长征五号火箭发动机研制背后：300人曾在厂里住了3个月

作者：新华网

发布时间：2022-07-29 09:57

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“胖五”发动机研制：突破“卡脖子” 不怕失败

发射问天实验舱的长征五号B运载火箭，主要承担我国空间站舱段的发射任务，它也是我国近地轨道运载能力最大的运载火箭。它强大的动力来源就是发动机，发动机是火箭的“心脏”，是火箭技术含量最高、难度最大的部件之一。长五运载火箭采用液氢液氧以及液氧煤油作为燃料，这是当今世界航天发射的主流技术，也是一个国家成为航天强国的标志之一。

航天科技集团六院西发公司型号系列总工艺师 张和平：这就是长征五号用的发动机，长征五号一共用了八台120吨液氧煤油发动机。这个上面有许多新材料，典型的就是说在燃烧部分用的是高温合金。

高温合金被称为“先进发动机基石”。火箭发动机点火后，最高温度达到3000℃，在这样的高温高压富氧环境下，普通材料瞬间就会被烧成一堆废渣，在实施综合降温措施后，高温合金却依然能够保持稳定。2000年，国家正式立项，液氧煤油发动机进入工程研制，首先要解决的就是研发高温合金。负责技术的主管单位从事材料研发应用有几十年的经验，信心满满，然而他们研发的叶盘刚上试车台几秒钟，大家就傻眼了。

中国钢研科技集团高纳公司科技委副主任 赵光普：最早试车的时候，因为对工艺参数也不掌握，我们也心里没底，所以试的时候只要工艺参数稍不对一些，那材料两三秒钟就像天女散花一样就没了。

中国钢研科技集团特殊钢研究院副所长 苏杰：我们曾经遇到过同样的原材料、同样的炉子，前后炼了两炉，有一炉合格，有一炉就不合格，所以可见它的工艺窗口确实很窄。

突如其来的失败让大家高涨的热情瞬间降到冰点，国外专家甚至说，即使中国人能把液氧煤油发动机设计出来，也无法制造出来。国外专家的话并非没有道理，作为主任设计师的葛李虎跟同事估算，发动机需要的新材料达30多种。

没有基础，就下定决心从头开始。跟火箭发动机打了一辈子交道的葛李虎是个有心人，这一本本有些发旧的记录本，记录了葛李虎30多年间在火箭发动机研制过程中遇到的所有问题，这120个记录本，也成为解决问题的一把钥匙。

时任航天科技集团六院十一所液氧煤油发动机主任设计师 葛李虎：这件事情怎么讨论的，这个是谁怎么发言的，最后怎么解决的，工厂有什么问题，不要设计员去到工厂去处理，你说一个意见，我说行，你说不行，这样子的话叫作矛盾，你知道吗？

中国钢研科技集团高纳公司科技委副主任 赵光普：大伙都叫他（葛李虎）拼命三郎，深更半夜给我们打电话，礼拜六礼拜天打电话，这种全身心地投到航天里边的精神特别感染我们。

在葛李虎的感染下，研制团队重燃斗志，踏上了新的攻关之路。高温合金是以铁、镍、钴为基础，加入大量其他合金冶炼而成。研制团队专门做了燃烧着火的装置，通过不断调整配方的化学成分，在两年中做了上百次试验，从起初的小炉研制，到逐步扩大试生产，终于研制出了抗高温高压的高温合金。

没有从国外进口一克原料，我国研制的高温合金性能水平超越了国外同等类型合金，现在这种合金已经分别应用于航空发动机、液氧煤油发动机、液氢液氧发动机等国家重大工程项目。通过液氧煤油发动机研制，还牵引了高强度不锈钢等50多项新材料的创新，填补了我国这些材料研究的空白。

揭秘“胖五”发动机研制：每一步都无比艰难

对于发动机来说，攻克了材料的难关，只是万里长征走完了第一步。接下来每一步都无比艰难，这是一次发动机试车的画面，刚研制完成的发动机，在试车台上一点火就爆炸了。在液氧煤油发动机研制的初期，包括这样的爆炸，失败接连发生了四次。

2001年，对于液氧煤油发动机的研制团队来说是最艰难的一年。这一年，进行了四次整机试车，均未成功，其中还连续两次发生了爆炸，这在中国航天的历史上也是绝无仅有的。

时任航天科技集团六院十一所液氧煤油发动机主任设计师 葛李虎：零点几秒全部炸完，炸完了以后，连一个中间的零件“尸首”都找不到，不知道到哪里去了。没了，烧完了，所以对我们试验的分析工作带来了很大的困难。因为你找到“尸首”以后，看看哪个摩（擦）痕（迹），哪个地方碰的，哪个地方撞的，这是可以分析出来。连“尸首”都找不着了，你分析啥。

接二连三的失败，对研制团队来说，无异于一次次的沉重打击，一次试车成本上千万元，更重要的是试车不成功，新一代运载火箭的研制就无从谈起。面对心灰意冷的团队，压力最大的主任设计师葛李虎给大家打气鼓劲。

时任航天科技集团六院十一所液氧煤油发动机主任设计师 葛李虎：失败是肯定会失败的，百分之一百的失败，没有失败，不可能有一个新型号。

问题暴露了，但要找到解决问题的关键却谈何容易，面对成百上千的零部件，怎样才能使发动机平稳顺利地起动呢？研制团队重整旗鼓，从爆炸碎片中分析故障原因。一个阀门问题的试验，他们连续做了100多次，白天做试验，晚上就分析数据、装配产品，最长的一次，300人在厂里住了整整3个月。经过近一年的探索，终于看到了希望的曙光。

航天科技集团六院液氧煤油发动机副总设计师 陈建华：发动机在2002年一次试车中，试车时间仅仅只有5秒钟，很快就过去了，当时我就在现场。那么这一次试车的成功就标志着我们国家对于液氧煤油发动机起动技术的掌握，现在回忆起来还是记忆犹新。

2006年，液氧煤油发动机进行了600秒长程试车，取得成功。2016年，液氧煤油发动机在长征五号首飞任务中获得成功。接下来，它还在我国首次火星探测任务、嫦娥五号、空间站天和核心舱的发射中发挥着重要作用，每次动力系统的表现都非常完美。

