作者:黄辛 来源:中国科学报 发布时间:2016/8/15 10:44:17
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关键材料力保我国新型火箭成功发射

 

■本报记者 黄辛

7月28日,中国长征七号二级火箭在地球近轨道飞行一个多月后,在美国西北部上空坠入大气层,场面非常震撼,表明我国相关航天技术取得重大突破。此时此景,让中科院上海硅酸盐研究所研究员丁传贤院士研发团队十分激动与自豪。

上海硅酸盐所研制的耐磨涂层及多种材料在我国全新研制的长征七号运载火箭液氧煤油发动机及载荷组合体远征1A上面级、多用途飞船缩比返回舱、遨龙一号空间碎片主动清理飞行器、翱翔之星上获得了成功应用。

据专家介绍,长征七号作为新一代长征系列运载火箭家族中的新成员,其亮点之一是采用了最新研制的新一代航天动力——液氧煤油发动机,标志着我国成为世界上第二个完全掌握液氧煤油高压补燃火箭发动机核心技术的国家。

事实上,该发动机在研制之初,总体单位曾经请北方某单位为密封动环研制了陶瓷涂层,但在随后的3次发动机热试车考核中由于密封失效连续发生了爆炸事故,损失巨大,导致的直接后果是保险公司拒绝为总体单位的该型发动机研制提供保险服务。

为此,该型号总师慕名找到了中国工程院院士丁传贤,希望获得中科院上海硅酸盐研究所在耐磨陶瓷涂层方面的技术支持。上世纪90年代末,上海硅酸盐所向用户单位提供了首批密封动环涂层部件,自此结束了该型发动机点火即爆炸的问题,确保了总体单位后续试车的顺利推进。

液氧煤油发动机中承载高转速、高压力、强氧化苛刻摩擦工况条件下的动密封尤为重要,是该发动机研制的关键技术之一。涡轮泵脱开式端面密封不仅要承受苛刻的摩擦磨损,同时要有效阻止高压液氧泄漏;氧泵的二级密封属于常闭式接触,要求能阻止气氧的泄漏并承受高转速条件下与对偶件材料长时间的摩擦磨损,还要满足数十次的起停考核,以保证发动机的长寿命、高性能和多次使用的特点。此前,国内尚无满足要求的动密封配对摩擦副材料。上海硅酸盐所组织精兵强将,针对液氧煤油发动机泵端面动密封苛刻的服役工况,采用耐磨涂层方案,通过涂层材料导热性能与微结构的设计,突破了力学性能、抗热冲击性能、耐磨性能及制造工艺优化等关键技术,满足涡轮泵和氧泵端面动密封的全部技术要求。据悉,在长征七号运载火箭采用的120吨级和18吨级液氧煤油发动机上,上海硅酸盐所有3种规格共14件涂层密封动环产品获得成功应用。

远征1A及组合体发射任务是我国目前飞行程序最复杂、飞行时间最长、变轨次数最多的发射任务,具有“高集成性、高复杂性、高显示度”的特点。为满足其长寿命的要求,上海硅酸盐所在远征一号上面级热控分系统关键热控材料研究基础之上,进一步为远征1A上面级研制了包括KS-Z无机白漆热控涂层、耐高温隔热屏、多层隔热材料、导电型F46薄膜镀银二次表面镜、铝箔光亮阳极氧化涂层、渗碳黑色聚酰亚胺防静电热控涂层等在内的6种高性能热控材料,承担了远征1A上面级热控分系统90%以上被动热控材料的研制任务,实现了上海硅酸盐所热控材料在推进系统的首次大面积成功应用。

尤其在高、低温多层隔热组件研制过程中,由于工作量巨大,任务时间紧迫,中科院上海硅酸盐研究所研究员于云所在的研究团队常处于北京安装现场—北京设计部门沟通—上海图纸更定—上海组件研制—北京现场实施的反复循环中。尤其到了最后总装出厂阶段,他们经常前一天下午还在上海解决研制中的问题,第二天早上就要在北京现场确定实施方案后立刻返回上海落实修改意见。经过团队的共同努力,半年内完成了114份图纸的制作修订、组件设计与取样、适配修改等工作,最终通过材料防静电性能设计、隔热性能以及材料制造工艺优化等多项关键技术的突破,完成并交付了500余件组件,总面积达到150平方米,为高10余米、直径3米的远征1A披上了舒适合体的外衣,使高大的远征1A在高温区能迅速散热避免发烧,而低温区能长时间保持适合的工作温度,高低温区之间又能避免互相干扰,保证不同温度需求部位都能满足要求。

同时,上海硅酸盐所还承担了多用途飞船缩比返回舱姿控发动机防热包覆、翱翔之星和遨龙一号空间碎片主动清理飞行器低温多层保温材料和散热面KS-Z涂层的研制工作。这些关键材料保证了长征七号运载火箭及其载荷组合体的成功发射与在轨运行。

上海硅酸盐所团队现在想来,从首次提供涂层部件至今已走过了18个年头。正如丁传贤时常告诫年轻科研人员时说起,“我们的涂层材料要走向工程应用,需要有一个过程,只有在特定的工况条件下满足了各方面的应用考核要求,针对特定构件的涂层材料选择和制备工艺才能说走向成熟并适合应用,这个过程少则3~5年,一般7~8年,某些特殊的应用情况,也许是10年、20年,甚至是一辈子,这不仅是对科研人员才识的考验,更是一种毅力和品质的考验”。

是的,这实际上是对上海硅酸盐所当今众多默默无闻科研人员的真实写照,只有摒弃了急功近利的心态和华而不实的虚幻,一步一个脚印,才能掌握技术关键,为重大装备国产化和关键技术本土化作出可靠的技术支撑和保障。

《中国科学报》 (2016-08-15 第5版 创新周刊)
 
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