去不掉的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)“銹疾”

亟待攻克的核心技術(shù)

“不銹鋼能不能不生銹?”這個(gè)有點(diǎn)黑色幽默的問(wèn)題，幾乎讓中國(guó)航天科技集團(tuán)六院發(fā)動(dòng)機(jī)專家、長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭副總設(shè)計(jì)師陳建華落下心病。

在我國(guó)120噸級(jí)液氧煤油補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)YF-100的研制過(guò)程中，陳建華注意到好幾種高強(qiáng)度不銹鋼都容易生銹。從2011年開(kāi)始，他跟老朋友，鋼鐵研究總院特殊鋼研究所副所長(zhǎng)蘇杰無(wú)數(shù)次溝通，雙方壓力都很大。

5月21日5時(shí)28分，中國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征四號(hào)丙運(yùn)載火箭，成功將探月工程嫦娥四號(hào)任務(wù)鵲橋號(hào)中繼星發(fā)射升空。圖為發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)。中新社發(fā) 梁珂巖 攝

如今，長(zhǎng)征六號(hào)、七號(hào)、五號(hào)火箭相繼首飛了，陳建華仍沒(méi)有得到完全讓人信服的答案。

強(qiáng)度和防銹性能是對(duì)矛盾體

用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的鋼材需具備多種特性，其中高強(qiáng)度是必須滿足的重要指標(biāo)。蘇杰向科技日?qǐng)?bào)記者介紹，過(guò)去我國(guó)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上采用的奧氏體不銹鋼，屈服強(qiáng)度約為300兆帕，而新一代運(yùn)載火箭所用材料，強(qiáng)度是其2到4倍。

然而，不銹鋼的強(qiáng)度和防銹性能，卻是魚(yú)和熊掌般難以兼得的矛盾體。

“需要明確一個(gè)概念，不銹鋼是會(huì)生銹的。”蘇杰說(shuō)，“簡(jiǎn)單來(lái)講，鋼材的耐蝕性主要依靠合金元素‘鉻’的含量，但如果該元素加得太高，強(qiáng)度就上不去。因此高強(qiáng)度的材料，防銹能力一定會(huì)較差。”

北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授李靜媛補(bǔ)充說(shuō)，提高不銹鋼強(qiáng)度常用的方法是析出強(qiáng)化。在熱處理工藝中，鋼材料內(nèi)部會(huì)析出一些微粒，彌散分布于基體中導(dǎo)致硬化。“但是，微粒析出的位置會(huì)出現(xiàn)缺陷，缺陷處合金元素減少、組織結(jié)構(gòu)出現(xiàn)差異，破壞了金屬材料的均勻性，就容易發(fā)生腐蝕，也就是通常所說(shuō)的‘生銹’。”她表示。

陳建華表示，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)材料如果只是有點(diǎn)浮銹問(wèn)題不大，但如果嚴(yán)重生銹，可能帶來(lái)很大影響。

假設(shè)閥門(mén)的閥芯生銹，會(huì)使閥門(mén)在開(kāi)合過(guò)程中遇到阻力，導(dǎo)致反應(yīng)速度出問(wèn)題。如果銹得厲害，還可能發(fā)生泄漏。要是管道生銹，銹塊隨著燃料流動(dòng)，可能引起堵塞。

世界難題：國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)材料也生銹

生銹問(wèn)題帶來(lái)的苦惱，陳建華深有體會(huì)。“為了防銹，我們規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)見(jiàn)水不能超過(guò)幾小時(shí)。可發(fā)動(dòng)機(jī)沾水在所難免。例如做水力試驗(yàn)，每次做完得趕緊把發(fā)動(dòng)機(jī)拉回廠里，放進(jìn)爐子烘干。”他說(shuō)，“長(zhǎng)征五號(hào)火箭只能在海南文昌發(fā)射，暴露在潮濕環(huán)境下多久會(huì)生銹?我只關(guān)心這個(gè)。”

他有一塊國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)材料，放在倉(cāng)庫(kù)多年依舊光亮。

蘇杰坦陳，我國(guó)在新材料研發(fā)方面與發(fā)達(dá)國(guó)家還有差距，目前主要處于仿制階段。現(xiàn)在我國(guó)航天材料大多用的是國(guó)外上世紀(jì)六七十年代用的材料，只是如今工藝技術(shù)更先進(jìn)，生產(chǎn)的同樣材料性能更好。

李靜媛對(duì)此頗為憂慮：如果遇到高端產(chǎn)品，國(guó)外不公開(kāi)材料成分、工藝，我們難免會(huì)被“卡住脖子”。

同時(shí)她認(rèn)為，我國(guó)擁有一流的設(shè)備，但管理水平與國(guó)外存在差距。例如發(fā)達(dá)國(guó)家在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，如果純度不達(dá)標(biāo)，便重新回爐，但國(guó)內(nèi)廠家往往缺乏這種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。

不過(guò)蘇杰說(shuō)，陳建華那塊國(guó)外材料后來(lái)被拿到海南，與國(guó)產(chǎn)材料做對(duì)比，結(jié)果兩者同時(shí)生銹。“完全依靠材料自身實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和防銹性能兼?zhèn)洌@是世界性難題。”蘇杰表示。

魚(yú)和熊掌兼得需借助外援

李靜媛認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)魚(yú)和熊掌兼得，可以進(jìn)行更為科學(xué)的成分設(shè)計(jì)，例如加入抗蝕性元素、強(qiáng)化元素等，并對(duì)各元素的加入量進(jìn)行科學(xué)配比。

但蘇杰認(rèn)為，這是理論性的方向，正確但不適用。“對(duì)于航天動(dòng)力這樣高強(qiáng)度級(jí)別的材料，我們已經(jīng)盡可能優(yōu)化，兼顧了耐蝕性。”他說(shuō)，“耐蝕性更好的材料有很多，但我們的核心不在于保證不生銹，而是強(qiáng)度、韌性等多方面性能的匹配。”

其實(shí)航天材料防銹并非不能實(shí)現(xiàn)，只是需要借助“外援”。蘇杰說(shuō)，通過(guò)材料和工藝配合，一方面利用材料自身防銹能力，一方面采用表面涂層處理或往材料內(nèi)腔注入干燥空氣、氮?dú)獾容o助手段，已經(jīng)解決了生銹問(wèn)題。

陳建華表示，六院也針對(duì)生銹問(wèn)題專門(mén)開(kāi)展了試片研究，并對(duì)產(chǎn)品適應(yīng)性進(jìn)行了充分考核驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)貯存5年的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行多次考核，發(fā)現(xiàn)其工作狀況良好。

但他仍沒(méi)有完全放心。陳建華說(shuō)，對(duì)于我國(guó)正在發(fā)展的可重復(fù)使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，使用時(shí)間更長(zhǎng)，其內(nèi)部要反復(fù)經(jīng)受煤油浸泡，又不能拆開(kāi)處理，對(duì)防銹能力的考驗(yàn)會(huì)更嚴(yán)峻。又如我國(guó)新一代運(yùn)載火箭，現(xiàn)在是無(wú)人發(fā)射，將來(lái)要是載人，安全可靠性要求更高。生銹問(wèn)題到底有沒(méi)有影響?這些問(wèn)題必須搞清楚。

關(guān)鍵詞： 蘇杰 陳建華