航天科技集团六院副院长 马双民：通过发动机的研制，也完全掌握了高压液氧煤油发动机的全套的技术，研制出了我们具有完全自主知识产权的大型火箭发动机，支撑了我们运载火箭动力的更新换代。

来源：央视网

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助力中国航天，“胖五”成功发射

作者：科技新视讯

发布时间：2022-08-03 13:49

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前不久，搭载着问天实验舱的长征五号B遥三运载火箭发射升空。发射取得圆满成功。承担此次发射任务的长征五号B遥三运载火箭昵称“胖五”，准时准点把问天实验舱送入预定轨道。此次发射彰显“天津力量”和滨海制造，助力中国航天。

这样的“大个子”使问天成为全世界现役在轨最重的单舱主动飞行器，对中国航天实力是极大的考验。问天实验舱包含了哪些设备设施？它的成功发射的背后，又藏了哪些黑科技？

新房上线，欢迎入住

完成对接后，中国空间站将更加温馨舒适，“床位”数增加到6个。后续神舟十五号载人飞船发射后，神舟十四号、神舟十五号两个乘组、6名航天员将实现“太空会师”，空间站“满客”运行。

能源供应，充分保障

问天实验舱配备了一对双自由度柔性太阳帆板，全部展开后的翼展超过55米，比半个足球场还要长。每个太阳帆板展开面积约110平方米，差不多相当于一套三室一厅房子的面积。这也刷新了我国航天器在轨使用太阳帆板的纪录。

组合手臂，操作精细

问天实验舱将在气闸舱外携带一套5米长的“小臂”。这套7自由度的机械臂小巧、精度高，“小手”方便抓中小型设备，做更为精细的操作。

唯美大片，畅所欲拍

在问天实验舱的舱外，还设置了2台云台灯、4台高清摄像机，能够一边打光追光、一边拍摄录制。通过它们，航天员出舱活动时，地面测控人员可以更清楚地看到、时刻关注到，从而为他们提供更及时的安全保障。另外，它们还能在太空中拍摄许多“壁纸大片”“唯美视频”，将美轮美奂的地球和外太空呈现在世人面前。

而最近让人惊喜的不仅只有天问，还有我们的长安UNI-K iDD。7月29日，它顺利完成了1秒钟跨越100℃的挑战赛，以及冲坡测试、极温极速和低电量跑高速等挑战。究其原因，也是因为其身上搭载的众多黑科技。

UNI-K iDD采用的是蓝鲸NE1.5T混动专用发动机和蓝鲸三离合电驱变速器，最高传递效率达到97%，系统综合扭矩最大可达590N·m。百公里加速时间8.1s，最高车速轻松突破200km/h。性能优异，并且因为发动机和六挡变速器的存在，再加上匹配大容量电池，即使在低电量下也能为电机提供充足的功率输出，实现高温低温以及车辆在满电和匮电的状态下动力均能保持一致性。

针对低温环境下，电池性能衰减幅度大，为解决极低温下混合动力车辆起动困难和性能受限的难题，蓝鲸iDD混动系统开发了电池预约加热和电池自动保温技术。该技术根据外部环境温度与电池温度的反馈，自动识别唤醒车辆进行电池的定时加热，避免用车时刻的电池温度处于极低状态，保证了在全温域均具有极强适应性。

蓝鲸iDD于UNI-K iDD上正式实现搭载落地，其全域化表现，让动力与续航实现兼顾。面对如此严酷的考验，长安UNI-K iDD也是向我们展示了它的真功夫，相信这样满身黑科技加持的车型也会让消费者更加放心。

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又一好消息！第四枚“胖五”发动机试验完成，罕见一级半入轨实力

作者：苍穹长剑

发布时间：2020-01-21 18:34

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据央视新闻网1月19日报道，在19日下午，我国航天界又传来一个好消息，第四枚“胖五”发动机，即长征五号遥四火箭大推力氢氧发动机顺利完成最后一项试验，该试验的结束意味着发动机已经可以总装出厂，且达到了预期的目标，如果无意外，将进入火箭总装阶段。

对于此次试验，我国官方指出，它是一次校准试车，对于这个名词，想必有许多人都是丈二和尚摸不着头脑，校准试车的定义是火箭发动机在实装火箭上之前，会经过一到两次的测验过程，如果该过程完美通过，那么火箭发动机将进入到实装阶段。

在此次测试中，我国长征五号运载火箭总设计师王维彬指出，他们发现该发动机在火箭上工作一次大概得要500秒，如今试车是100秒，试车试验的价值是将相关的参数都拿到，但又不会过分的牺牲发动机的寿命，如果真的有问题，他们早就测试出来了，因此，才会采用较短时间试车，来排除部分或许仍然残余的疑难杂症。

作为第四枚“胖五”发动机，长征五号遥四火箭大推力氢氧发动机是极为特殊的存在，因为它所采用的是液氢液氧的超低温燃料，这种燃料具有帮助火箭完成罕见的一级半入轨的实力，是一种极其难以研发完成的航天燃料，如今我国突破了这一技术，可以说是一件十分振奋人心的事了。

那么接下来，总装后的发动机将会何去何从呢？根据推测，发动机在通过大考后，将装载在长征五号遥四火箭上，随后在7月执行火星探测任务，发射火星探测器。火箭、探测器等工程都将由航天科技集团进行总研制，可见这枚发动机的任务十分艰巨！

当然，我们也要感谢王维彬设计师以及其手下的数个团队，他们为了能够完善大推力氢氧发动机的具体功能，将要开展24次实验任务，其中有12次是长程试验，有12次是准备上天飞行用的短程100秒矫正实验，这些实验跨度不一，但值得注意的是，不论是花费时间还是精力，都是巨大的。

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今晨，航天科技六院490牛发动机接续胖五动力创在轨工作新纪录

作者：中国航天科技集团六院

发布时间：2020-01-04 16:07

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航天科技集团六院801所研制的490牛发动机

接续“胖五”动力棒

创新纪录

圆满完成我国首颗东五平台实践二十号卫星

变轨飞行任务

“关机指令发出，发动机关机，卫星工况正常，第七次变轨控制圆满成功！”

