“胖五”氢泵涡轮诞生记

“胖五”氢泵涡轮诞生记
2020年05月13日 09:48 新浪科技综合

  来源:中国科学报

  作者 | 沈春蕾  刘言

  近日,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。

  在长征五号B运载火箭强大的“心脏”中有一个核心部件——氢泵涡轮,由中国科学院金属研究所(以下简称金属所)科研团队研制而成。

  金属所该项目负责人、钛合金研究部主任杨锐带领的这支科研团队攻克了钛合金粉末近净成形技术,从2016年开始应用于被称为“胖五”的长征五号首次发射,并沿用至今。

  找到应用出口

  “氢泵涡轮的作用是将火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。”杨锐告诉《中国科学报》,“若氢泵涡轮出现问题,火箭会瞬时因失去动力坠落。”

  2000年至2005年间,在国家有关部门支持下,金属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。

  杨锐说:“原计划将其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。”

  为此,杨锐不得不寻求国际合作经费支持。

  2006年,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”,尽管合作项目未获批准,但学术交流持续开展。

  2008年2月高温结构金属间化合物国际会议在美国圣地亚哥召开,作为会议4名主席之一的杨锐,因未及时拿到签证无法参加,直到会议结束后3个月他才拿到签证,刚好赶上5月在美国加州长滩召开的第六届国际热等静压学术会议。

  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,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,这正是自己两年来苦苦寻找的钛合金粉末的应用出口。

  良好的开局

  2008年8月,长征五号氢氧发动机的氢泵涡轮作为配套项目正式发布。

  “当时已有两家单位就此研究了一段时间,但进展不理想,总体单位为确保氢氧发动机研制进度,将这个攻关任务进行公开招标。”杨锐清楚记得,上报项目申请书的截止时间是2008年10月31日。

  “准备项目答辩的时间很紧,只有一个多月,团队面临的问题是没有任何前期工作基础。”杨锐告诉《中国科学报》。

  为此,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,并指定当年博士刚毕业两年的徐磊作为研究骨干。

  科研条件具备之后,人是最关键的因素。2002 年,在粉末设备建设期间,杨锐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。

  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,徐磊在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。

  “整个研究磕磕绊绊,不尽理想,直到博士毕业答辩,设备也没安装好。”徐磊告诉《中国科学报》,2007年,他博士毕业后在南京福特汽车公司找了一份工作。

  一年后,当徐磊听说设备终于安装好了,便立即辞职回到金属所继续该方向的研究工作。

  氢泵涡轮在零下253℃下高速旋转工作,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。

  杨锐带领团队加班加点工作,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。

  研究部副主任刘羽寅、研究员雷家峰等紧急分头安排落实,对工作按计划进度完成也起到了重要保障作用。

  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备相关条件和资质。

  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。

  测试结果表明,制备的粉末合金性能稳定、高于技术指标要求,良好的开局给了团队极大鼓舞。

  杨锐说:“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,最终我们以较扎实的工作基础和详尽具体的研究方案胜出。”

  艺高人胆大

  虽然拿到了项目,但这是杨锐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。”

  杨锐表示,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,杨锐正作为首席科学家承担材料计算设计的一个“973计划”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,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。

  若采用软质型芯,虽然可避免裂纹,但尺寸控制难上加难。

  由于杨锐团队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,杨锐团队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。

  此外,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有深厚的积淀,团队很快就解决了这个难题,并在研究员董俊华等人的帮助下优化了方案,缩短了部件制造周期。

  攻克重重难关,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。

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