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中国大火箭身上的氢泵涡轮怎么造出来的?

作者:大伟助孕公司时间:2020-06-22 19:40:18热度:36541
中国大火箭身上的氢泵涡轮是怎么造出来的——核心部件攻关记零距离长征五号B运载火箭正在驶离垂直总装厂房。屠海超/摄前不久,我国近地轨道运载能力最大的火箭——长征五

  中国大火箭身上的氢泵涡轮是怎么造出来的——

  核心部件攻关记

  零距离

长征五号B运载火箭正在驶离垂直总装厂房。屠海超/摄

  前不久,我国近地轨道运载能力最大的火箭——长征五号B首飞成功,举世瞩目。鲜为人知的是,在这枚中国火箭强大的“心脏”中,有一个至关重要的核心部件——氢泵涡轮,由我国科研团队历时多年研制而成,书写了又一个科研冷板凳上的攻关故事。

  氢泵涡轮项目负责人、中国科学院金属研究所钛合金研究部主任杨锐在接受中青报·中青网记者采访时说,氢泵涡轮的作用是将火箭体内大量液氢燃料高速输送到发动机燃烧室,与液氧混合燃烧产生推力。若该部件出现问题,火箭会瞬时因失去动力而坠落,其重要性可见一斑。

  杨锐带领的科研团队历时多年攻克了钛合金粉末近净成形技术,2016年长征五号家族的“胖五”首次发射就开始应用,并一直沿用至今。

氢泵涡轮项目部分科研人员。中国科学院金属研究所供图

  起步阶段,有想法缺经费

  2000年至2005年期间,在国家有关部门的支持下,中科院金属所钛合金研究部建设了国内第一台钛合金洁净雾化制粉设备。

  “按原计划,这台设备是用于研制航空发动机部件,但这个想法在当时太超前,国内没有需求和经费支持渠道。”杨锐说。于是,他不得不寻求国际合作经费支持。

  2006年,杨锐所在的中科院金属所与欧洲的研究机构联合申请欧盟第六框架计划下的中欧航空合作项目“钛合金粉末近净成形”,尽管合作项目最终未获批准,但学术交流持续开展了下来。

  两年后,杨锐仍清晰地记得这个时间——2008年2月,在美国圣地亚哥举行的高温结构金属间化合物国际会议,杨锐是会议4名主席之一,却因未及时拿到签证没能与会。直到会议结束后的第3个月,他才拿到签证,这时正好赶上同年5月在美国加州长滩举行的第六届国际热等静压学术会议。

  在这次会上,两篇关于钛合金粉末热等静压研究的报告引起了他的注意。这两篇报告都是关于制备火箭氢氧发动机的氢泵涡轮的:一篇来自俄罗斯莫斯科化学加工研究所,研究关于如何提高粉末钛合金性能;另一篇来自日本金属技术公司,是模拟粉末的热等静压成形过程的。

  听完这两篇报告,杨锐眼睛一亮,“这不正是自己两年来苦苦寻找的钛合金粉末的应用出口吗?”

  事实上,在基础研究或应用基础研究领域,科学家参与学术会议,进行学术交流,发表学术论文,是这些人类“最聪明的头脑”交流思想、碰撞火花的惯例,不少伟大的灵感或科学合作,诞生于公开的学术讨论之中。这一次,是杨锐赶上了。

氢泵涡轮部件。中国科学院金属研究所供图

  条件具备后,人成了最关键的因素

  巧合的是,3个月后,长征五号氢氧发动机的氢泵涡轮作为配套项目正式发布。杨锐记得,他们上报项目申请书的时间点是“2008年10月31日”。

  “那时,已经有两家单位研究了一段时间,但进展并不理想,总体单位为确保氢氧发动机的研制进度,将这个攻关任务提出来公开招标。”杨锐说。

  留给杨锐准备项目答辩的时间非常紧张——只有一个多月,科研团队面临的短板是,“没有任何前期工作基础”。

  “科研攻关和打仗一样,没有准备、毫无把握地上阵,是兵家大忌。”杨锐告诉记者,他当时所能做的就是紧急召集团队成员制定对策,立即启动研究,希望在项目答辩前掌握关键数据,支撑研究方案。

  值得一提的是,就是在这次会上,杨锐让一个年轻人挑了大梁,他指定了刚获得博士学位两年的徐磊作为研究骨干。

  “在科研条件具备之后,人成了最关键的因素。”杨锐告诉记者,2002年,在粉末设备建设期间,他招收了博士研究生徐磊,作为开展钛合金洁净粉末冶金研究的储备人才。

  刚开始这位年轻人的研究之路并不顺利——因为设备缺乏合乎要求的安装场地,重新建房花了3年多时间,这意味着,徐磊在中科院金属所攻读博士研究生期间,一直没有获得质量合格的粉末。

  徐磊告诉记者,整个研究磕磕碰碰,不尽理想,一直到他博士毕业答辩,设备也没安装好。2007年毕业,他不得不到南京找了一家汽车公司工作。

  一年后,设备安装成功的消息传来,徐磊立即辞职回到中科院金属所,“我只有一个念头,是时候继续我当初想做而未能做成的研究工作了!”