2020年1月4日凌晨三点许，随着西安卫星测控中心指挥大厅这一口令发出，标志着航天科技集团六院801所研制的490牛发动机不负众望，接续长征五号遥三火箭的动力棒，圆满完成了我国首颗东五平台实践二十号卫星变轨飞行任务，累计工作达到20898秒，大幅刷新490牛发动机在轨累计工作最长记录，赢得型号两总和各级领导的高度认可。

这是我国490牛发动机第84次飞行，成功率100%。

围绕起飞重量达八吨的东五平台卫星，对490牛发动机的拓展应用提出了在轨寿命提高50%的长寿命要求，航天科技集团六院801所研发团队坚守航天报国初心，科学高效地开展了大量深入分析、延寿试验验证、测试数据比对和交付产品质量保证等工作，始终不渝地为国际领先的东五平台研制性能稳定质量可靠的金牌发动机。

本次变轨任务的圆满成功，开创了我国490牛发动机长时间在轨工作的新历史，书写了高可靠持续推进的新篇章，为早日实现我国490牛发动机双百目标（100次发射和100%成功）迈出了最为关键和最为坚实的一步。

▲2019年12月31日晚，在西安卫星测控中心指挥控制大厅，科技人员正在对实践二十号卫星实施第四次变轨控制。（母家亮 摄）

▲2019年1月2日央视新闻报道画面。

实践二十号卫星于2019年12月27日20时45分在海南文昌发射场由长征五号遥三运载火箭成功发射。该卫星是采用东方红五号卫星公用平台研制的新技术试验验证卫星，也是目前我国地球同步轨道发射重量最重、技术含量最高的卫星，将进行多系统数十项新技术在轨验证。东五平台是我国下一代大型地球同步轨道卫星平台，技术指标国际领先，将实现中国航天在国际上从比肩到领跑的角色转换。

刘昌国/文

图片来源网络

张平/编辑

张美书 /审核

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投稿邮箱：httjnews@sina.com

主办：航天六院企业文化部

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第四枚“胖五”发动机试验完成！将用于火星探测

作者：新华网

发布时间：2020-01-19 21:02

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今天（19日）下午，长征五号遥四火箭大推力氢氧发动机顺利完成了总装出厂前的最后一项试验，标志着这台发动机性能达到预定要求，即将转入火箭总装阶段。

使命重大 将用于我国首次火星探测任务

此次试车的标准说法是校准试车，那么什么是校准试车？对于火箭发动机来说，这一步有什么重要意义，又对后续任务有怎样的影响呢？

长征五号运载火箭此前已经进行过三次发射，此次试车的氢氧发动机将使用在长征五号的第四次发射任务中，即我国首次火星探测任务。

我们在火箭上搭载的发动机并不是全新的产品，而是需要先经历一到两次的“校准试车”，来提前验证它的可靠性。而发动机又是一个消耗品，因此，这个校准试车的时长选择就颇为重要。

航天科技集团六院 长征五号运载火箭副总设计师 王维彬：我们发动机在火箭上工作一次大概是500秒，现在试车是100秒，把有关的参数都拿到，但是又不过多去牺牲发动机的寿命。如果它确实有些问题，早期也能暴露，就是定的这么一个短程的试车（时长）。

除了真正要进入太空的这一台发动机要进行100秒的短程试车外，研制团队还会抽检同一批次的其他发动机，进行500秒以上的长时间试车，从侧面验证它的性能和指标。

由于今年长征五号将迎来多次重要的发射任务，因此，发动机的研制团队也将经历不同寻常的考验。

航天科技集团六院 长征五号大推力氢氧发动机试验指挥 王树光：我们今年有24次试验任务，其中有12次是验证可靠性的长程试验，有12次是准备上天飞行用的短程100秒的校准试验。从17年开始，我们这三年的试验次数的话是以往大概10年的一个总和。

大推力氢氧发动机站上全新起跑线

大推力氢氧发动机，对于长征五号来说是一个特别的存在。正是由于它所使用的液氢液氧超低温燃料，给长五带来了一个特别的名字，叫做“冰箭”。但同样，因为它的研制难度最大，如今，随着长征五号遥三任务的圆满成功，大推力氢氧发动机也站在了全新的起跑线上。

在北京航天试验技术研究所，有一座新建的试车台，很快就将投入使用。据了解，它是针对在长征五号遥二任务中出现故障的“氧涡轮泵”而建造的。

航天科技集团六院长征五号运载火箭副总设计师 王维彬：遥二故障暴露我们一个组件叫氧涡轮泵，后来做了一些改进，但它试车的子样相当于偏少。就相当于其他大部队组件都试了4万秒5万秒，它改进了之后只试车了几千秒，所以要单独给它吃小灶，让它尽快补上来。

专门为一个组件建造一个试车台，足以体现大推力氢氧发动机的重要价值。由于氢燃烧只产生水，氢氧发动机可以说是最环保的绿色推进装置。同时它的性能和效率也是最高的，燃烧后释放出来的能量更大。

王维彬：通俗的讲，就是咱们开车，如果咱们都是按质量来算，比如你加一箱油，比如说五十公斤能开500公里，你加了液氢可能能开1000公里以上。

这样巨大的优势，也带来了长征五号十多年的艰难攻关。如今，我国已经研制成功了三个型号的氢氧发动机。从推力较小的4.5吨级，到长三甲系列搭载的8吨左右，再到长征五号上真空推力已经达到了70吨。现在，更大推力、更加可靠的大推力氢氧发动机的研制也已经启程。

王维彬：正在预先研究大概是现有推力的三倍左右的大推力氢氧发动机，现在工作都是在积极推进，并取得了一些成果。一个是性能要高，还有一个叫可靠性要高，因为将来是因为规模越大了，发射载荷意义更重大，不能有任何的闪失。

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研制“胖五”心脏内这个不起眼的零件，科学家竟花费了12年

作者：中科院格致论道讲坛

发布时间：2021-02-03 11:00

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长征五号B型运载火箭是我国目前近地轨道推力最大的运载火箭，氢泵叶轮是火箭液氢液氧发动机的核心关键部件，研发难度极大，不仅因为它的工作环境苛刻，还因为它的铸造强度比较低。使用粉末冶金成形的工艺方法，更加节省材料，可以承担较高的转速，并且更为可靠。什么是粉末冶金成形？粉末叶轮怎么做？他们如何助力长征五号首飞？

