陀螺仪漫游案

向数千英里外的目标发射导弹肯定都是需要制导的。1908年，Ansch tz-Kaempfe首创所谓惯性制导，随后Sperry、Schuler和Draper进一步发展了惯性制导。此类制导系统的基础是加速仪和陀螺仪，前者测量速度的变化，后者对姿态进行监测。根据牛顿运动定律，这两种仪器产生的信息则转换成位置与速度量。将导弹定位到预定目标需要对弹道变化进行设计，因而需要有关位置和速度方面的数据。 　　涉及精确定位问题时，陀螺仪与加速仪彼此相互修正，构成所谓“稳定性组件”。本例中的稳定组件是轻型镁合金铸件，铸件外观形同金属网格球顶，大小与篮球相仿。陀螺仪和加速仪均与组件中各种孔道捆绑在一起。 　　本例中的制导系统用于水下发射远程核弹头导弹。若干年前，在美国开发下一代的导弹时，将旧有导弹退役后，给了某北大西洋公约组织合作伙伴。当这些远程核弹头导弹安装就位开始转运时，有人却发现这些稳定组件并不稳定，导弹上的稳定组件发生了变形。灾难随即可能出现！ 　　当时冷战处于正酣的时期，我经手了本案。每当说起这段故事的时候，我总是喜欢开玩笑，把这种不稳定性造成的后果描绘成一枚攻击平斯克的导弹却鬼使神差地降临到巴黎。随着地缘政治的变迁，现在这两种结果到底哪一种与美国的利益最为抵触已经变得不如以前那样清楚了。 疑点仍在缓慢地显现 　　铸造合金含有百分之九的铝，这百分之九的铝被认为已经沉淀固化成微粒，作用是增加强度。合金是在200℃左右进行时效处理的，其目的在于加速晶格中原子的扩散。 　　通常，温度越高，可溶性越小，例如水中的食盐。所以时效温度下并非所有的铝都能从固体溶液中分离。在导弹发射阱的温度（大约比室温高40℃）情况下，最初人们认为发生的是缓慢的持续性沉淀。沉淀物质与基础物质相比，其含量是有区别的，所以沉淀可能导致变形。 　　参与制导系统的一位人士了解到本人当时正在从事的有关合金辐射效应的研究，我的研究表明辐射可能会终止原子构成化学键时的不稳定性。之后，本人随即作为顾问受聘，参与调查。 　　持续性沉淀这种现象实际上与变形并不是一致的，如果组件稳定服役，达到数年之久，那么就不会再触发变形。持续性沉淀一开始就会存在，然后随着时间的推移逐渐减缓。本人咨询了麻省理工学院校内校外专业人士，希望能够得到导致不稳定性的原因，但是结果微乎甚微。 罪魁祸首——高温 　　最后，我的客户和我做了高温时效实验，抽查了新旧两种稳定性组件。为了更好地模拟潮湿的潜艇环境，我们在湿润的空气中进行一系列的实验，但是却没有得到任何变形。经过分析，我们意识到室温环境下（如前所述），水饱和空气在测试温度较高时就变得不饱和了。 　　随后的试验中，在多种高温环境下，我们不但实现了饱和，而且还造成了组件的变形。不稳定性致使水蒸气进入铸件的微孔，进而加速了镁的氧化进程。脆弱的氧化镁（或氢氧化镁）充塞了铸件微孔，持续性氧化，产生变形。 　　铸件出现某种多孔性是不可避免的。本例中的微孔性过于明显，结果造成水蒸气都能够透过表面渗透到铸件内部。经过重新生产制造微孔比较少的铸件，问题迎刃而解。 　　至此，笔者的客户可以给这项计划画上了句号了，本人提交了最终的报告和账单，报销后也结束了这项调查。但是我仍然挂记着这些导弹，担心他们是不是转送给了我们的盟军，如果转送到了盟军，盟军是否得到了相应的提醒，提醒用潜艇储存这批导弹时，储存场所应该增加除湿装置。 　　最近，本人偶然遇到了当年客户公司已经退休的前任总裁。该公司后来用机加工后的铍制构件替换了讨厌的镁制铸件。铍的强度非常好，比重很轻，堪当此任，但是却是剧毒物质。因为涉及铍的加工，需要遵守环境保护法规，这使得该公司非常痛苦，因为缺乏市场需求，昂贵的设施目前依然闲置。 作者简介 　　Kenneth Russell (kenruss@mit.edu)是麻省理工学院冶金与核工程荣誉退休教授，专攻物理冶金学、司法鉴定冶金学、以及失效分析。此文中的案例选自Ken Russell教授的真实档案。