长征五号B首飞任务整流罩正在进行出箱吊装。屠海超/摄

  “艺高人胆大”

  氢泵涡轮在零下253摄氏度高速旋转工作,承受巨大载荷,粉末冶金制备的钛合金材料性能,能否满足应用要求,是项目面临的第一个挑战。

  杨锐告诉记者,那段时间,他和团队成员加班加点工作,在短时间内完成了母合金、电极、制粉、包套、热等静压、样品加工、性能测试全过程,并通过反复试验优化参数。

  “这个过程中,大家的齐心协力和相互配合至关重要。”杨锐说,研究部副主任刘羽寅、研究员雷家峰等分头安排落实,对工作按计划进度完成也起到了重要保障作用。

  这其中,低温力学性能测试环境苛刻,要求很高,当时全国只有中科院理化技术研究所低温中心具有相关条件和资质,该中心负责人李来凤曾在金属所获得硕士学位,他一接到请求即全力协调加班测试。

  “这些,都给我们团队及时获得性能数据,提供了极大的帮助。”杨锐说。

  测试结果表明,制备的粉末合金性能稳定地高于技术指标要求,良好的开局给予了团队极大的鼓舞。

  杨锐告诉记者,当时有4个团队参加项目竞争,但答辩的时候两个团队临时撤出,最终他所在的科研团队以较扎实的工作基础和详尽的研究方案胜出。

  尽管拿到了项目,但杨锐团队第一次开展粉末冶金部件研究,公开文献上只见大致轮廓和最终结果,对关键技术和工艺过程只字不提,研制难度可想而知。

  “这个项目名义上的研究周期是5年,但用户需要尽快开展一系列试验,而手上无试验件可用,正‘等米下锅’,因此沟通时对进度要求很紧。”杨锐说。

  据他介绍,氢泵涡轮属于闭合空腔结构,内部无法进行机加工,对成形后的尺寸精度要求很高,而粉末致密化时体积收缩高达30%,控制复杂形状轮廓尺寸的难度极大——这是项目遇到的最大技术障碍,如果完全依靠一轮一轮反复实验优化尺寸,成本极高,且时间上不允许。

  那时,杨锐正作为首席科学家承担材料计算设计的一个“973”项目,团队在材料计算模拟方面有较好积累。

  徐磊告诉记者,在着手部件成形试验之前,他和科研团队开展了大量的模拟计算,这对包套优化设计和快速逼近理论尺寸起到了至关重要的作用,有效减少了必需的实验验证轮次。这也让大幅度压缩研制周期成为可能。

  徐磊说,涡轮的空腔是靠放置内部型芯实现的,若采用硬质型芯,虽然有利于高温成形时控制尺寸,但冷却时易将部件内部结构撑裂。若采用软质型芯,虽然可避免裂纹,但尺寸控制难上加难。

  “所谓‘艺高人胆大’,这时候就体现出来了。”徐磊说,科研团队由于掌握了计算模拟成形过程的关键技术,他们对尺寸控制的能力显著增强,于是便采用了软质型芯方案,成功解决了尺寸精度与成形开裂的矛盾。

  最终,他们攻克了相关核心技术难题。

  时任国家973计划顾问专家组组长周光召院士在听取了项目进展与成果汇报后,认为该项目在强化原理性研究基础上,发挥计算模拟指导作用,攻克了重大技术难关,具有示范意义。

  经他亲自推荐,攻关团队负责人杨锐获2010年度周光召基金会应用科学奖。

  2016年,长征五号火箭首飞后,2017年4月攻关团队获五部委“长征五号运载火箭首次飞行任务突出贡献”团队奖,徐磊获“长征五号运载火箭首次飞行任务突出贡献”个人奖。

  “这不只是我们个人努力的结果,背后一代又一代人的积累不可或缺。”杨锐说,他以涡轮去除型芯所采用的选择性腐蚀技术为例,中科院金属所腐蚀科学与技术实力享誉世界。得益于这种多学科综合实力,科研团队才能很快解决这个难题,并在董俊华研究员等人的帮助下优化方案,缩短了核心部件的制造周期。

  在攻克这些核心技术难题的基础上,杨锐带领团队在一年半内制造出了合格的氢泵涡轮样件,为氢氧发动机研制提供了有力支撑。

  后来的故事,很多人都知道,中国又一枚大火箭奔向苍穹,而火箭发射幕后的,包括杨锐在内的基础研究以及应用基础研究的科研人员,则又坐回了冷板凳,开始下一个攻关。

  中青报·中青网记者 邱晨辉 来源:中国青年报

【编辑:刘欢】