出品：格致论道讲坛

以下内容为中科院金属研究所研究员徐磊演讲实录：

我今天给大家分享的主题是“氢泵叶轮攻关记”。

这张照片我们一定不太陌生，这是我国目前近地轨道推力最大的运载火箭：长征五号B型运载火箭。

在火箭液氢液氧发动机的心脏部位，有一个至关重要的核心部件，就是图片中画红框的位置。

为了这个核心关键部件，我和我的团队用了大概12年的时间，才把它研制成功，这个零件就叫“氢泵叶轮”。

我们首先看一下氢泵叶轮的工作环境和工作地点。

左图是它工作在液氢液氧发动机的氢涡轮泵中，红圈的部位就是氢泵叶轮的工作地点。

右图是我们现在做的给长征五号配套的XX-77和XX-75D的氢泵叶轮。

它看起来不是那么大，怎么研制起来难度这么大，用了十几年的时间？

我们先要看一下它的工作环境。

氢泵叶轮工作在氢涡轮泵中，也就是液氢的环境中，是零下253度。

它的作用是将火箭体内大量低温低压的液态氢气高速输送到燃烧室中，与燃烧室中的液态氧气爆炸混合，对火箭产生推力。

如果想在短时间内将液态氢气输送到燃烧室中，叶轮的转速达到每分钟35000转。

在如此高的转速下，它的轮缘线速度达到每秒430米，这是什么概念呢？

声音的速度是每秒340米，它比声音的速度还要快。

为了更形象地介绍氢泵叶轮的工作环境到底有多么苛刻，我举一个例子。

2012年，我针对这个问题，向当时长征五号火箭的副总师王维彬请教。王总告诉我，液氢经过氢泵叶轮加压以后，泵后压力达到16.5兆帕。

这就意味着氢泵叶轮要在短时间内将液氢输送到两万多米的高空，也就相当于三个珠穆朗玛峰的高度。

这么严苛的使用环境，除了要求材料在低温下有很好的强度外，还要保证它能够平稳稳定地运转。

这就和汽车动平衡比较类似，如果汽车车轮动平衡不好，会带来几个问题：第一，方向盘抖动；第二，车轮抖动；第三，轮胎异响，可能还会翻车。

因为火箭发动机氢泵叶轮是输送动力的，如果它运转不平稳，火箭会因瞬间丧失动力而坠毁，这个恶果非常可怕。

长征五号运载火箭研制初期，氢泵叶轮采取传统的精密铸造的方式来制备，但精密铸造有它本身难以克服的“缩孔、疏松”的铸造缺陷。

另外，它的铸造强度比较低，材料如此高强度地运转，经常会出现掉块的现象。

如同照片中的红色部位，叶轮做完实验后，叶片掉一块，边缘也掉一块。

有时掉块恰好会堵住燃料管道，有一次堵住管道后把发动机试车台都烧红了，险些造成爆炸，酿成重大的安全事故。

此外，我们采用工业CT对叶轮的叶片进行了探伤，我们发现，它有一些“缩孔、疏松”的铸造缺陷。

这种缺陷在高速旋转的过程中，会给用户带来很大的安全隐患。

粉末冶金成形

用户一直为氢泵叶轮头疼，因为铸造叶轮出现这么多问题，就想着能不能采取一种新的成形工艺方法解决这个问题。

这个答案是肯定的。

因为早在上世纪八九十年代，美国和俄罗斯这种航天强国，他们也发现铸造叶轮存在安全隐患，纷纷采用粉末冶金成形的方式制造了氢泵叶轮，并获得了很好的效果。

什么是粉末冶金成形？

简单地说，粉末冶金是精密铸造的升级版。

精密铸造采用的原材料是熔融的金属液体，它的成形方式是这样的：把金属液体熔化后，浇铸到预先制备的模壳中，模壳一般都是陶瓷材料所做的，金属液体在模壳中逐渐凝固，形成铸造合金，最后把模壳敲掉，得到精密铸件。

