中國大火箭身上的氫泵渦輪是怎么造出來的——

　　核心部件攻關記

　　零距離

　　前不久，我國近地軌道運載能力最大的火箭——長征五號B首飛成功，舉世矚目。鮮為人知的是，在這枚中國火箭強大的“心臟”中，有一個至關重要的核心部件——氫泵渦輪，由我國科研團隊歷時多年研制而成，書寫了又一個科研冷板凳上的攻關故事。

　　氫泵渦輪項目負責人、中國科學院金屬研究所鈦合金研究部主任楊銳在接受中青報·中青網記者采訪時說，氫泵渦輪的作用是將火箭體內大量液氫燃料高速輸送到發(fā)動機燃燒室，與液氧混合燃燒產生推力。若該部件出現(xiàn)問題，火箭會瞬時因失去動力而墜落，其重要性可見一斑。

　　楊銳帶領的科研團隊歷時多年攻克了鈦合金粉末近凈成形技術，2016年長征五號家族的“胖五”首次發(fā)射就開始應用，并一直沿用至今。

　　起步階段，有想法缺經費

　　2000年至2005年期間，在國家有關部門的支持下，中科院金屬所鈦合金研究部建設了國內第一臺鈦合金潔凈霧化制粉設備。

　　“按原計劃，這臺設備是用于研制航空發(fā)動機部件，但這個想法在當時太超前，國內沒有需求和經費支持渠道。”楊銳說。于是，他不得不尋求國際合作經費支持。

　　2006年，楊銳所在的中科院金屬所與歐洲的研究機構聯(lián)合申請歐盟第六框架計劃下的中歐航空合作項目“鈦合金粉末近凈成形”，盡管合作項目最終未獲批準，但學術交流持續(xù)開展了下來。

　　兩年后，楊銳仍清晰地記得這個時間——2008年2月，在美國圣地亞哥舉行的高溫結構金屬間化合物國際會議，楊銳是會議4名主席之一，卻因未及時拿到簽證沒能與會。直到會議結束后的第3個月，他才拿到簽證，這時正好趕上同年5月在美國加州長灘舉行的第六屆國際熱等靜壓學術會議。

　　在這次會上，兩篇關于鈦合金粉末熱等靜壓研究的報告引起了他的注意。這兩篇報告都是關于制備火箭氫氧發(fā)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，研究關于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，“這不正是自己兩年來苦苦尋找的鈦合金粉末的應用出口嗎？”

　　事實上，在基礎研究或應用基礎研究領域，科學家參與學術會議，進行學術交流，發(fā)表學術論文，是這些人類“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合作，誕生于公開的學術討論之中。這一次，是楊銳趕上了。

　　條件具備后，人成了最關鍵的因素

　　巧合的是，3個月后，長征五號氫氧發(fā)動機的氫泵渦輪作為配套項目正式發(fā)布。楊銳記得，他們上報項目申請書的時間點是“2008年10月31日”。

　　“那時，已經有兩家單位研究了一段時間，但進展并不理想，總體單位為確保氫氧發(fā)動機的研制進度，將這個攻關任務提出來公開招標。”楊銳說。

　　留給楊銳準備項目答辯的時間非常緊張——只有一個多月，科研團隊面臨的短板是，“沒有任何前期工作基礎”。

　　“科研攻關和打仗一樣，沒有準備、毫無把握地上陣，是兵家大忌。”楊銳告訴記者，他當時所能做的就是緊急召集團隊成員制定對策，立即啟動研究，希望在項目答辯前掌握關鍵數(shù)據，支撐研究方案。

　　值得一提的是，就是在這次會上，楊銳讓一個年輕人挑了大梁，他指定了剛獲得博士學位兩年的徐磊作為研究骨干。

　　“在科研條件具備之后，人成了最關鍵的因素。”楊銳告訴記者，2002年，在粉末設備建設期間，他招收了博士研究生徐磊，作為開展鈦合金潔凈粉末冶金研究的儲備人才。

　　剛開始這位年輕人的研究之路并不順利——因為設備缺乏合乎要求的安裝場地，重新建房花了3年多時間，這意味著，徐磊在中科院金屬所攻讀博士研究生期間，一直沒有獲得質量合格的粉末。

