的?」聽過履帶車道的介紹後,李老師心中的疑惑由此解開,也才知道這一條看似簡單的石頭路,其實是項偉大工程。

太空中心每一次的任務,都是經過龐大團隊最嚴謹、最縝密規劃產生的心血結晶,當太空梭通過最後一道檢查,工程師終於豎起大拇指轉身向大家露出微笑,太空梭就會離開棚廠,乘坐專車——履帶運輸車——前往遠處的發射台,準備飛向宇宙,浩瀚無垠!承載太空梭的履帶運輸車無疑是條硬漢,這重達270噸、有一個籃球場大的巨無霸機械馱獸,以時速1.6公里的速度,穩重地乘著農神五號火箭(Saturn V)、太空梭、發射臍塔(launcher-umbilical tower)和移動式發射台,走完阿波羅計劃的最後一段路,前往5.5公里外的發射平台。

承載太空船前往發射台的履帶車。照片來源:NASA

承載太空船前往發射台的履帶車。照片來源:NASA

要平穩地走完這段5.5公里長的路還真是不容易。雖然履帶運輸車有非常精密的水平校儀可以維持平衡,但若地面不平,履帶車開過地上的凸起或窟窿,經過這麼一震、車身一歪、太空梭一倒,這損失可是不堪設想,所以太空中心必須重視履帶車道的路平專案。既然路平這麼重要,為什麼他們要在地上鋪石頭呢?難道太空中心沒有錢鋪柏油嗎?

讓我們從材料說起。製作車子的履帶不能用一般輪胎用的橡膠,因為橡膠無法負荷車子本身以及太空梭的重量。選擇履帶材料時,我們可以從載重量跟履帶面積計算出履帶會承受的壓力,再去找可以承受這個強度的材料,於是工程師選擇鋼來製作履帶,完成後必須配合履帶為車子製作適合的道路。要讓這個重量級馱獸在上面行走,路面肯定也要很耐操對吧?那我們可以鋪鋼在地板上嗎?李老師說:「不行噢!如果地面也用強度大的鋼作為材料,那履帶跟地面都很容易磨損,還可能會黏在一起。兩個互相接觸的材料是不能隨便選擇的。這中間牽扯到的是材料間的摩潤學(Tribology)。」

舉例來說,修過車的人都知道,鋼鐵的火星塞裝進鋁製的引擎時,要先用手輕輕的旋,之後才能用板手,因為火星塞比較硬,鋁比較軟,若直接用板手轉,會不自覺地為引擎口開新的火星塞螺牙。選擇長期磨潤的兩個材料,必須考慮到強度,同時還要避免兩者在摩擦時的高溫高壓下互相融合。考慮鋼鐵、柏油、混凝土等常見的地面材料,我們可以用這些簡單的原理來判斷哪個比較適合。

若使用鋼作為車道的材料,在履帶車行走的過程中,可能會產生高壓、高溫導致車道跟履帶互相融合,車子跟地板黏在一起的話,要怎麼將它們分離呢?車子在柏油路上行走,剎車擠壓的過程中會造成路面的褶皺(corrugation),履帶車在路面上移動時,若重心稍微偏移,壓力集中在某個地方,那裡的地面就會塌陷,太空梭可能因此傾斜,甚至倒塌,後果不堪設想。而混凝土的拉力強度只有壓力的十分之一,雖然能抗壓,卻不能夠抵抗張力,也就是不耐拉,所以當履帶車走在上面,混凝土鋪成的地面會裂開,也不適合作為車道的材料。

在5.5公里長的履帶車道上,履帶式運輸裝置正在運輸移動式發射台,前往畫面左前方的39A發射台。來源:NASA.

在5.5公里長的履帶車道上,履帶式運輸裝置正在運輸移動式發射台,前往畫面左前方的39A發射台。來源:NASA.

淘汰了三組候選材料,哪裡還有強度夠又不會磨耗履帶的材料呢?工程師心想:「既然我們的材料都無法維持車道的完整,不如做一條受壓時會均勻破碎,又能隨時推平的路吧……石頭或許是好選擇!」我們想像的石頭路可能很顛簸,但相較於車子的履帶,由一顆顆卵石鋪成的地面其實是平坦的,工程師希望履帶車的壓力能均勻分佈在石道上,磨潤到某個程度或壓力改變時,石頭也能像安全玻璃一樣均勻地粉碎。

