中國大火箭身上的氫泵渦輪怎么造出來的?核心部件攻關(guān)記
中國大火箭身上的氫泵渦輪是怎么造出來的——
核心部件攻關(guān)記
零距離
前不久,我國近地軌道運載能力最大的火箭——長征五號B首飛成功,舉世矚目。鮮為人知的是,在這枚中國火箭強大的“心臟”中,有一個至關(guān)重要的核心部件——氫泵渦輪,由我國科研團隊歷時多年研制而成,書寫了又一個科研冷板凳上的攻關(guān)故事。
氫泵渦輪項目負責(zé)人、中國科學(xué)院金屬研究所鈦合金研究部主任楊銳在接受中青報·中青網(wǎng)記者采訪時說,氫泵渦輪的作用是將火箭體內(nèi)大量液氫燃料高速輸送到發(fā)動機燃燒室,與液氧混合燃燒產(chǎn)生推力。若該部件出現(xiàn)問題,火箭會瞬時因失去動力而墜落,其重要性可見一斑。
楊銳帶領(lǐng)的科研團隊歷時多年攻克了鈦合金粉末近凈成形技術(shù),2016年長征五號家族的“胖五”首次發(fā)射就開始應(yīng)用,并一直沿用至今。
起步階段,有想法缺經(jīng)費
2000年至2005年期間,在國家有關(guān)部門的支持下,中科院金屬所鈦合金研究部建設(shè)了國內(nèi)第一臺鈦合金潔凈霧化制粉設(shè)備。
“按原計劃,這臺設(shè)備是用于研制航空發(fā)動機部件,但這個想法在當(dāng)時太超前,國內(nèi)沒有需求和經(jīng)費支持渠道?!睏钿J說。于是,他不得不尋求國際合作經(jīng)費支持。
2006年,楊銳所在的中科院金屬所與歐洲的研究機構(gòu)聯(lián)合申請歐盟第六框架計劃下的中歐航空合作項目“鈦合金粉末近凈成形”,盡管合作項目最終未獲批準,但學(xué)術(shù)交流持續(xù)開展了下來。
兩年后,楊銳仍清晰地記得這個時間——2008年2月,在美國圣地亞哥舉行的高溫結(jié)構(gòu)金屬間化合物國際會議,楊銳是會議4名主席之一,卻因未及時拿到簽證沒能與會。直到會議結(jié)束后的第3個月,他才拿到簽證,這時正好趕上同年5月在美國加州長灘舉行的第六屆國際熱等靜壓學(xué)術(shù)會議。
在這次會上,兩篇關(guān)于鈦合金粉末熱等靜壓研究的報告引起了他的注意。這兩篇報告都是關(guān)于制備火箭氫氧發(fā)動機的氫泵渦輪的:一篇來自俄羅斯莫斯科化學(xué)加工研究所,研究關(guān)于如何提高粉末鈦合金性能;另一篇來自日本金屬技術(shù)公司,是模擬粉末的熱等靜壓成形過程的。
聽完這兩篇報告,楊銳眼睛一亮,“這不正是自己兩年來苦苦尋找的鈦合金粉末的應(yīng)用出口嗎?”
事實上,在基礎(chǔ)研究或應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域,科學(xué)家參與學(xué)術(shù)會議,進行學(xué)術(shù)交流,發(fā)表學(xué)術(shù)論文,是這些人類“最聰明的頭腦”交流思想、碰撞火花的慣例,不少偉大的靈感或科學(xué)合作,誕生于公開的學(xué)術(shù)討論之中。這一次,是楊銳趕上了。
條件具備后,人成了最關(guān)鍵的因素
巧合的是,3個月后,長征五號氫氧發(fā)動機的氫泵渦輪作為配套項目正式發(fā)布。楊銳記得,他們上報項目申請書的時間點是“2008年10月31日”。
“那時,已經(jīng)有兩家單位研究了一段時間,但進展并不理想,總體單位為確保氫氧發(fā)動機的研制進度,將這個攻關(guān)任務(wù)提出來公開招標?!睏钿J說。
留給楊銳準備項目答辯的時間非常緊張——只有一個多月,科研團隊面臨的短板是,“沒有任何前期工作基礎(chǔ)”。
“科研攻關(guān)和打仗一樣,沒有準備、毫無把握地上陣,是兵家大忌。”楊銳告訴記者,他當(dāng)時所能做的就是緊急召集團隊成員制定對策,立即啟動研究,希望在項目答辯前掌握關(guān)鍵數(shù)據(jù),支撐研究方案。
值得一提的是,就是在這次會上,楊銳讓一個年輕人挑了大梁,他指定了剛獲得博士學(xué)位兩年的徐磊作為研究骨干。
“在科研條件具備之后,人成了最關(guān)鍵的因素?!睏钿J告訴記者,2002年,在粉末設(shè)備建設(shè)期間,他招收了博士研究生徐磊,作為開展鈦合金潔凈粉末冶金研究的儲備人才。
剛開始這位年輕人的研究之路并不順利——因為設(shè)備缺乏合乎要求的安裝場地,重新建房花了3年多時間,這意味著,徐磊在中科院金屬所攻讀博士研究生期間,一直沒有獲得質(zhì)量合格的粉末。
徐磊告訴記者,整個研究磕磕碰碰,不盡理想,一直到他博士畢業(yè)答辯,設(shè)備也沒安裝好。2007年畢業(yè),他不得不到南京找了一家汽車公司工作。
一年后,設(shè)備安裝成功的消息傳來,徐磊立即辭職回到中科院金屬所,“我只有一個念頭,是時候繼續(xù)我當(dāng)初想做而未能做成的研究工作了!”
