什麼卡了中國火箭發動機的脖子？一問題成世界難題

“不鏽鋼能不能不生鏽？”這個有點黑色幽默的問題，幾乎讓中國航天科技集團六院發動機專家、長征五號運載火箭副總設計師陳建華落下心病。

在我國120噸級液氧煤油補燃循環發動機YF-100的研製過程中，陳建華注意到好幾種高強度不鏽鋼都容易生鏽。從2011年開始，他跟老朋友，鋼鐵研究總院特殊鋼研究所副所長蘇傑無數次溝通，雙方壓力都很大。

5月21日5時28分，中國在西昌衞星發射中心用長征四號丙運載火箭，成功將探月工程嫦娥四號任務鵲橋號中繼星發射升空。圖為發射現場。

如今，長征六號、七號、五號火箭相繼首飛了，陳建華仍沒有得到完全讓人信服的答案。

強度和防鏽性能是對矛盾體

用於火箭發動機的鋼材需具備多種特性，其中高強度是必須滿足的重要指標。蘇傑向科技日報記者介紹，過去我國火箭發動機上採用的奧氏體不鏽鋼，屈服強度約為300兆帕，而新一代運載火箭所用材料，強度是其2到4倍。

然而，不鏽鋼的強度和防鏽性能，卻是魚和熊掌般難以兼得的矛盾體。

“需要明確一個概念，不鏽鋼是會生鏽的。”蘇傑説，“簡單來講，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，強度就上不去。因此高強度的材料，防鏽能力一定會較差。”

北京科技大學材料科學與工程學院教授李靜媛補充説，提高不鏽鋼強度常用的方法是析出強化。在熱處理工藝中，鋼材料內部會析出一些微粒，彌散分佈於基體中導致硬化。“但是，微粒析出的位置會出現缺陷，缺陷處合金元素減少、組織結構出現差異，破壞了金屬材料的均勻性，就容易發生腐蝕，也就是通常所説的‘生鏽’。”她表示。

陳建華表示，火箭發動機材料如果只是有點浮鏽問題不大，但如果嚴重生鏽，可能帶來很大影響。

假設閥門的閥芯生鏽，會使閥門在開合過程中遇到阻力，導致反應速度出問題。如果鏽得厲害，還可能發生泄漏。要是管道生鏽，鏽塊隨着燃料流動，可能引起堵塞。

世界難題：國外發動機材料也生鏽

生鏽問題帶來的苦惱，陳建華深有體會。“為了防鏽，我們規定發動機見水不能超過幾小時。可發動機沾水在所難免。例如做水力試驗，每次做完得趕緊把發動機拉回廠裏，放進爐子烘乾。”他説，“長征五號火箭只能在海南文昌發射，暴露在潮濕環境下多久會生鏽？我只關心這個。”

他有一塊國外發動機材料，放在倉庫多年依舊光亮。

蘇傑坦陳，我國在新材料研發方面與發達國家還有差距，目前主要處於仿製階段。現在我國航天材料大多用的是國外上世紀六七十年代用的材料，只是如今工藝技術更先進，生產的同樣材料性能更好。

李靜媛對此頗為憂慮：如果遇到高端產品，國外不公開材料成分、工藝，我們難免會被“卡住脖子”。

同時她認為，我國擁有一流的設備，但管理水平與國外存在差距。例如發達國家在生產過程中會嚴格控制雜質含量，如果純度不達標，便重新回爐，但國內廠家往往缺乏這種嚴謹的態度。

不過蘇傑説，陳建華那塊國外材料後來被拿到海南，與國產材料做對比，結果兩者同時生鏽。“完全依靠材料自身實現高強度和防鏽性能兼備，這是世界性難題。”蘇傑表示。

魚和熊掌兼得需藉助外援

李靜媛認為，要實現魚和熊掌兼得，可以進行更為科學的成分設計，例如加入抗蝕性元素、強化元素等，並對各元素的加入量進行科學配比。

但蘇傑認為，這是理論性的方向，正確但不適用。“對於航天動力這樣高強度級別的材料，我們已經儘可能優化，兼顧了耐蝕性。”他説，“耐蝕性更好的材料有很多，但我們的核心不在於保證不生鏽，而是強度、韌性等多方面性能的匹配。”

其實航天材料防鏽並非不能實現，只是需要藉助“外援”。蘇傑説，通過材料和工藝配合，一方面利用材料自身防鏽能力，一方面採用表面塗層處理或往材料內腔注入乾燥空氣、氮氣等輔助手段，已經解決了生鏽問題。

陳建華表示，六院也針對生鏽問題專門開展了試片研究，並對產品適應性進行了充分考核驗證。通過對貯存5年的發動機進行多次考核，發現其工作狀況良好。

但他仍沒有完全放心。陳建華説，對於我國正在發展的可重複使用火箭發動機，使用時間更長，其內部要反覆經受煤油浸泡，又不能拆開處理，對防鏽能力的考驗會更嚴峻。又如我國新一代運載火箭，現在是無人發射，將來要是載人，安全可靠性要求更高。生鏽問題到底有沒有影響？這些問題必須搞清楚。