中国大火箭上的氢泵涡轮是如何制造的
核心部件的关键点
零距离

长征5 B运载火箭正离开垂直装配大楼。涂晁海/照片

氢泵涡轮项目的一些科研人员。图片由中国科学院金属研究所提供

氢泵的涡轮机部件。图片由中国科学院金属研究所提供

【/h/】长征5 B首飞任务整流罩正在开箱。涂晁海/照片

【/h/】不久前，中国近地轨道运载能力最大的火箭长征5 B首次成功飞行，举世瞩目。鲜为人知的是，在这枚中国火箭强大的心脏，有一个至关重要的核心部件——氢泵涡轮，这是中国科研团队多年来开发的，并在科研的长凳上写下了另一个解决关键问题的故事。

中国科学院金属研究所钛合金研究部主任、氢泵涡轮项目负责人杨锐接受《中国青年报》采访；中国青年网记者在采访中说，氢泵涡轮的作用是将火箭体内的大量液态氢燃料高速输送到发动机燃烧室，与液氧混合产生推力。如果这个部件有问题，火箭会因为失去动力瞬间坠落，重要性可见一斑。

【/h/】杨锐带领的研究团队攻克了钛合金粉末近净成形技术多年。长征5号系列的胖五从2016年第一次发射开始投入使用，一直沿用至今。

在初始阶段，有些想法缺乏资金

【/h/】2000年至2005年，在国家有关部门的支持下，中国科学院冶金研究所钛合金研究部建成了国内首台钛合金清洁雾化设备。

【/h/】根据原计划，该设备用于开发航空空发动机零部件，但当时这种想法过于超前，国内没有需求和资金支持渠道。杨锐说。因此，他不得不寻求国际合作的财政支持。

【/h/】2006年，杨瑞所在的中国科学院冶金研究所与欧洲研究机构共同申请了中欧空在欧盟第六框架计划下的合作项目钛合金粉末近净成形。虽然合作项目最终未获批准，但学术交流仍在继续。

两年后，杨锐依然清晰地记得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。杨锐是大会四大主席之一，但由于没有及时拿到签证，未能出席。直到会后第三个月他才拿到签证，正好赶上同年5月在美国加州长滩举行的第六届国际热等静压新闻发布会。

【/h/】在这次会议上，关于钛合金粉末热等静压的两篇报道引起了他的注意。这两篇报道是关于为火箭氢氧发动机准备氢泵涡轮的:一篇来自俄罗斯莫斯科化学加工研究所，研究如何提高粉末钛合金的性能；另一个来自日本金属技术公司，模拟粉末的热等静压过程。

听完这两个报道，杨锐的眼睛亮了。这不就是他苦苦寻找了两年的钛合金粉末的应用出口吗？

【/h/】其实在基础研究或者应用基础研究领域，科学家参加学术会议，进行学术交流，发表学术论文，就是人类这些聪明的头脑交流思想，碰撞火花的实践。许多伟大的灵感或科学合作都来自公开的学术讨论。这一次，杨锐赶上了。

条件满足后，人就成了最关键的因素

【/h/】巧合的是，三个月后，长征五号氢氧发动机的氢泵涡轮正式作为配套项目发布。杨锐记得他们提交项目申请的时间是2008年10月31日。

【/h/】当时两个单位研究了一段时间，但是进展并不理想。为了保证氢氧发动机的发展进度，总体单位提出本次研究课题进行公开招标。杨锐说。

【/h/】杨锐准备项目答辩剩下的时间很紧，只有一个多月，科研团队面临的缺点是前期工作没有基础。

【/h/】就像打仗一样，毫无准备，没有把握的投入战斗，是兵家的忌讳。杨锐告诉记者，当时能做的就是紧急召集组员制定对策，立即开始研究，希望在项目答辩前掌握关键数据，支持研究计划。

值得一提的是，正是在这次会议上，杨锐请了一位年轻人带头，他任命了刚获得两年博士学位的徐磊为研究骨干。

科研条件满足后，人就成为最关键的因素。杨锐告诉记者，2002年，在粉末设备建设期间，他聘请博士生徐磊作为后备人才，对钛合金进行清洁粉末冶金研究。

【/h/】当初，这个年轻人的研究之路并不平坦，因为设备缺乏合适的安装场地，而且花了三年多的时间才重新盖好房子，这意味着徐磊在中科院冶金研究所攻读博士期间从未获得合格的粉末。

