网站首页 > 资讯频道 > 正文阅读
2027年前后，新一代载人运载火箭将具备把中国人送上月球的能力；未来，我国的新一代载人运载火箭将承担起火星探测、木星探测、小行星探测等任务……
2022年12月13日，带着憧憬，记者走进中国航天科技集团六院。在这里，记者获悉：2022年10月，我国新一代载人运载火箭二级液氧煤油发动机累计完成3次650S研制试车，为推动中国航天实现载人登月计划迈出了一大步。这3次650S研制试车成功最核心的技术支持，便是来自西安航天发动机有限公司（以下简称西发公司）全新研制的大尺寸钛合金喷管。
看似简单的锥形结构钛合金喷管，科研人员却用了5年时间才将它从图纸变为现实。5年来，西发公司不断攻克技术难题，最终突破了大尺寸钛合金喷管全部关键制造技术，为中国航天事业发展作出贡献。
从零开始，破解大尺寸钛合金喷管制造难题
记者在西发公司5车间看到，技术人员正在仔细测量直径2米多的钛合金喷管。液氧煤油发动机型号总工艺师张和平告诉记者：“我们研发的新一代载人运载火箭二级发动机直径达到2米多，在未来将执行载人登月任务。为了降低发动机重量，提高火箭有效运载能力，我们于2017年启动研发大尺寸钛合金喷管。相比于不锈钢喷管方案，发动机推力室喷管选用钛合金材料，重量可减轻约25％。”
我国现役主动力液体火箭发动机再生冷却喷管均选用不锈钢材料，国内尚无大尺寸钛合金喷管研制生产经验。工艺处型号主管胥栋衡告诉记者：“自研制任务立项以来，科研团队遇到了钛合金喷管内外壁成型难、钛合金薄壁铣槽加工难、钛合金喷管中间层制备难、钛合金喷管钎焊难等一系列技术难题。”这些难题一遍遍考验着科研人员，而科研团队只能“从零开始”研究。
钛合金喷管具有尺寸大、曲面不规则等特点，且钛合金屈强比高，比钢材轻，使用传统工艺加工后容易破裂，很难在常温下成型。要得到型面精密贴合的喷管内、外壁难度极大，考验着西发公司3车间钣金成形攻关团队。科研人员崔珊珊说：“2017年，我们一直停留在论证探索阶段，研究工艺方案的可行性。2018年我们开始零件试制，逐步确定工艺参数。为保证内、外壁钎焊时的型面尺寸一致，必须采用同步成形的方案，完成零件型面加工。我们遇到的工艺控制难点是热成形与整体热校形。”攻关团队充分调研外部资源，深入分析试验结果，最后总结出了最佳的制造工艺，解决了大尺寸钛合金喷管内外壁成型难题。然而，破解钛合金喷管成形难题，只是攻克任务的开始。之后，科研人员又开始攻克钛合金“铣槽”加工难题。
火箭发动机喷管内壁的外表面分布着数千条槽深均匀的燃料通道。航天人把加工燃料通道的加工过程称为“铣槽”。由于钛合金喷管存在材料切削加工性差、结构尺寸超出现有设备的能力、型面不规范等难点，钛合金薄壁大喷管“铣槽”技术在我国尚属空白。
科研人员李红丽带队钛合金喷管“铣槽”课题组，首先遇到的难题就是工件太大、工装太重、机床无法承载。课题组与工装设计成员齐心协力给工装瘦身之后，又遇到钛合金的切削难等问题。李红丽回忆说：“当第一台钛合金内壁交来‘铣槽’时，工件与工装之间贴合的间隙达到数毫米，严重不贴胎。原本一对铣刀在不锈钢产品上可以‘铣槽’50多条，但钛合金喷管铣一条槽就得报废10多对刀，这让我们最头痛。没有可借鉴的技术，‘铣槽’质量更无从谈起。”
为解决难题，李红丽查阅了大量资料，从钛合金材料性能开始研究，又与多家刀具厂联合研制多种刀具，进行了大量的铣削试验以摸索切削参数。面对首件产品带来的新困难，技术人员集思广益研制新的刀具、摸索新的切削参数，操作工王宝恒累到生病仍在配合研发。课题组成员拧成一股绳，针对不同的切削状况，优化刀具及切削方案。当第十种刀具能够完整铣一条槽、两条槽、数十条槽时，大家终于松了一口气。