“藝高人膽大”
氫泵渦輪在零下253攝氏度高速旋轉(zhuǎn)工作,承受巨大載荷,粉末冶金制備的鈦合金材料性能,能否滿足應(yīng)用要求,是項目面臨的第一個挑戰(zhàn)。
楊銳告訴記者,那段時間,他和團隊成員加班加點工作,在短時間內(nèi)完成了母合金、電極、制粉、包套、熱等靜壓、樣品加工、性能測試全過程,并通過反復(fù)試驗優(yōu)化參數(shù)。
“這個過程中,大家的齊心協(xié)力和相互配合至關(guān)重要?!睏钿J說,研究部副主任劉羽寅、研究員雷家峰等分頭安排落實,對工作按計劃進度完成也起到了重要保障作用。
這其中,低溫力學(xué)性能測試環(huán)境苛刻,要求很高,當(dāng)時全國只有中科院理化技術(shù)研究所低溫中心具有相關(guān)條件和資質(zhì),該中心負責(zé)人李來鳳曾在金屬所獲得碩士學(xué)位,他一接到請求即全力協(xié)調(diào)加班測試。
“這些,都給我們團隊及時獲得性能數(shù)據(jù),提供了極大的幫助?!睏钿J說。
測試結(jié)果表明,制備的粉末合金性能穩(wěn)定地高于技術(shù)指標要求,良好的開局給予了團隊極大的鼓舞。
楊銳告訴記者,當(dāng)時有4個團隊參加項目競爭,但答辯的時候兩個團隊臨時撤出,最終他所在的科研團隊以較扎實的工作基礎(chǔ)和詳盡的研究方案勝出。
盡管拿到了項目,但楊銳團隊第一次開展粉末冶金部件研究,公開文獻上只見大致輪廓和最終結(jié)果,對關(guān)鍵技術(shù)和工藝過程只字不提,研制難度可想而知。
“這個項目名義上的研究周期是5年,但用戶需要盡快開展一系列試驗,而手上無試驗件可用,正‘等米下鍋’,因此溝通時對進度要求很緊?!睏钿J說。
據(jù)他介紹,氫泵渦輪屬于閉合空腔結(jié)構(gòu),內(nèi)部無法進行機加工,對成形后的尺寸精度要求很高,而粉末致密化時體積收縮高達30%,控制復(fù)雜形狀輪廓尺寸的難度極大——這是項目遇到的最大技術(shù)障礙,如果完全依靠一輪一輪反復(fù)實驗優(yōu)化尺寸,成本極高,且時間上不允許。
那時,楊銳正作為首席科學(xué)家承擔(dān)材料計算設(shè)計的一個“973”項目,團隊在材料計算模擬方面有較好積累。
徐磊告訴記者,在著手部件成形試驗之前,他和科研團隊開展了大量的模擬計算,這對包套優(yōu)化設(shè)計和快速逼近理論尺寸起到了至關(guān)重要的作用,有效減少了必需的實驗驗證輪次。這也讓大幅度壓縮研制周期成為可能。
徐磊說,渦輪的空腔是靠放置內(nèi)部型芯實現(xiàn)的,若采用硬質(zhì)型芯,雖然有利于高溫成形時控制尺寸,但冷卻時易將部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)撐裂。若采用軟質(zhì)型芯,雖然可避免裂紋,但尺寸控制難上加難。
“所謂‘藝高人膽大’,這時候就體現(xiàn)出來了?!毙炖谡f,科研團隊由于掌握了計算模擬成形過程的關(guān)鍵技術(shù),他們對尺寸控制的能力顯著增強,于是便采用了軟質(zhì)型芯方案,成功解決了尺寸精度與成形開裂的矛盾。
最終,他們攻克了相關(guān)核心技術(shù)難題。
時任國家973計劃顧問專家組組長周光召院士在聽取了項目進展與成果匯報后,認為該項目在強化原理性研究基礎(chǔ)上,發(fā)揮計算模擬指導(dǎo)作用,攻克了重大技術(shù)難關(guān),具有示范意義。
經(jīng)他親自推薦,攻關(guān)團隊負責(zé)人楊銳獲2010年度周光召基金會應(yīng)用科學(xué)獎。
2016年,長征五號火箭首飛后,2017年4月攻關(guān)團隊獲五部委“長征五號運載火箭首次飛行任務(wù)突出貢獻”團隊獎,徐磊獲“長征五號運載火箭首次飛行任務(wù)突出貢獻”個人獎。
“這不只是我們個人努力的結(jié)果,背后一代又一代人的積累不可或缺?!睏钿J說,他以渦輪去除型芯所采用的選擇性腐蝕技術(shù)為例,中科院金屬所腐蝕科學(xué)與技術(shù)實力享譽世界。得益于這種多學(xué)科綜合實力,科研團隊才能很快解決這個難題,并在董俊華研究員等人的幫助下優(yōu)化方案,縮短了核心部件的制造周期。
在攻克這些核心技術(shù)難題的基礎(chǔ)上,楊銳帶領(lǐng)團隊在一年半內(nèi)制造出了合格的氫泵渦輪樣件,為氫氧發(fā)動機研制提供了有力支撐。
后來的故事,很多人都知道,中國又一枚大火箭奔向蒼穹,而火箭發(fā)射幕后的,包括楊銳在內(nèi)的基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用基礎(chǔ)研究的科研人員,則又坐回了冷板凳,開始下一個攻關(guān)。
版權(quán)聲明:凡注明“來源:中國西藏網(wǎng)”或“中國西藏網(wǎng)文”的所有作品,版權(quán)歸高原(北京)文化傳播有限公司。任何媒體轉(zhuǎn)載、摘編、引用,須注明來源中國西藏網(wǎng)和署著作者名,否則將追究相關(guān)法律責(zé)任。