这些问题太基础,也太难了。
在那个连扫描电子显微镜都稀有的年代,观察材料原子层面的变化几乎是不可能的。
“温组长,这有点……超出我们能力范围了吧?”
老王委婉地说。
“原子层面的事情,那是材料科学的基础研究。咱们搞工程应用的,用宏观规律就够了。”
“不够。”温卿依然看着那块样品。
“非平衡效应的根源在微观。电子、离子、原子的激发、跃迁、碰撞、复合……这些微观过程决定了宏观现象。
如果我们不理解微观机理,宏观模型就永远有无法消除的误差。”
她放下样品,做了个决定:
“今晚我留下来,再做一次烧蚀模拟。不过这次,我要换个方法。”
晚上十点,实验室里只剩下温卿一人。
她没有打开计算机,而是坐到了材料分析台前。
台上有一台老式的金相显微镜,最大放大倍数只有500倍,远远看不到原子层面。
但这不重要。
温卿要用的不是显微镜,而是自己的精神力。
她取出一小块新的碳-碳复合材料样品,只有指甲盖大小。
然后打开小型电阻加热炉,将样品固定在加热台上。
加热炉很简单:
一个耐高温的陶瓷底座,一根通电后能加热到2000c的钨丝线圈。
温度可以精确控制,最高能达到2500c——虽然不如电弧风洞,但足以引发材料的烧蚀反应。
然后,她闭上眼睛,调整呼吸,将全部注意力集中在样品上。
这是她精神力提升后新的发现——当精神力高度集中时,她能“感知”到材料的微观状态。
不是真的“看到”原子,而是一种模糊的“内视”感,能察觉到材料的密度变化、应力分布、温度梯度。
但她很少使用这种能力。
一来精神力消耗太大,每次使用后都会极度疲惫;
二来这个能力过于玄妙,难以用科学语言解释,她不想引起不必要的注意。
今晚,她决定冒险一试。
炉温逐渐升高。
温卿睁开眼睛,瞳孔深处闪过一丝常人难以察觉的微光。
她的精神力像无数细小的触须,延伸向那块小小的样品。
最初是模糊的感觉:材料在变热,内部产生热应力,不同组分的膨胀系数不同导致微裂纹……
温卿“看到”了——不是光学意义上的看到,而是意识中的影像——碳纤维和树脂基体的界面开始松动。
碳纤维本身耐高温,但界面的粘合剂开始分解、挥发。
树脂基体开始发生复杂的热解反应。
长链分子断裂,生成小分子气体:甲烷、乙烯、氢气……这些气体从材料内部逸出,在表面形成一层气膜。
气膜有一定隔热作用,但也改变了表面形貌。
温卿的精神力穿透表面气膜,深入到材料最表层几微米的区域。
她感知到了惊人的细节:
碳纤维表面并非均匀烧蚀。
在某些晶格缺陷处,碳原子更容易被氧化剥离;
在某些晶面,碳原子的结合能更高,更耐烧蚀。
更关键的是,烧蚀产物的气体成分和状态——不全是二氧化碳和水蒸气,还有一氧化碳、碳氢化合物、甚至微量的碳簇分子(c2、c3……)。
这些不同成分的气体,有不同的热物理性质和化学反应性。
温卿脑海中灵光一闪:这就是关键!
传统模型假设烧蚀产物是均匀的、化学平衡的气体混合物。
但实际上,在材料表面附近极薄的区域内。
可能只有几十气体处于高度非平衡态——刚生成的产物气体还没有充分混合、反应,就离开了表面。
这个“近壁区”的非平衡态,会显着影响热传递!
温卿立即将这个发现记录下来。
她的手在微微发抖,不是因为紧张,而是精神力消耗过大的反应。
但她没有停止。
感知更深入了。
现在,她“看到”了电子层面的现象:
高温激发出的自由电子,在材料表面聚集,形成局部电场;
碳原子在剥离时,有时会带走电子,形成带电粒子;
这些带电粒子与气流中的离子相互作用……
温卿突然理解了“热流突变”的可能机理:
当表面温度达到某个临界值时,电子激发变得剧烈,表面带电状态突变,
这会改变等离子体鞘套的电磁特性,进而影响能量传递。
这个过程是强非线性的——微小的温度变化可能引发电子密度的指数级增长,从而导致热流的突然跃升。
凌晨三点,温卿结束了这次特殊的“观察”。
她脸色苍白,太阳穴突突直跳,像有针在刺。
这是精神力透支的典型症状。
但她顾不上休息,立即打开笔记本,开始推导新的模型。
基于观察到的现象,她对非平衡态模型做了几处关键修改:
第一,引入“近壁非平衡区”概念。
在材料表面附近定义一个薄层,在这个层内,烧蚀产物气体处于化学和热力学非平衡状态。
用一组简化动力学方程描述气体的混合和反应过程。
第二,增加表面带电状态的影响。
表面电子密度作为新的状态变量,与温度、压力、气体成分耦合。
电子密度影响表面附近的电磁场,进而影响等离子体鞘套的能量传递。
第三,考虑微观结构的影响。
不同材料、不同工艺制备的样品,微观结构不同,这些会通过影响气体逸出路径和表面反应活性,最终影响宏观烧蚀行为。
推导过程异常艰难。
许多参数没有现成数据,温卿只能基于物理原理做合理估算。
但即使这样,新模型的复杂度也大幅增加。
早晨六点,第一版新模型完成。
温卿强忍头痛,在“曙光-2”上运行了一个快速验证计算。
测试用例是之前误差最大的那个工况——马赫数18,高度30公里。
小张瞪大眼睛:“你又优化模型了?怎么做到的?”
温卿没有解释细节,只说:“我重新思考了烧蚀的微观机理,增加了一些物理细节。你帮我做系统性的验证计算,覆盖所有实验工况。”