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“胖五”氫泵渦輪誕生記

http://finance.sina.com   2020年05月12日 18:48   北京同乐城国际线址網

  來源:中國科學報

  作者 | 沈春蕾  劉言

  近日,我國長征五號B運載火箭首飛成功,其近地軌道運載能力大於22噸,是目前我國近地軌道運載能力最大的火箭。

  在長征五號B運載火箭強大的“心臟”中有一個核心部件——氫泵渦輪,由中國科學院金屬研究所(以下簡稱金屬所)科研團隊研製而成。

  金屬所該項目負責人、鈦合金研究部主任楊銳帶領的這支科研團隊攻克了鈦合金粉末近淨成形技術,從2016年開始應用於被稱爲“胖五”的長征五號首次發射,並沿用至今。

  找到應用出口

  “氫泵渦輪的作用是將火箭體內的大量液氫燃料高速輸送到發動機燃燒室,與液氧混合燃燒產生推力。”楊銳告訴《中國科學報》,“若氫泵渦輪出現問題,火箭會瞬時因失去動力墜落。”

  2000年至2005年間,在國家有關部門支持下,金屬所鈦合金研究部從國外引進建設了國內第一臺鈦合金潔淨霧化制粉設備。

  楊銳說:“原計劃將其用於研製航空發動機部件,但當時這個想法太超前,國內沒有需求和經費支持渠道。”

  爲此,楊銳不得不尋求國際合作經費支持。

  2006年,金屬所與歐洲的研究機構聯合申請歐盟第六框架計劃下的中歐航空合作項目“鈦合金粉末近淨成形”,儘管合作項目未獲批准,但學術交流持續開展。

  2008年2月高溫結構金屬間化合物國際會議在美國聖地亞哥召開,作爲會議4名主席之一的楊銳,因未及時拿到簽證無法參加,直到會議結束後3個月他才拿到簽證,剛好趕上5月在美國加州長灘召開的第六屆國際熱等靜壓學術會議。

  會上,兩篇關於鈦合金粉末熱等靜壓研究的報告引起了楊銳的注意,這兩篇報告都是關於製備火箭氫氧發動機的氫泵渦輪的:一篇來自俄羅斯莫斯科化學加工研究所,研究關於如何提高粉末鈦合金性能;另一篇來自日本金屬技術公司,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,這正是自己兩年來苦苦尋找的鈦合金粉末的應用出口。

  良好的開局

  2008年8月,長征五號氫氧發動機的氫泵渦輪作爲配套項目正式發佈。

  “當時已有兩家單位就此研究了一段時間,但進展不理想,總體單位爲確保氫氧發動機研製進度,將這個攻關任務進行公開招標。”楊銳清楚記得,上報項目申請書的截止時間是2008年10月31日。

  “準備項目答辯的時間很緊,只有一個多月,團隊面臨的問題是沒有任何前期工作基礎。”楊銳告訴《中國科學報》。

  爲此,楊銳緊急召集團隊成員制定對策,立即啓動研究,希望在項目答辯前掌握關鍵數據,支撐研究方案,並指定當年博士剛畢業兩年的徐磊作爲研究骨幹。

  科研條件具備之後,人是最關鍵的因素。2002 年,在粉末設備建設期間,楊銳招收了博士研究生徐磊,作爲開展鈦合金潔淨粉末冶金研究的儲備人才。

  因設備缺乏合乎要求的安裝場地,重新建房花了3年多時間,徐磊在金屬所攻讀博士研究生期間一直沒有獲得質量合格的粉末。

  “整個研究磕磕絆絆,不盡理想,直到博士畢業答辯,設備也沒安裝好。”徐磊告訴《中國科學報》,2007年,他博士畢業後在南京福特汽車公司找了一份工作。

  一年後,當徐磊聽說設備終於安裝好了,便立即辭職回到金屬所繼續該方向的研究工作。

  氫泵渦輪在零下253℃下高速旋轉工作,承受巨大載荷,粉末冶金製備的鈦合金材料性能能否滿足應用要求是項目面臨的第一個挑戰。

  楊銳帶領團隊加班加點工作,在短時間內完成了母合金、電極、制粉、包套、熱等靜壓、樣品加工、性能測試全過程,並通過反覆試驗優化參數。

  研究部副主任劉羽寅、研究員雷家峯等緊急分頭安排落實,對工作按計劃進度完成也起到了重要保障作用。

  低溫力學性能測試環境苛刻,要求很高,當時全國只有中科院理化技術研究所低溫中心具備相關條件和資質。

  該中心負責人李來鳳曾在金屬所獲得碩士學位,他一接到請求即全力協調加班測試。

  測試結果表明,製備的粉末合金性能穩定、高於技術指標要求,良好的開局給了團隊極大鼓舞。

  楊銳說:“當時有4個團隊參加項目競爭,但答辯的時候兩個團隊臨時撤出,最終我們以較紮實的工作基礎和詳盡具體的研究方案勝出。”

  藝高人膽大

  雖然拿到了項目,但這是楊銳團隊第一次開展粉末冶金部件研究。“文獻上只見大致輪廓和最終結果,對關鍵技術和工藝過程隻字不提,研製難度可想而知。”

  “該項目名義上研究週期是五年,但用戶需要儘快開展一系列試驗,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。”

  楊銳表示,氫泵渦輪屬於閉合空腔結構,內部無法進行機加工,對成形後的尺寸精度要求很高,而粉末緻密化時體積收縮高達30%,控制複雜形狀輪廓尺寸的難度極大。“這是項目遇到的最大技術障礙,如果完全依靠一輪一輪反覆實驗優化尺寸,成本極高,且時間上不允許。”

  當時,楊銳正作爲首席科學家承擔材料計算設計的一個“973計劃”項目,團隊在材料計算模擬方面有較好積累。

  在着手部件成形試驗之前,徐磊開展了大量的模擬計算,有效減少了必需的實驗驗證輪次,使大幅度壓縮研製週期成爲可能。

  渦輪的空腔是靠放置內部型芯實現的,若採用硬質型芯,雖然有利於高溫成形時控制尺寸,但冷卻時易將部件內部結構撐裂。

  若採用軟質型芯,雖然可避免裂紋,但尺寸控制難上加難。

  由於楊銳團隊掌握了計算模擬成形過程的關鍵技術,他們對尺寸控制的能力顯著增強。

  於是,楊銳團隊採用了軟質型芯方案,成功解決了尺寸精度與成形開裂的矛盾。

  此外,渦輪去除型芯需要採用選擇性腐蝕技術,金屬所腐蝕科學與技術有深厚的積澱,團隊很快就解決了這個難題,並在研究員董俊華等人的幫助下優化了方案,縮短了部件製造週期。

  攻克重重難關,金屬所團隊在一年半時間內製造出了合格的氫泵渦輪樣件,爲氫氧發動機研製提供了有力支撐。

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