“胖五”氢泵涡轮诞生记

作者: 沈春蕾 刘言

来源: 中国科学报

发布日期: 2020-05-13 08:33:42

中国科学院金属研究所科研团队成功研制出长征五号B运载火箭的核心部件氢泵涡轮,攻克了钛合金粉末近净成形技术,并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,为氢氧发动机研制提供了有力支撑。

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。

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。

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。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。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。

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。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。

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。

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。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,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。

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。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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