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飛機(jī)如何才能飛得高、飛得快、飛得遠(yuǎn)？

60多年前，憑借一張草圖，一批來(lái)自中國(guó)科學(xué)院金屬研究所（以下簡(jiǎn)稱金屬所）的科研人員解決了其中的關(guān)鍵難題。他們采用鑄造技術(shù)，研制出我國(guó)首個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的空心渦輪葉片。

如果把航空發(fā)動(dòng)機(jī)比作飛機(jī)的“心臟”，那么空心渦輪葉片就是“心臟主動(dòng)脈”。

當(dāng)年，金屬所老一輩科學(xué)家不僅為我國(guó)研制出飛機(jī)強(qiáng)有力的“中國(guó)心”作出了重要貢獻(xiàn)，還將這門技術(shù)和手藝傳承下去，使其不斷開枝散葉、發(fā)揚(yáng)光大。

1?沒聽過、沒見過，一張草圖接任務(wù)

“什么是空心葉片？我從來(lái)沒聽說(shuō)過，也沒見過?！?/p>

1964年的一個(gè)冬夜，時(shí)任航空研究院總工程師榮科敲開金屬所高溫合金課題組負(fù)責(zé)人師昌緒的家門，帶來(lái)了一項(xiàng)在當(dāng)時(shí)看來(lái)不可能完成的任務(wù)——邀請(qǐng)他參與研制航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的空心渦輪葉片。

幾個(gè)小時(shí)前，在一場(chǎng)關(guān)于我國(guó)新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研討會(huì)上，包括榮科在內(nèi)的參會(huì)人員經(jīng)歷了一場(chǎng)激烈的爭(zhēng)論——如何讓我國(guó)新型戰(zhàn)機(jī)殲-8的推動(dòng)力提高20%？

作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，渦輪葉片的承溫能力直接決定發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。此前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用的葉片大多為實(shí)心葉片。受葉片熔點(diǎn)溫度限制，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的進(jìn)口溫度無(wú)法得到進(jìn)一步提高，進(jìn)而影響了發(fā)動(dòng)機(jī)效率的提高。

國(guó)外研究發(fā)現(xiàn)，空心葉片可以通過內(nèi)部冷卻通道內(nèi)的空氣實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片的冷卻，由此提升葉片的整體承溫能力。不過，空心葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制備難度極高。

1961年，美國(guó)成功研制出空心渦輪葉片，使戰(zhàn)機(jī)的飛行速度和作戰(zhàn)性能大幅提高。而當(dāng)時(shí)中國(guó)空軍的主戰(zhàn)飛機(jī)還是以蘇聯(lián)技術(shù)組裝的殲-5，只能達(dá)到亞音速（速度低于340米/秒）飛行水平。

美國(guó)干成了，但中國(guó)能干成嗎？對(duì)此，榮科不確定，他想到請(qǐng)好友師昌緒出馬。

當(dāng)聽說(shuō)國(guó)外已經(jīng)有類似產(chǎn)品時(shí)，師昌緒讓榮科憑記憶畫出一張空心渦輪葉片的草圖。拿著這張簡(jiǎn)單得不能再簡(jiǎn)單的草圖，師昌緒當(dāng)場(chǎng)表示，愿意接受這個(gè)任務(wù)。

鑄造空心渦輪葉片的圖紙。

師昌緒要鑄造空心渦輪葉片的消息迅速傳開，質(zhì)疑聲四起——“外國(guó)搞了多少年，現(xiàn)在才剛有眉目，我們能行嗎？”“鑄造實(shí)心葉片還沒做成，就想鑄空心葉片，是不是步子邁得太大了？”

說(shuō)實(shí)話，師昌緒對(duì)如何鑄造空心渦輪葉片一無(wú)所知，能否在一年內(nèi)攻關(guān)成功，他也沒把握。

“雖然我心里沒底，但國(guó)外已經(jīng)有了，我們也一定能做出來(lái)。”強(qiáng)烈的責(zé)任感和使命感讓師昌緒下定了決心。

另一個(gè)讓他決定“放手一搏”的原因，是他背靠的金屬所在高溫合金材料研制領(lǐng)域已積累了相對(duì)豐富的經(jīng)驗(yàn)。20世紀(jì)50年代末，金屬所就已成功研制出渦輪葉片的鑄造合金916，1962年又成功研制出具有國(guó)際水平的渦輪葉片材料M17合金，“實(shí)戰(zhàn)”能力得到了充分驗(yàn)證。