经过长达3年的攻关，钛合金大型薄壁件“铣槽”技术取得重大突破，获得多项国家发明专利，也为实现钛合金喷管钎焊奠定了技术基础。
填补空白，攻克钛合金钎焊技术
研制任务立项之初，大尺寸钛合金喷管涉及铜—钢—钛3种金属的连接。钛合金无法通过熔焊方法直接与铜合金、不锈钢实现连接，而钛—铜、钛—钢、钛—钛的钎焊技术是制造液氧煤油发动机的最关键一步。
西发公司14车间科研人员权琳琳说：“在产品钎焊过程中，我们要找像‘胶水’一样的中间层，相当于钎料。把它们均匀镀在钛合金喷管零件上，才能把多种金属钎焊在一起。钎焊中间层是不可或缺的，且中间层的质量直接影响着产品的钎焊质量。钎焊中间层制备技术的研究始于2017年初，当时国内、国外还没有大尺寸薄壁钛合金电镀成功的报道，想要制备出质量合格的中间层难度非常大。”
面对行业性难题和技术壁垒，车间技术工人迎难而上，积极组织开展钛合金喷管钎焊中间层制备的工艺攻关。在攻关过程中，由于能够查阅的文献较少，研发人员只能通过一遍遍试验摸索配方和参数。
新配溶液，摸索参数，再改进溶液配方……这样的循环不知道经历了多少次，他们依然未能获得理想的溶液配方。
车间组织开展多种技术同时论证。“喷涂的涂层不致密、电镀镀覆层无法实现”“这么大的尺寸、这么厚的镀层，真空镀覆怎么实现”……“像这样的讨论与争执，那个时候每天都能听到。”权琳琳说，大家坚信失败只是暂时的，终有拨云见日之时。最终，在2022年3月，科研人员共突破3项关键技术，终于研制出质量合格的钎焊中间层，掌握了国内首个大尺寸、薄壁钛合金电镀铜核心技术，为钎焊作好充足准备。
西发公司5车间推力室研制团队责任人吴振中查阅了大量国内外文献资料，了解到大尺寸钛合金喷管钎焊研制极为困难。“首先是钛合金材料在高温下性能变化较大、钎焊后较难成型，其次是钛合金、铜合金、不锈钢的材料特性差异较大，较难实现钎焊连接。”吴振中说。
“团队从2017年开始攻关课题，直到2021年才突破钛合金喷管中间层制备及钎焊难题。那时已逼近发动机总体研制节点，时间紧、任务重。”吴振中回忆道。为了赶进度，研制团队在半年时间内完成了百余次钎焊试验，快速分析、快速迭代，以获得最优方案。
吴振中告诉记者：“在研发过程中，我们成功完成了多台模拟件钎焊，但在正式产品生产时，连续两台产品钎焊质量未能达到要求，造成研制进度受阻。那时离交付产品的时间不到1个月。”
面对国家重大任务的迫切需要，西发公司研制团队开展发生问题再分析、专业技术再研究、确定方案再验证工作。研制队伍静下心来重新思考“来时的路”，创新性地提出“在保证结构强度的前提下避开接头不成型区间”，采用此方案在短时间内完成了2件模拟件试验，试验件接头成型、结构强度满足要求。在仅剩下1件钛合金喷管产品的情况下，研制团队对提出的方案编制了专题评审报告，组织专家对产品工艺方案“号脉”。最终，科研人员采用新方案钎焊的钛合金喷管成型良好，结构强度满足使用要求，研制团队快马加鞭完成推力室生产，并交付试车考核。
雄关漫道真如铁，而今迈步从头越。在追求真理的科学精神指引下，在全体科研人员的共同努力下，科研人员完全掌握了大尺寸钛合金喷管全部关键制造技术，使我国成为继俄罗斯之后掌握此技术的第二个国家，为我国进一步开展深空探测提供了强大技术支持。杜玮