決定了材料的方向後,工程師的下一個目標就是尋找這種有均勻破碎性質的石頭。他們在美國境內到處搜集卵石,帶回來一一做實驗,最後終於選出一種符合磨耗均勻,且受壓時破壞均勻等條件的完美石頭,可以運來太空中心,鋪成兩公尺深的履帶車道。這些身負重大使命的石頭來自阿拉巴馬的「某條河」,不過究竟是哪條河呢?李老師嘿嘿的笑:「我也不知道,這是國家機密!」

從堅硬的鋼鐵到碎裂的卵石,工程師在履帶車道的選材之路上最大的轉折,就是從尋找「強」的材料,改選會破碎的石頭,「如同『If you cannot fight it, join it』這句話,如果地面不能抵抗履帶車的壓力,那就讓它粉碎吧。」李老師說。

李世光老師在解釋材料的磨潤。攝影:林梳雲

李世光老師在解釋材料的磨潤。攝影:林梳雲

除了尋找履帶車道材料,「If you cannot fight it, join it」這個想法也曾啟發其他工程師嗎?李老師說:「其實這句話在工程上有很多例子,例如龍江路上的華航大樓。華航大樓是三十年前土木領域中很重要的建築,我們念土木的都會去參觀。」過去蓋大樓的概念是,越高的樓要打越深的基礎,但經過日本東京大地震,工程師發現基礎深的結構在地震時比較容易倒塌,改而發展「筏式建築」的概念,把建築物看成浮在土上的船,以大面積的鋼筋混凝土作為基礎,抗震力會比較高。華航大樓就是筏式建築的代表。

除了高聳的大樓,華航大樓旁邊有一大片停車場,那也是建築物的一部份,所以整個華航大樓是由一高一低的大樓和停車場組成。樓體很重,停車場很輕,若以筏式建築的概念來看,就像一艘左重右輕的船,若兩者之間連接處的結構是硬的,兩邊受到不一樣的力,就會像在折筷子一樣,導致高樓和停車場之間的結構斷掉。

該怎麼解決這個問題呢?這時土木工程師的耳邊響起了謎之聲:「If you cannot fight it, join it !」若建築之間連接的鋼條不夠強,無法承受兩端重力差造成的力,不如讓連接處變成「軟」的,彎矩(Moment)不能傳遞,就不會斷掉啦。想像一根又長又硬的打狗棒在激烈的打鬥中應聲斷裂,若能將長棍分作兩段做成靈活的雙截棍,就不會像棍棒那麼容易斷掉了。同樣的道理,工程師讓華航大樓這樣的建築物從一艘載重不均勻的大船分成兩段,變成一條大船拖著小船,兩者連接在一起又各自平衡,就解決了結構斷裂的問題。雖然這樣一來大樓跟停車場在土壤上的沈降可能不一樣,但比起應力太大導致材料降服(變形),這只是個小case。

位於臺北龍江路上的華航大樓是筏式基礎的建築,大樓與旁邊的停車場有相連的基礎。照片來源:Google Maps

位於臺北龍江路上的華航大樓是筏式基礎的建築,大樓與旁邊的停車場有相連的基礎。照片來源:Google Maps

回憶起那時去佛羅里達拜訪甘迺迪太空中心,繞過排隊人潮,直接由專車接送去參觀太空梭,之後卻在大熱天下被帶去看條石子路,李老師原本以為無趣的石道漫步行程,卻因為這一串精彩的研發故事,成為最難忘的回憶,朋友親自從履帶車道上撿起送給李老師的普通石子,也因為這特別的意義成為最珍貴的禮物。

履帶車道跟華航大樓的故事告訴我們,工程師跳脫原本的思維,為問題找到解答,而除了「if you cannot fight it, join it」這種思路,工程上還有很多種意想不到的重大突破,還記得前文提到柏油路的corrugation嗎?這個在鄉間小路、紅綠燈前馬路上常見的地面褶皺,不僅是柏油無法用來做履帶車道的原因,竟然還是磁碟機進展的重要關鍵!預知詳情,請待下回分曉~

【極光片語】專欄收錄李世光老師的訪談,每一段小故事、小物件的背後,都有饒富趣味的科學道理。吉光片羽比喻殘存的珍貴文物,象徵李世光老師在科學研發的高昂志氣和人生智慧;傳說見到極光會帶給人一輩子的好運,期待讀者在本專欄得到的啟發,都能像看見極光般感動。

關於作者

雷漢欣

PanSci的菜菜實習編輯,來自溫馨的動科系,心情好的時候喜歡說「你知道嗎!?」小故事,即使常得到「誰不知道阿.......」的冷眼回應,也不改其志。