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长征五号B运载火箭氢氧发动机氢泵叶轮在沈阳研制

来源: 中国日报网
2020-05-09 10:43 
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5月5日,我国长征五号B运载火箭首飞成功,其近地轨道运载能力大于22吨,是目前我国近地轨道运载能力最大的火箭。在其强大的心脏中有一个核心部件——氢泵涡轮,就是由中国科学院金属研究所攻克了钛合金粉末近净成形技术制造而成。这项成果从2016年开始应用于长征五号首次发射,一直沿用至今。

氢泵涡轮的作用是将箭体内的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。若氢泵涡轮出现问题,火箭会瞬时因失去动力坠落。

2000至2005年间,在国家有关部门支持下,中国科学院金属研究所钛合金研究部从国外引进建设了国内第一台钛合金洁净雾化制粉设备,原计划用于研制航空发动机部件,但当时这个想法太超前,国内没有需求和经费支持渠道。项目负责人、钛合金研究部主任杨锐不得不寻求国际合作经费支持,但2006年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”没有成功。尽管合作项目未获批准,但学术交流持续开展。2008年5月6-9日,第六届国际热等静压学术会议在美国加州长滩召开,参与组织这次会议的欧洲合作者希望杨锐去参加。2008年2月在美国圣地亚哥召开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无法参加,直到会议结束之后3月才拿到,他正好用这个签证去参加了5月的会议。会上,两篇关于钛合金粉末热等静压研究的报告引起了杨锐的注意,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。听到这两篇报告,杨锐眼睛一亮,这不正是他两年来一直苦苦寻找的钛合金粉末的应用出囗吗?

巧合的是,三个月后,长征五号氢氧发动机的氢泵涡轮作为配套项目正式发布,大概己有两家单位研究了一段时间了,但进展不理想,总体单位为确保氢氧发动机研制进度将这个攻关任务提出来公开招标。杨锐清楚记得他们上报项目申请书的时间点是2008年10月31日。

准备项目答辩的时间很紧,只有一个多月,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,并指定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,人是最关键的因素。在粉末设备建设期间,杨锐2002年招收了徐磊作为博士研究生开展钛合金洁净粉末冶金研究,储备人才。但因设备缺乏合乎要求的安装场地,重新建房花了3年多时间,致使徐磊博士研究期间一直没有获得质量合格的粉末,整个研究磕磕碰碰,不尽理想,一直到他毕业答辩,设备也没安装好,他毕业后不得不到南京福特汽车公司找了一份工作。但他初心不改,一年后他听说设备终于安装好了,立即辞职回到金属所继续该方向研究工作。

氢泵涡轮在零下253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。团队加班加点地工作,在很短时间内走完了母合金、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,研究部刘羽寅副主任、雷家峰研究员等紧急分头安排落实,对工作按计划进度完成起到了重要保障作用。

低温力学性能测试环境苛刻,要求很高,当时全国只有中国科学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在金属所读过研究生,他一接到请求即全力协调加班测试,对团队及时获得性能数据提供了极大的帮助。

测试结果表明,制备的粉末合金的性能稳定地高于技术指标要求,良好的开局给予团队极大鼓舞。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,最终金属所团队以较扎实的工作基础和详尽具体的研究方案胜出。

虽然拿到了项目,但团队第一次开展粉末冶金部件研究,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。该项目名义上研究周期是五年,但因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。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。

当时杨锐作为首席科学家正在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。在着手部件成形试验之前,徐磊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致关重要的作用,有效减少了必需的实验验证轮次,使大幅度压缩研制周期成为可能。

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。采用软质型芯可避免裂纹,但尺寸控制难上加难。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,所谓“艺高人胆大”,他们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。

涡轮去除型芯需要采用选择性腐蚀技术,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,团队很快解决了这个难题,并在董俊华研究员等人的帮助下优化了方案,缩短了部件制造周期。

在攻克上述多项技术难题基础上,金属所团队在一年半时间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。

时任国家973计划顾问专家组组长周光召同志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。经周光召同志亲自推荐,攻关团队负责人杨锐获2010年度周光召基金会应用科学奖。

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(中科院唯一),徐磊获“长征五号运载火箭首次飞行任务突出贡献”个人奖。

(中国日报辽宁记者站)

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