中國(guó)大火箭身上的氫泵渦輪是怎么造出來(lái)的——

　　核心部件攻關(guān)記

　　零距離

　　前不久，我國(guó)近地軌道運(yùn)載能力最大的火箭——長(zhǎng)征五號(hào)B首飛成功，舉世矚目。鮮為人知的是，在這枚中國(guó)火箭強(qiáng)大的“心臟”中，有一個(gè)至關(guān)重要的核心部件——?dú)浔脺u輪，由我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)歷時(shí)多年研制而成，書(shū)寫(xiě)了又一個(gè)科研冷板凳上的攻關(guān)故事。

　　氫泵渦輪項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中國(guó)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(bào)·中青網(wǎng)記者采訪時(shí)說(shuō)，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(dòng)機(jī)燃燒室，與液氧混合燃燒產(chǎn)生推力。若該部件出現(xiàn)問(wèn)題，火箭會(huì)瞬時(shí)因失去動(dòng)力而墜落，其重要性可見(jiàn)一斑。

　　楊銳帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)歷時(shí)多年攻克了鈦合金粉末近凈成形技術(shù)，2016年長(zhǎng)征五號(hào)家族的“胖五”首次發(fā)射就開(kāi)始應(yīng)用，并一直沿用至今。

　　起步階段，有想法缺經(jīng)費(fèi)

　　2000年至2005年期間，在國(guó)家有關(guān)部門(mén)的支持下，中科院金屬所鈦合金研究部建設(shè)了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)鈦合金潔凈霧化制粉設(shè)備。

　　“按原計(jì)劃，這臺(tái)設(shè)備是用于研制航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件，但這個(gè)想法在當(dāng)時(shí)太超前，國(guó)內(nèi)沒(méi)有需求和經(jīng)費(fèi)支持渠道。”楊銳說(shuō)。于是，他不得不尋求國(guó)際合作經(jīng)費(fèi)支持。

　　2006年，楊銳所在的中科院金屬所與歐洲的研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合申請(qǐng)歐盟第六框架計(jì)劃下的中歐航空合作項(xiàng)目“鈦合金粉末近凈成形”，盡管合作項(xiàng)目最終未獲批準(zhǔn)，但學(xué)術(shù)交流持續(xù)開(kāi)展了下來(lái)。

　　兩年后，楊銳仍清晰地記得這個(gè)時(shí)間——2008年2月，在美國(guó)圣地亞哥舉行的高溫結(jié)構(gòu)金屬間化合物國(guó)際會(huì)議，楊銳是會(huì)議4名主席之一，卻因未及時(shí)拿到簽證沒(méi)能與會(huì)。直到會(huì)議結(jié)束后的第3個(gè)月，他才拿到簽證，這時(shí)正好趕上同年5月在美國(guó)加州長(zhǎng)灘舉行的第六屆國(guó)際熱等靜壓學(xué)術(shù)會(huì)議。

　　在這次會(huì)上，兩篇關(guān)于鈦合金粉末熱等靜壓研究的報(bào)告引起了他的注意。這兩篇報(bào)告都是關(guān)于制備火箭氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的氫泵渦輪的：一篇來(lái)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(lái)自日本金屬技術(shù)公司，是模擬粉末的熱等靜壓成形過(guò)程的。

　　聽(tīng)完這兩篇報(bào)告，楊銳眼睛一亮，“這不正是自己兩年來(lái)苦苦尋找的鈦合金粉末的應(yīng)用出口嗎？”

　　事實(shí)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(huì)議，進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，發(fā)表學(xué)術(shù)論文，是這些人類(lèi)“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(kāi)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(gè)月后，長(zhǎng)征五號(hào)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的氫泵渦輪作為配套項(xiàng)目正式發(fā)布。楊銳記得，他們上報(bào)項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)的時(shí)間點(diǎn)是“2008年10月31日”。

　　“那時(shí)，已經(jīng)有兩家單位研究了一段時(shí)間，但進(jìn)展并不理想，總體單位為確保氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的研制進(jìn)度，將這個(gè)攻關(guān)任務(wù)提出來(lái)公開(kāi)招標(biāo)。”楊銳說(shuō)。

　　留給楊銳準(zhǔn)備項(xiàng)目答辯的時(shí)間非常緊張——只有一個(gè)多月，科研團(tuán)隊(duì)面臨的短板是，“沒(méi)有任何前期工作基礎(chǔ)”。

　　“科研攻關(guān)和打仗一樣，沒(méi)有準(zhǔn)備、毫無(wú)把握地上陣，是兵家大忌。”楊銳告訴記者，他當(dāng)時(shí)所能做的就是緊急召集團(tuán)隊(duì)成員制定對(duì)策，立即啟動(dòng)研究，希望在項(xiàng)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(huì)上，楊銳讓一個(gè)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。”楊銳告訴記者，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(kāi)展鈦合金潔凈粉末冶金研究的儲(chǔ)備人才。

　　剛開(kāi)始這位年輕人的研究之路并不順利——因?yàn)樵O(shè)備缺乏合乎要求的安裝場(chǎng)地，重新建房花了3年多時(shí)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(méi)有獲得質(zhì)量合格的粉末。