而粉末冶金采用的原料是松散的粉末颗粒，是将粉末填充到模具中，模具通常用术语，叫做“包套”。

包套的作用是容纳变形，紧接着松散的粉末颗粒在高温高压下发生烧结，致密化形成一个致密的粉末合金，最后再将包套去除掉，就得到了粉末零件。

粉末冶金既然在国际上有这么多应用，美国和俄罗斯都纷纷采用这个方式制备氢泵叶轮，那么它有什么好处呢？

第一，省料。

左上角是我们为航天用户做的一个盘件，我们的毛坯重量不到20公斤。

这个盘件交给用户后，用户再简单地加工几个安装边，打几个孔，就可以投入使用了，时间不超过一周。

而采用传统的铸造加锻造方式，第一个问题是费料。

这个毛坯的重量是150公斤，150公斤的毛坯交付给用户后，还要经过将近60天，也就是两个多月的精加工，然后上五轴加工中心铣出零件。

此外，由于这个饼子是锻造出来的，轮盘的边缘和中心还存在一些性能的差异，会在使用中带来安全隐患，用户也是不满意的。

另外，最重要的一点，粉末合金有一个无可比拟的天然优势，就是材质均匀、成分均匀。

下面这两张图是采用X射线三维成像技术得到的，就是对粉末合金的成分和锻造合金的成分进行切片扫描。

图中色差变化不大的，就说明它的成分均匀、材质均匀性好。

右图是锻造的，可以发现黑色和白色的亮暗不同的条带，说明成分是不均匀的。

这种不均匀的材质如果是一个转动件，在转动过程中有很大的安全隐患，所以这就是粉末合金的另外一个优点。

我国是从什么时候开始研制粉末冶金成形部件，特别是粉末氢泵叶轮这个零件的呢？

我所在的金属研究所钛合金研究部，一直在持续追踪国际上先进钛合金的发展方向。

2005年，我们在国家的支持下，建成了国内第一台洁净雾化的钛合金制粉设备。

很有幸，2008年，我们承接了国家长征五号叶轮粉末冶金氢泵叶轮的研制项目，也就是从12年前，我国正式开始粉末冶金氢泵叶轮的研制工作。

这台设备的作用，就是将右上角那块红布上放的致密的合金锻棒变成松散的合金粉末，就是预合金粉末。

粉末合金的制备

有了粉末后，我们就去制备粉末合金。我们要进行性能摸底，我们制备的粉末合金究竟能不能达到用户的使用要求？

粉末合金的制备分为以下几个部分。

第一，要制备包套。包套的英文单词是capsule，就是胶囊的意思。

大家都吃过感冒药，感冒胶囊外面有一层皮，里面是松散的药的粉末，而我们这个就是金属胶囊。

我们要将金属做成一个胶囊的形状，然后把金属颗粒，填充到包套即胶囊中去。

第三步就是对包套进行封装除气，然后进行最重要的一步：热等静压。

热等静压的目的是将松散的粉末变得致密化，最后得到致密的粉末合金。

小朋友有可能会想，这个是不是在折腾啊？刚才刚把致密的棒料变成松散的粉末，现在又把松散的粉末压成了致密的棒料，这么折腾到底是为了啥？

第一，可以让它的材质更加均匀。第二，提高性能。

粉末冶金的环节非常多，而且影响因素也非常复杂，举两个影响工艺的最重要的环节。

一个是粉末填充，因为必须填充到一定的致密度，保证其稳定，才能保证后面工序的进行。

影响填充的一个最重要的因素就是粉末粒度，即粉末颗粒的大小对它到底有什么影响。

左图就是洁净的雾化制粉机制备的粉末颗粒，它呈现一个完美的球形，但它是大大小小的球。

它的平均粒度大概是100个微米，就是两根或一根头发丝那么粗。如果要把这些松散的粉末填充到包套或模具中不太容易。

右上角的图是一个圆柱形的包套，靠重力加以振荡，基本上是能够进去的。

但是像右下角的图，它有很多流道，还有一些浇口、冒口以及补缩机构，这样填充起来就比较困难。

它不像水，如果水要灌到包套中，就可以流到各个角落，但是粉末就比较难了。

我们的解决方案是采用大颗粒和小颗粒相结合，因为大颗粒的流动性比较好，可以“骨碌”过去。

但是它填充性能比较差，因为它比较大，会堵住一些粉末模具中的间隙。

小颗粒的填充性非常好，因为它比较细小，可以填充到模具的各种角落中，但是由于团聚和静电吸附，它的流动性比较差。

所以我们的解决方法就是大颗粒小颗粒相结合，而且摸索出一套行之有效的、可以达到一个良好致密度的填充方案。

现在我要着重介绍一下热等静压。

热等静压是钛合金粉末成形的一个重要方式，它的目的是使松散的粉末致密化。

“热等静压”这四个字，实际上包含了三个词，第一是“热”，第二是“压”。

热，顾名思义，我们要在热等压炉中给它提高很高的温度。

压，就是要压力给它压扁，压力是靠惰性气体，通常是高纯氩气来实现的。

“等静”是什么意思？

因为它是气体，所以在压制的过程中，各个方向的压力是一样的。

这就是粉末包套放在热等静压炉中，红色的箭头是等静的压力。

这个温度下，钛合金的热压温度大概是900多度，压力是1400个大气压，140兆帕。

所以很容易把它变得柔软，然后致密化成形，得到很好的粉末合金。

热等静压进行完后，我们对粉末合金的性能进行了测试。

这是我们测的室温和低温的力学性能数据，因为氢泵叶轮是用在低温下的，除了低温强度，我们可以看到红色的字是铸造叶轮的性能。

我们发现低温下粉末合金的性能比铸造性能提高了140兆帕，这意味着什么？

意味着如果拿粉末合金来做氢泵叶轮，可以承担更高的转速，而且使用起来更加可靠。

粉末叶轮怎么做？

粉末合金做完后，只是万里长征走完了第一步，我们还要用合格的粉末合金制备复杂的粉末叶轮这个零件。

叶轮到底怎么做？

说实话，我也不知道。

各位应该都做过大学毕业设计，也有攻读硕士研究生或博士研究生的时候，导师会给你一篇文献，我们得需要一些技术资料。

但是在12年前，由于这个技术是高度封锁的，我们获得任何技术资料都是比较困难的。

这是2008年，当时的金属所副所长杨锐在国外开会时，正好是一个热等静压会，他拿回来一篇会议文献，当天晚上就给我，说你赶紧看。

我如饥似渴，连夜阅读，发现我想要的东西它都没有。比如包套怎么做、材质是什么、热等静压参数是什么。

最关键的一条，我这个型芯怎么制造，就是图中红圈圈出来的，我只知道包套和型芯模具的长什么样，对于型芯是什么材料做的一无所知。

就是这篇文献，打开了我的叶轮研制之路。

叶轮研制过程中，有一个东西是最需要解决的，就是包套，那个金属胶囊怎么做。

包套绝对是个技术，但是我没想到万事起头难，会难到这个地步。

包套在热等静压过程中是应该收缩的，但是没想到，我这个包套是膨胀的。

左图红色背底的，这是因为焊缝漏气了，吹泡泡了，这个就废掉了。

最离谱的一次是中间这个，这应该是11年前，在热等静压外协单位，我想做一个试板。

这个试板的体量大概是一张A4纸大小的幅面，厚度是摇控器这么厚。