　　徐磊告訴記者，整個研究磕磕碰碰，不盡理想，一直到他博士畢業(yè)答辯，設備也沒安裝好。2007年畢業(yè)，他不得不到南京找了一家汽車公司工作。

　　一年后，設備安裝成功的消息傳來，徐磊立即辭職回到中科院金屬所，“我只有一個念頭，是時候繼續(xù)我當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，能否滿足應用要求，是項目面臨的第一個挑戰(zhàn)。

　　楊銳告訴記者，那段時間，他和團隊成員加班加點工作，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，并通過反復試驗優(yōu)化參數(shù)。

　　“這個過程中，大家的齊心協(xié)力和相互配合至關重要。”楊銳說，研究部副主任劉羽寅、研究員雷家峰等分頭安排落實，對工作按計劃進度完成也起到了重要保障作用。

　　這其中，低溫力學性能測試環(huán)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有相關條件和資質，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(xié)調加班測試。

　　“這些，都給我們團隊及時獲得性能數(shù)據，提供了極大的幫助。”楊銳說。

　　測試結果表明，制備的粉末合金性能穩(wěn)定地高于技術指標要求，良好的開局給予了團隊極大的鼓舞。

　　楊銳告訴記者，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，最終他所在的科研團隊以較扎實的工作基礎和詳盡的研究方案勝出。

　　盡管拿到了項目，但楊銳團隊第一次開展粉末冶金部件研究，公開文獻上只見大致輪廓和最終結果，對關鍵技術和工藝過程只字不提，研制難度可想而知。

　　“這個項目名義上的研究周期是5年，但用戶需要盡快開展一系列試驗，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。”楊銳說。

　　據他介紹，氫泵渦輪屬于閉合空腔結構，內部無法進行機加工，對成形后的尺寸精度要求很高，而粉末致密化時體積收縮高達30%，控制復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復實驗優(yōu)化尺寸，成本極高，且時間上不允許。

　　那時，楊銳正作為首席科學家承擔材料計算設計的一個“973”項目，團隊在材料計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之前，他和科研團隊開展了大量的模擬計算，這對包套優(yōu)化設計和快速逼近理論尺寸起到了至關重要的作用，有效減少了必需的實驗驗證輪次。這也讓大幅度壓縮研制周期成為可能。

　　徐磊說，渦輪的空腔是靠放置內部型芯實現(xiàn)的，若采用硬質型芯，雖然有利于高溫成形時控制尺寸，但冷卻時易將部件內部結構撐裂。若采用軟質型芯，雖然可避免裂紋，但尺寸控制難上加難。

　　“所謂‘藝高人膽大’，這時候就體現(xiàn)出來了。”徐磊說，科研團隊由于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，于是便采用了軟質型芯方案，成功解決了尺寸精度與成形開裂的矛盾。

　　最終，他們攻克了相關核心技術難題。

　　時任國家973計劃顧問專家組組長周光召院士在聽取了項目進展與成果匯報后，認為該項目在強化原理性研究基礎上，發(fā)揮計算模擬指導作用，攻克了重大技術難關，具有示范意義。

　　經他親自推薦，攻關團隊負責人楊銳獲2010年度周光召基金會應用科學獎。

　　2016年，長征五號火箭首飛后，2017年4月攻關團隊獲五部委“長征五號運載火箭首次飛行任務突出貢獻”團隊獎，徐磊獲“長征五號運載火箭首次飛行任務突出貢獻”個人獎。

　　“這不只是我們個人努力的結果，背后一代又一代人的積累不可或缺。”楊銳說，他以渦輪去除型芯所采用的選擇性腐蝕技術為例，中科院金屬所腐蝕科學與技術實力享譽世界。得益于這種多學科綜合實力，科研團隊才能很快解決這個難題，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難題的基礎上，楊銳帶領團隊在一年半內制造出了合格的氫泵渦輪樣件，為氫氧發(fā)動機研制提供了有力支撐。

　　后來的故事，很多人都知道，中國又一枚大火箭奔向蒼穹，而火箭發(fā)射幕后的，包括楊銳在內的基礎研究以及應用基礎研究的科研人員，則又坐回了冷板凳，開始下一個攻關。