　　徐磊告訴記者，整個(gè)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(méi)安裝好。2007年畢業(yè)，他不得不到南京找了一家汽車(chē)公司工作。

　　一年后，設(shè)備安裝成功的消息傳來(lái)，徐磊立即辭職回到中科院金屬所，“我只有一個(gè)念頭，是時(shí)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(xiàng)目面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)。

　　楊銳告訴記者，那段時(shí)間，他和團(tuán)隊(duì)成員加班加點(diǎn)工作，在短時(shí)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(cè)試全過(guò)程，并通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)。

　　“這個(gè)過(guò)程中，大家的齊心協(xié)力和相互配合至關(guān)重要。”楊銳說(shuō)，研究部副主任劉羽寅、研究員雷家峰等分頭安排落實(shí)，對(duì)工作按計(jì)劃進(jìn)度完成也起到了重要保障作用。

　　這其中，低溫力學(xué)性能測(cè)試環(huán)境苛刻，要求很高，當(dāng)時(shí)全國(guó)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(fù)責(zé)人李來(lái)鳳曾在金屬所獲得碩士學(xué)位，他一接到請(qǐng)求即全力協(xié)調(diào)加班測(cè)試。

　　“這些，都給我們團(tuán)隊(duì)及時(shí)獲得性能數(shù)據(jù)，提供了極大的幫助。”楊銳說(shuō)。

　　測(cè)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(biāo)要求，良好的開(kāi)局給予了團(tuán)隊(duì)極大的鼓舞。

　　楊銳告訴記者，當(dāng)時(shí)有4個(gè)團(tuán)隊(duì)參加項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)，但答辯的時(shí)候兩個(gè)團(tuán)隊(duì)臨時(shí)撤出，最終他所在的科研團(tuán)隊(duì)以較扎實(shí)的工作基礎(chǔ)和詳盡的研究方案勝出。

　　盡管拿到了項(xiàng)目，但楊銳團(tuán)隊(duì)第一次開(kāi)展粉末冶金部件研究，公開(kāi)文獻(xiàn)上只見(jiàn)大致輪廓和最終結(jié)果，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)和工藝過(guò)程只字不提，研制難度可想而知。

　　“這個(gè)項(xiàng)目名義上的研究周期是5年，但用戶需要盡快開(kāi)展一系列試驗(yàn)，而手上無(wú)試驗(yàn)件可用，正‘等米下鍋’，因此溝通時(shí)對(duì)進(jìn)度要求很緊。”楊銳說(shuō)。

　　據(jù)他介紹，氫泵渦輪屬于閉合空腔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部無(wú)法進(jìn)行機(jī)加工，對(duì)成形后的尺寸精度要求很高，而粉末致密化時(shí)體積收縮高達(dá)30%，控制復(fù)雜形狀輪廓尺寸的難度極大——這是項(xiàng)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(shí)驗(yàn)優(yōu)化尺寸，成本極高，且時(shí)間上不允許。

　　那時(shí)，楊銳正作為首席科學(xué)家承擔(dān)材料計(jì)算設(shè)計(jì)的一個(gè)“973”項(xiàng)目，團(tuán)隊(duì)在材料計(jì)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(yàn)之前，他和科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了大量的模擬計(jì)算，這對(duì)包套優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證輪次。這也讓大幅度壓縮研制周期成為可能。

　　徐磊說(shuō)，渦輪的空腔是靠放置內(nèi)部型芯實(shí)現(xiàn)的，若采用硬質(zhì)型芯，雖然有利于高溫成形時(shí)控制尺寸，但冷卻時(shí)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(shí)候就體現(xiàn)出來(lái)了。”徐磊說(shuō)，科研團(tuán)隊(duì)由于掌握了計(jì)算模擬成形過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)，他們對(duì)尺寸控制的能力顯著增強(qiáng)，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(kāi)裂的矛盾。

　　最終，他們攻克了相關(guān)核心技術(shù)難題。

　　時(shí)任國(guó)家973計(jì)劃顧問(wèn)專(zhuān)家組組長(zhǎng)周光召院士在聽(tīng)取了項(xiàng)目進(jìn)展與成果匯報(bào)后，認(rèn)為該項(xiàng)目在強(qiáng)化原理性研究基礎(chǔ)上，發(fā)揮計(jì)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(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人楊銳獲2010年度周光召基金會(huì)應(yīng)用科學(xué)獎(jiǎng)。

　　2016年，長(zhǎng)征五號(hào)火箭首飛后，2017年4月攻關(guān)團(tuán)隊(duì)獲五部委“長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭首次飛行任務(wù)突出貢獻(xiàn)”團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)，徐磊獲“長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭首次飛行任務(wù)突出貢獻(xiàn)”個(gè)人獎(jiǎng)。

　　“這不只是我們個(gè)人努力的結(jié)果，背后一代又一代人的積累不可或缺。”楊銳說(shuō)，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(shí)力享譽(yù)世界。得益于這種多學(xué)科綜合實(shí)力，科研團(tuán)隊(duì)才能很快解決這個(gè)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(tuán)隊(duì)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(dòng)機(jī)研制提供了有力支撐。

　　后來(lái)的故事，很多人都知道，中國(guó)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(kāi)始下一個(gè)攻關(guān)。