去热压的话应该被压扁，得到致密的合金，结果不仅没压扁，还吹成了面袋子。

当时在场的一个工程师悄悄把我拉到一边，说小徐啊，你点子挺正啊，再差一点，估计你们单位就得给我们这个发热体掏六七十万的维修费了。

我现在一算，基本上就是，两辆哈弗H9的价钱，还是高配。

这是我们遇到的宏观的问题，比较容易解决，因为爆掉后扔掉就算了，无非增加点成本，费点人力。

但是有时往往进行到最后一步了，相当于我们最后一哆嗦，没哆嗦好。

当我兴冲冲地把我们的叶轮拿去无损探伤、检测荧光时发现，有很多表面气孔、皮下气孔，拿到用户那里，肯定是判废的。

因为荧光显示就是这样，如果这个区域是黑乎乎的，那是很好的，颜色越多是越不好的，我现在最怕看到绿色。

还有的荧光显示过了，X光合格了，外形也是可以的，用户说放到工业CT上看一下，我们发现，工业CT显示里面有很小的气泡，用户说判废。

曾经有一段时间，我做梦都梦见包套因为没压成功而爆掉。

为了解决包套成功率这个问题，解决包套技术，我们和工程师傅在一起设计焊缝，选择焊缝材料，对焊缝进行检漏。

左面上面这张图，就是我们的焊工对焊缝进行氦气检漏。

焊完后，我们用磁粉检测符合核电级材料标准，对焊缝进行检测，如果发现有异常就打磨掉，再去补焊一遍。

另外，由于焊接是一个快速凝固的过程，在焊接的过程中有可能存在残余应力，这个应力往往是拉应力，我们需要变成压应力。

怎么变成压应力呢？

我们可以通过超声加工或热处理的方式解决这个问题。目前，大型包套的热压成功率是百分之百。

右图的零件是我们去年做的10件国内最大的活性金属粉末热等静压坯料，单重505公斤。

解决了包套技术后，我们的研制过程就从此踏上了快车道。

2009年5月，我成功试制了一个粉末叶轮，走通了包套设计、制造、焊接、热等静压、选择性化学铣去除形模。

说到化学铣，还得感谢我们金属所的董俊华老师，他是搞腐蚀的。

中间这个型芯最后热等静压完成要用酸洗掉，但是这个叶轮大家看一看就行了，因为它是一个样子货。

为什么说它是一个样子货呢？

由于我当时不具备这个能力，制备一个1比1的盘件，一个叶轮，我做了一个1比2的。

但是1比2的话，它的叶片少一半，因为在如此局促的空间里，我是放不下24个叶片的。

这是真正的1比1的，经过实验考核的，长征五号和长征五号B火箭发动机XX-77发动机上用的氢泵叶轮，它的盘子的直径大概是245毫米。

这是摘掉上盖板后对它进行尺寸测绘的形貌，这个叶轮共有24个叶片，分长中短8组，每组3个。

用户对尺寸的要求到底有多么严苛呢？

第一，他需要测。

从叶片中心到边缘，9个截面、26个角度、70个尺寸，每个尺寸都要和卡板上一模一样，而且它的偏差是正负0.2毫米，这就给我们带来了很大的难度。

叶片中间空的区域就是模具，为什么说它难呢？

这张图就是叶轮包套和模具，大家肯定想问，要控制尺寸，我把里面那个模具的型芯变成陶瓷的不就行了？

没错，可以变成陶瓷的，但是陶瓷有一个最大的问题，它在加工的过程中会脱落，变成陶瓷颗粒。

陶瓷颗粒对钛合金来说是夹杂，特别是转动件，不能有夹杂，这种方式国外也用过，就摒弃了，我们一开始就没有用。

可能有的人又会说，弄一个硬的型芯不就好了，把中间那个像花瓣一样的东西，高温合金搞得非常硬。

是，高温合金可以，它不动了，叶片的叶形、尺寸都能很好地保证。

但是，我们也做过右图，变成硬质的材料后，最大的问题在降温的阶段。

由于它型芯比较硬，而我们的基体是钛合金的，非常软，它会把叶轮胀破，有裂纹，用户就更不能使用了。

于是我们用了一个最费劲，也是最复杂的方式，即采用软钢包套，里面的内外包套和型芯都是软的材料。

下面这张图可以看到，在热等静压过程中，它是逐渐变小的，不仅粉末在收缩，而且我的型芯也是在收缩的。

这一下就体现出难度了。

因为钛合金粉末在收缩的过程中，体积收缩达到30%，以直径250mm的盘子来说，高度150mm，直径方向收缩是25%，高度方向是15%，体收缩是30%。

250mm的盘子收缩20%的话，就是50毫米，是很难控制的。

为此，我们采用的解决方案是采用有限元仿真，就是先用实验做出一个数据，教会电脑去算这个事。

然后电脑在我们的不断优化下，不仅能算出它的残余应力，还能算出它的精确尺寸。

但是里面最重要一条，就是图中，我们要把实际实验的测量结果反馈到电脑和软件中去，让它打得更准。

助长征五号首飞

现在经过十多年的探索，我们的软件预测的准确率是99.5%以上，给我一个新型的叶轮，新的型号，它一轮次就能打得很准。

我们用了不到两年的时间，具体来说是14个月的时间就走通了环节。

2010年9月提供的首套叶轮通过了用户的发动机热试考核，用户对我们评价是已满足技术指标要求，具备较高的可靠性。

但是从2010年到2016年，我们又经过了漫长的六年等待，这六年中，我们也不是什么都没做，我们做了三件事。

第一件事，固化优化工艺；第二件事，提高材料的稳定性；第三件事，要建成小批量的生产能力。

2016年11月3日，我们提供的叶轮助力长征五号首飞，当天我们也非常激动。

相当于从2008年12月到2016年，我们用了8年的时间，八年磨一剑，终于成功了。

而且2017年，我们中国科学院金属研究所，这个团队，还被五部联合授予了“长征五号火箭运载火箭首飞任务突出贡献单位”。

而且我们也是科学院唯一获得这个奖项的单位。

这是2019年12月27日，长五遥三火箭在海南文昌复飞的壮观场景，这上面也有我们做的零件。

当时我们非常激动，有多少个大工程、大项目，背后有像我们几十个、上百个这样的团队，有很多普通的工作者、劳动者、科研工作者在一起，才能做成这些事。

我想感谢我们的团队，感谢钛合金研究部的全体职工学生，感谢我们的用户北京航天动力研究所。

特别要感谢我的两位导师杨锐研究员和崔玉友研究员，谢谢大家。

“格致论道”，原称“SELF格致论道”，是中国科学院全力推出的科学文化讲坛，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办，中国科普博览承办。致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。获取更多信息。本文出品自“格致论道讲坛”公众号（SELFtalks），转载请注明公众号出处，未经授权不得转载。

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“胖五”归来：揭秘长征五号成功背后的“一波三折”

