中國大火箭身上的氫泵渦輪是怎麽(me) 造出來的——

　　核心部件攻關(guan) 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(ju) 世矚目。鮮為(wei) 人知的是，在這枚中國火箭強大的“心髒”中，有一個(ge) 至關(guan) 重要的核心部件——氫泵渦輪，由我國科研團隊曆時多年研製而成，書(shu) 寫(xie) 了又一個(ge) 科研冷板凳上的攻關(guan) 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(ti) 內(nei) 大量液氫燃料高速輸送到發動機燃燒室，與(yu) 液氧混合燃燒產(chan) 生推力。若該部件出現問題，火箭會(hui) 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曆時多年攻克了鈦合金粉末近淨成形技術，2016年長征五號家族的“胖五”首次發射就開始應用，並一直沿用至今。

　　起步階段，有想法缺經費

　　2000年至2005年期間，在國家有關(guan) 部門的支持下，中科院金屬所鈦合金研究部建設了國內(nei) 第一台鈦合金潔淨霧化製粉設備。

　　“按原計劃，這台設備是用於(yu) 研製航空發動機部件，但這個(ge) 想法在當時太超前，國內(nei) 沒有需求和經費支持渠道。”楊銳說。於(yu) 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(yu) 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”，盡管合作項目最終未獲批準，但學術交流持續開展了下來。

　　兩(liang) 年後，楊銳仍清晰地記得這個(ge) 時間——2008年2月，在美國聖地亞(ya) 哥舉(ju) 行的高溫結構金屬間化合物國際會(hui) 議，楊銳是會(hui) 議4名主席之一，卻因未及時拿到簽證沒能與(yu) 會(hui) 。直到會(hui) 議結束後的第3個(ge) 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(ju) 行的第六屆國際熱等靜壓學術會(hui) 議。

　　在這次會(hui) 上，兩(liang) 篇關(guan) 於(yu) 鈦合金粉末熱等靜壓研究的報告引起了他的注意。這兩(liang) 篇報告都是關(guan) 於(yu) 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(guan) 於(yu) 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(liang) 篇報告，楊銳眼睛一亮，“這不正是自己兩(liang) 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(yu) 學術會(hui) 議，進行學術交流，發表學術論文，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(wei) 大的靈感或科學合作，誕生於(yu) 公開的學術討論之中。這一次，是楊銳趕上了。

　　條件具備後，人成了最關(guan) 鍵的因素

　　巧合的是，3個(ge) 月後，長征五號氫氧發動機的氫泵渦輪作為(wei) 配套項目正式發布。楊銳記得，他們(men) 上報項目申請書(shu) 的時間點是“2008年10月31日”。

　　“那時，已經有兩(liang) 家單位研究了一段時間，但進展並不理想，總體(ti) 單位為(wei) 確保氫氧發動機的研製進度，將這個(ge) 攻關(guan) 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——隻有一個(ge) 多月，科研團隊麵臨(lin) 的短板是，“沒有任何前期工作基礎”。

　　“科研攻關(guan) 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製定對策，立即啟動研究，希望在項目答辯前掌握關(guan) 鍵數據，支撐研究方案。

　　值得一提的是，就是在這次會(hui) 上，楊銳讓一個(ge) 年輕人挑了大梁，他指定了剛獲得博士學位兩(liang) 年的徐磊作為(wei) 研究骨幹。

　　“在科研條件具備之後，人成了最關(guan) 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(wei) 開展鈦合金潔淨粉末冶金研究的儲(chu) 備人才。

　　剛開始這位年輕人的研究之路並不順利——因為(wei) 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(ge) 研究磕磕碰碰，不盡理想，一直到他博士畢業(ye) 答辯，設備也沒安裝好。2007年畢業(ye) ，他不得不到南京找了一家汽車公司工作。

　　一年後，設備安裝成功的消息傳(chuan) 來，徐磊立即辭職回到中科院金屬所，“我隻有一個(ge) 念頭，是時候繼續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，粉末冶金製備的鈦合金材料性能，能否滿足應用要求，是項目麵臨(lin) 的第一個(ge) 挑戰。

　　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(nei) 完成了母合金、電極、製粉、包套、熱等靜壓、樣品加工、性能測試全過程，並通過反複試驗優(you) 化參數。

　　“這個(ge) 過程中，大家的齊心協力和相互配合至關(guan) 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境苛刻，要求很高，當時全國隻有中科院理化技術研究所低溫中心具有相關(guan) 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。

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

　　測試結果表明，製備的粉末合金性能穩定地高於(yu) 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(ge) 團隊參加項目競爭(zheng) ，但答辯的時候兩(liang) 個(ge) 團隊臨(lin) 時撤出，最終他所在的科研團隊以較紮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，公開文獻上隻見大致輪廓和最終結果，對關(guan) 鍵技術和工藝過程隻字不提，研製難度可想而知。

　　“這個(ge) 項目名義(yi) 上的研究周期是5年，但用戶需要盡快開展一係列試驗，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，氫泵渦輪屬於(yu) 閉合空腔結構，內(nei) 部無法進行機加工，對成形後的尺寸精度要求很高，而粉末致密化時體(ti) 積收縮高達30%，控製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複實驗優(you) 化尺寸，成本極高，且時間上不允許。

　　那時，楊銳正作為(wei) 首席科學家承擔材料計算設計的一個(ge) “973”項目，團隊在材料計算模擬方麵有較好積累。

　　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(you) 化設計和快速逼近理論尺寸起到了至關(guan) 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製周期成為(wei) 可能。

　　徐磊說，渦輪的空腔是靠放置內(nei) 部型芯實現的，若采用硬質型芯，雖然有利於(yu) 高溫成形時控製尺寸，但冷卻時易將部件內(nei) 部結構撐裂。若采用軟質型芯，雖然可避免裂紋，但尺寸控製難上加難。

　　“所謂‘藝高人膽大’，這時候就體(ti) 現出來了。”徐磊說，科研團隊由於(yu) 掌握了計算模擬成形過程的關(guan) 鍵技術，他們(men) 對尺寸控製的能力顯著增強，於(yu) 是便采用了軟質型芯方案，成功解決(jue) 了尺寸精度與(yu) 成形開裂的矛盾。

　　最終，他們(men) 攻克了相關(guan) 核心技術難題。

　　時任國家973計劃顧問專(zhuan) 家組組長周光召院士在聽取了項目進展與(yu) 成果匯報後，認為(wei) 該項目在強化原理性研究基礎上，發揮計算模擬指導作用，攻克了重大技術難關(guan) ，具有示範意義(yi) 。

　　經他親(qin) 自推薦，攻關(guan) 團隊負責人楊銳獲2010年度周光召基金會(hui) 應用科學獎。

　　2016年，長征五號火箭首飛後，2017年4月攻關(guan) 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(ge) 人獎。

　　“這不隻是我們(men) 個(ge) 人努力的結果，背後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(wei) 例，中科院金屬所腐蝕科學與(yu) 技術實力享譽世界。得益於(yu) 這種多學科綜合實力，科研團隊才能很快解決(jue) 這個(ge) 難題，並在董俊華研究員等人的幫助下優(you) 化方案，縮短了核心部件的製造周期。

　　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(nei) 製造出了合格的氫泵渦輪樣件，為(wei) 氫氧發動機研製提供了有力支撐。

　　後來的故事，很多人都知道，中國又一枚大火箭奔向蒼穹，而火箭發射幕後的，包括楊銳在內(nei) 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(ge) 攻關(guan) 。