徐磊告诉记者，整个研究过程坎坷且不尽人意，直到博士毕业答辩，设备才安装好。2007年毕业后，他不得不在南京的一家汽车公司找工作。

一年后，设备安装成功的消息传来，徐磊立即辞职，回到中科院冶金研究所。我只有一个想法，是时候继续做我想做却没做的研究工作了！

艺术家大胆

【/h/】氢泵透平在-253℃的高速下工作，承受巨大负荷。粉末冶金制备的钛合金性能能否满足应用要求是该项目面临的第一个挑战。

【/h/】杨锐告诉记者，在此期间，他和团队成员加班加点，在短时间内完成了母合金、电极、铣削、涂层、热等静压、样品处理和性能测试的全过程，并通过反复试验优化了参数。

在这个过程中，大家一起努力，互相配合，是非常重要的。杨锐表示，研究室副主任刘余音和研究员雷家凤分别安排实施，对确保工作如期完成也起到了重要作用。

【/h/】其中，低温力学性能测试环境苛刻，要求高。当时只有中科院理化所低温中心有相关条件和资质。该中心负责人李来峰已获得金属研究所硕士学位，一接到请求就全力配合加班测试。

这些都有助于我们的团队及时获得绩效数据。杨锐说。

【/h/】测试结果表明，制备的粉末合金性能稳定高于技术要求，团队为良好的开端深受鼓舞。

【/h/】杨锐告诉记者，当时参加项目竞赛的有四个团队，但有两个团队在答辩期间临时退出，最终他的研究团队凭借扎实的工作基础和详细的研究计划胜出。

【/h/】虽然项目中标，但杨锐的团队还是第一次开展了粉末冶金零件的研究。公开文献只看到大纲和最终结果，没有提到关键技术和工艺流程。发展的难度可想而知。

【/h/】本项目名义研究周期为5年，但用户需要尽快进行一系列测试，手头没有可用的测试件，为& lsquo等饭来不及了，交流的时候日程很紧。杨锐说。

据他说，氢泵涡轮属于封闭的空腔结构，内部无法加工，成形后对尺寸精度要求很高。然而，当粉末被致密化时，体积收缩率高达30%，并且控制复杂形状的轮廓尺寸极其困难。这是项目遇到的最大技术障碍。如果通过反复实验完全优化尺寸，成本极高。

【/h/】当时杨瑞正作为首席科学家承担了一个材料计算与设计的973项目，团队在材料计算与模拟方面有很好的积累。

徐磊告诉记者，在开始零件成形试验之前，他和科研团队进行了大量的模拟计算，这对优化导管架的设计和快速接近理论尺寸起到了至关重要的作用，有效减少了必要的实验验证轮次。这也使得开发周期大大缩短成为可能。

徐磊说涡轮的空腔是通过放置内芯实现的。如果使用硬核，虽然有利于高温成形时控制尺寸，但冷却时容易使零件内部结构开裂。如果使用软芯，可以避免裂纹，但尺寸控制更加困难。

所谓& lsquo“文科硕士”大胆，就体现在这个时候。徐磊表示，由于科研团队掌握了计算和模拟成形过程的关键技术，他们控制尺寸的能力显著增强，因此采用了软芯方案，成功解决了尺寸精度和成形开裂之间的矛盾。

最后，他们解决了相关的核心技术问题。

时任国家973计划顾问专家组组长的周院士在听取了项目进展和成果汇报后，认为该项目在加强理论研究的基础上，起到了计算和模拟的指导作用，克服了重大技术难点，具有示范意义。

【/h/】经个人推荐，课题组负责人杨锐获得2010年周基金会应用科学奖。

【/h/】2016年长征五号火箭首飞后，研究团队于2017年4月获得五部委长征五号运载火箭首飞杰出贡献奖，徐磊获得长征五号运载火箭首飞杰出贡献奖。

这不仅是我们个人努力的结果，背后几代人的积累也是不可或缺的。杨锐说，他以汽轮机脱芯的选择性腐蚀技术为例，中国科学院金属研究所在腐蚀科学技术方面享有世界声誉。得益于这种多学科的综合实力，研究团队可以快速解决这个问题，在董俊华研究员等人的帮助下优化方案，缩短核心部件的制造周期。

【/h/】在克服这些核心技术难题的基础上，杨锐带领团队在一年半时间内制造出合格的氢泵涡轮样品，为氢氧发动机的发展提供了有力支持。

【/h/】后来的故事，很多人都知道，中国又一枚大火箭直冲云霄，基础研究和应用基础研究的研究人员，包括火箭发射背后的杨锐，坐回到板凳上，开始下一步的研究。

中国青年报& middot中青网记者邱来源:中国青年报