作者：澎湃新闻

发布时间：2019-12-27 21:26

快照：

“不容易，这908天感觉一直憋着一口气，现在终于可以长舒一口气了。”一位在文昌发射中心参与长征五号遥三飞行任务的航天人士向澎湃新闻（www.thepaper.cn）感叹。

2019年12月27日，长征五号遥三运载火箭（以下简称长五火箭）在海南文昌卫星发射中心成功将实践二十号卫星送入预定轨道。

这是长五火箭的第三次发射，也是时隔两年多后再次执行发射任务。长五火箭由中国航天科技集团第一研究院（以下简称“火箭院”）抓总研制，是我国首型大推力无毒无污染液体火箭，运载能力位居世界前列。

从长五遥二失利到长五遥三发射成功历时908天，908个日夜，长五团队无数次跌倒后又重新爬起。

转运过程中的长五遥三火箭。本文图片均由 杨成 图

“胖五”归来，完成华丽涅槃

长五火箭为两级半液体火箭，由5米芯级捆绑4个3.35米助推器。芯一级直径5米、芯二级直径5米、助推器直径3.35米，整流罩直径5.2米、长约12.2米。火箭长约57米，是我国现役火箭中尺寸最大的火箭，也是我国目前运力最大的火箭。

5米直径大型箭体结构为我国运载火箭首次采用，是火箭实现运载能力重大跨越的基础，设计、制造、试验难度大。长五火箭起飞重量约870吨，其自身的结构重量却只占约10%，火箭外壳的厚度甚至只有几毫米。

长五火箭直接服务于我国探月工程三期、载人空间站建设、火星探测等重大专项任务，也可用于不同地球轨道大型载荷及其它深空探测任务载荷的发射。火箭院院长王小军介绍说，长五火箭在大幅提升我国自主进入空间能力的同时，也为构筑我国新一代运载火箭系列型谱，并且还为发展重型运载火箭奠定了坚实的技术基础。

长五火箭研制具有“两多、两大、两新、一同步”的特点，即“新技术多、新研产品多”、“技术跨度大、研制规模大”、“研制队伍新、研制手段新”、“研制与保障条件建设同步”，自2006年正式立项研制以来，经过10余年的工程研制，长五火箭先后于 2016年11月3日和2017年7月2日实施了两次发射，其中首次发射取得圆满成功，遥二火箭因发动机局部结构问题未能将卫星送入预定轨道。

“经过两年多的归零和验证工作，研制团队攻克了发动机技术难关，解决了问题，消除了隐患，认识水平和技术能力都得到了进一步的提高”，长征五号火箭总指挥王珏表示。

在完成发动机问题归零的同时，长五火箭的技术改进和可靠性提升工作也实现了突破。“火箭各系统都深入开展了再分析、再设计和再验证的‘三再’工作，全面审视在设计、产品以及过程控制等方面的工作有效性。一方面围绕设计全链路清理、飞行任务剖面和环境适应性等线索开展正向检查确认，解决全面性问题；另一方面以问题为导向，针对故障调查中发现的薄弱环节，开展设计简洁性、角焊缝复查、铸件质量、频率管理和产品动强度再复核等方面的反向回归检查确认，有针对性的发现问题、解决问题”，长征五号火箭总设计师李东介绍道。

“长五遥三火箭在遥二火箭的基础上，进行了200余项技术改进，其中比较重大的技术改进有9项，包括发动机设计改进、长排整流罩设计改进、利用系统调节方案改进等”，长征五号火箭副总设计师杨虎军称。

长五遥三火箭在遥二火箭的基础上，进行了200余项技术改进

成功背后，经历“一波三折”

从发射失利到成功，长五火箭用了30个月，在大家焦急等待“胖五”归来的900多个日夜中，长五研制团队在攻克氢氧发动机技术难题中不断提升技术认识。

长五遥二火箭失利后，经过100余天的故障排查与定位以及180余天的试验验证，长五遥二火箭失利的原因终于确认，是由于火箭芯一级氢氧发动机在复杂力热环境下，局部结构发生异常，发动机推力瞬时大幅下降，致使发射任务失利。

“在归零过程中，通过建立故障树，对50多个可能造成推力下降的事件进行了逐一的排查，最终确认了故障的最大可能原因，”李东指出，“此后，根据故障调查的结论，对芯一级氢氧发动机进行了设计改进，从结构、材料和工艺等方面都采取了相应的改进措施，提高了对飞行环境的适应性。”

去年11月30日，改进后的芯一级氢氧发动机在长程试车过程中出现问题，根据故障原因，研制团队对发动机的局部薄弱环节进行了改进，提高了结构的动强度裕度。改进后的产品于2019年2月顺利通过了两次长程试车验证。

然而，走向成功的道路上总是充满荆棘。今年4月4日，在长五遥三火箭的总装工作进入到最后阶段时，一台用于后续任务的芯一级氢氧发动机在试验数据分析过程中，发现了“异常振动频率”。为此，研制人员顺藤摸瓜，找到了问题的“症结”所在。“发动机局部结构对复杂力热环境非常敏感，容易引起共振，且一旦激发，不易衰减。”李东解释说。

为了抑制振动的产生，研制人员开展了大量的设计和试验工作，终于找到了一种快速、有效的改进方案。火箭院党委书记、长征五号火箭第一总指挥李明华介绍说：“在解决发动机振动的问题上，我们先后探索了三条路，经过反复分析研究，综合考虑各方面因素，决定抓主要矛盾、抓问题根源，对发动机结构进行局部改进。”

这次改进彻底解决了困扰长五的发动机问题，改进后的发动机经过10余次3000余秒的试验验证，证明了改进措施的有效性，长五火箭终于回到恢复发射的“快车道”。

今年10月18日，长五遥三火箭通过了出厂评审，10月27日，运抵海南文昌航天发射场。今天，长五遥三火箭以一次完美的飞行，完成了华丽的涅槃，为2019年中国航天发射画上了一个圆满的句号，也为未来的发射任务奠定了基础。

长征五号肩负着开展载人航天空间站建设、月球采样返回、火星探测等多项重大航天工程任务

亮出高招，精细化流程管理

以长五火箭为代表的航天型号研制，是一项复杂的巨系统工程，具有跨领域、跨系统、多学科的特点，工作链条长，参与人员多，工程问题与科学问题交叉并行，工程应用中涉及到一些没有完全掌握的科学问题，需要依靠全国的优势资源，集智攻关，协同配合，才能按计划实现预期目标。

“在长五火箭发动机攻关的过程中，组织了全国的优势资源联合攻关，其中既有清华、北航、北理工等高校的研究资源，也有航空、船舶等领域单位的专家资源，很多单位都是自发的、积极的参与到这项工作中，主动承担，毫无怨言。这是新型举国体制的一次有益探索，也反应出这一制度的巨大优势。”李明华认为。

航天型号研制具有高风险，主要表现在新技术比重高、系统构成复杂，产品种类和数量庞大，影响飞行成败的环节多。长五火箭在飞行过程中要完成的“动作”总共有2000多项，其中任何一个“动作”出现问题，都会对火箭飞行造成严重影响，甚至造成发射失败。

此外，航天型号对于项目和产品的全流程管理也有很高的要求。对于产品质量要做到全寿命周期的管理，对于产品供应商要做到全级次管理，对于产品的生产、试验进度也要实时的关注。

李明华指出，长五发动机改进过程中，通过采取‘点到点、人盯人，点到哪，人到哪’的计划调度方法，将试验产品的生产周期缩短了80%，只用一个月就拿出了试车产品，为归零验证工作赢得了主动。

为了使航天型号这种高风险的复杂巨系统变得“可靠”、“可控”，型号引入了精细化流程管理的思想和方法。精细化流程管理是一套解决航天型号科研生产和组织管理中存在的一系列根本问题的有效方法和有力抓手，来源于航天60多年系统工程管理以及工程实践，以及精细化管理、流程再造、知识管理等成熟的理论和方法，是以流程为核心，融合规章制度、岗位职责、绩效考核等管理要素，构建形成的一套工作体系，可以有效解决规章制度不落地、知识管理不有效、研制生产流程体系不健全、不精细的问题。

“此次长征五号遥三火箭专题开展了发射前-13小时精细化管理流程工作，以作业指导书的形式将岗位职责、工作内容、操作方法、应急预案进行了有机的统一，实现了精准操作”，长征五号总指挥王珏表示。

珠海航展上展出的长五B、长七、长六A等火箭

“梦想之箭”，未来大有可为

作为目前我国运载能力最大的火箭，长征五号肩负着开展载人航天空间站建设、月球采样返回、火星探测等多项重大航天工程任务，是承载中华民族对浩瀚宇宙向往的“梦想之箭”，也是我国由航天大国迈向航天强国的重要标志。

长五火箭近地轨道的运载能力达到25吨左右，可以有力支撑我国载人航天空间站的建设；两级半构型的长五火箭地球同步轨道运载能力达到14吨，可以用于发射大型高轨道卫星、实施月球采样返回、开展深空探测等任务。

此次遥三发射任务的成功，也标志着长征五号火箭将加速进入工程应用阶段。在2020年，我们计划完成长征五号B的首次发射任务，发射嫦娥五号月球探测器实施月球采样返回，以及发射火星探测器等。

“目前，执行后续各项任务的长五火箭进展顺利，正在按计划开展各项生产、装配和测试工作。”王小军介绍说。

(本文来自澎湃新闻，更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)

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“胖五”升空背后的哈工大力量

作者：东北网

发布时间：2019-12-30 07:32

快照：

黑龙江日报12月30日讯 27日20时45分，我国长征火箭家族中推力最大的新型运载火箭长征五号点火升空，成功将实践二十号卫星送入预定轨道。从2016年11月3日的首飞成功到如今“胖五”再次升空，哈尔滨工业大学多项技术和设计人员参与其中，功不可没。

“长征五号”总推力破千吨，哈工大能源学院发动机气体动力研究中心王仲奇院士、冯国泰教授等承担的“助推级120吨液氧煤油发动机涡轮气动设计”项目起到了重要的助推作用。

王仲奇院士团队承担了助推级发动机涡轮设计任务，对助推级120吨液氧煤油发动机涡轮进行了气动设计。该设计运用弯叶片技术以及综合优化流型设计方法，设计过程基于哈工大发动机气体动力研究中心自主研发的涡轮气动设计体系，大幅提升了涡轮的做功能力，解决了涡轮与泵匹配中驱动力欠缺的关键问题。该型发动机前期在“长征七号”“长征六号”首飞任务中表现完美。

哈工大航天学院复合材料与结构研究所赫晓东教授团队承担的“发动机气瓶热防护”项目，成功研制出一种轻质高效隔热毡复合防护结构，攻克“长征五号”热防护难题。

研究团队采用材料优化设计方法，充分发挥纤维材料性能特点，研制出轻质绝热柔性热防护材料，为发动机气瓶组件及气瓶支架提供热防护，能够减少辐射传热和羽流形成的对流传热，防止气瓶壳体升温过高，成功解决了火箭的热防护难题。

哈工大机电学院金属橡胶技术研究所姜洪源教授团队为“长五”解决了高真空、大温差、强辐射等极端工况下阻尼减振难题。金属橡胶技术是解决航空航天领域高真空、大温差、强辐射等极端工况下阻尼减振等技术难题的专用技术。依托哈工大的研发基础与优势，金属橡胶技术研究所围绕国家重大需求，瞄准技术瓶颈，制备了满足不同工况和不同结构需求的金属橡胶构件，部分金属橡胶元件成功替代了重要装备上的进口元器件，并在嫦娥三号着陆器等任务中得到成功应用。

除了提供技术支撑，青年教师朱磊设计团队还为“长五”扮靓妆容。“长五”系列火箭l ogo方案的概念创意源自于中国传统文化中的太极图案，整体展现出一个动感的“5”的形象——象征着“长五”火箭寻求包括性能、可靠性、经济性和安全环保等多重因素的综合优化。其圆形轮廓象征着这个品牌和天空的关系，并寓意着“长五”系列火箭的圆满成功。在全箭涂装的整体色彩处理上，红色的“长五”l ogo与国旗相互呼应，从视觉传达角度强化了中国元素的主导地位。

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