次日，師昌緒向金屬所時(shí)任黨委書記高景之和所長(zhǎng)李薰進(jìn)行了匯報(bào)，獲得所領(lǐng)導(dǎo)的大力支持。他們迅速組織所內(nèi)上百名科技人員成立AB-1任務(wù)組，由師昌緒任組長(zhǎng)。這是一個(gè)包括冶煉、造型、脫芯、控制合金質(zhì)量、疲勞測(cè)試，以及制定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等重要環(huán)節(jié)在內(nèi)的攻關(guān)組。

自此，空心渦輪葉片的攻關(guān)正式啟動(dòng)。

2?“通啦！通啦！” 攻克型芯材料難題

但不久之后，師昌緒帶領(lǐng)的任務(wù)組就遇到一個(gè)大難題——如何在實(shí)心葉片中制出空心小孔。

常規(guī)的制孔方法是在模殼內(nèi)適當(dāng)位置放置一些細(xì)絲，又稱型芯。待葉片澆出后，將這些細(xì)絲溶解掉，就形成帶有小孔的葉片。

“空心葉片的空芯直徑只有0.8～1.2毫米，長(zhǎng)度約10毫米，葉片下邊還有一個(gè)彎角?！睅煵w當(dāng)年的助手、金屬所研究員朱耀霄回憶說(shuō)，關(guān)鍵難點(diǎn)在于如何定位，在脫蠟以后又如何保證位置不變。在操作和澆鑄過程中，還要保證型芯不能彎、不能斷。

這對(duì)材料提出了嚴(yán)格的要求。合格的材料必須具備耐火度、高強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、尺寸精度和表面光潔度5個(gè)特點(diǎn)。

根據(jù)上述要求，師昌緒帶領(lǐng)任務(wù)組不僅嘗試了鉬絲、磷酸鹽等，還專門請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院冶金陶瓷研究所（中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所前身）的科研人員研制了硫化鈰型芯，但都遭遇失敗——不是型芯彎曲露芯，就是型芯太脆而折斷，要么就是最后無(wú)法脫芯。

正當(dāng)眾人為型芯材料的選擇一籌莫展時(shí)，一本外國(guó)雜志上的細(xì)石英管廣告為大家打開了思路。

廣告里的石英管帶有彎角，與葉片小孔上的彎角非常相似。任務(wù)組專門進(jìn)行了討論——石英的熔點(diǎn)在1700攝氏度以上，軟化點(diǎn)很高，耐壓和抗張強(qiáng)度較高，而抗沖擊折斷強(qiáng)度卻很低，化學(xué)穩(wěn)定性好，不與合金發(fā)生反應(yīng)。另外，石英管的表面光潔度極高，符合制作空心葉片型芯的條件。

討論分析后，任務(wù)組決定集中精力在石英管上狠下功夫。

當(dāng)時(shí)，金屬所剛好培養(yǎng)了一位技藝高超的玻璃技工任恒達(dá)師傅。他很快就拉制出多種規(guī)格和形狀的石英管，完全滿足了任務(wù)組的要求。

此外，鑄造空心葉片的合金選擇和冶煉也很重要。合金要求性能好、質(zhì)量輕，最好不含貴重元素。師昌緒選擇了金屬所在1962年研發(fā)的鑄造鎳基高溫合金——M17合金。這款合金不僅可以在低溫條件下精煉、脫氣、澆鑄，性能還非常穩(wěn)定、可靠。

經(jīng)過金屬所上下的集智攻關(guān)，1965年8月，師昌緒等人在簡(jiǎn)陋的鑄造實(shí)驗(yàn)室里試制出我國(guó)首個(gè)9小孔鑄造空心渦輪葉片。

科研人員拿著葉片的試棒去給李薰看。他拿起煙斗，看到煙從試棒的一端吹進(jìn)去，從另一端冒出來(lái)時(shí)，高興地用湖南話大喊：“通啦！通啦！”

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片樣片。

3?有驚無(wú)險(xiǎn)，試車從失敗到成功

1966年11月，第一臺(tái)套氣冷空心葉片正式進(jìn)行裝機(jī)測(cè)試，車間外圍滿了人，大家滿心期待。

然而，裝機(jī)測(cè)試才運(yùn)行了不到5分鐘，伴隨著一陣爆炸聲，葉片飛了，第一次試車宣告失敗。朱耀霄記得，當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)不少人流下了眼淚。

但師昌緒等人顧不得懊惱，當(dāng)即組成失效分析小組，深入查找失敗原因。

作為失效分析小組的一員，朱耀霄回憶說(shuō)，葉片有5個(gè)榫齒，在葉片的第一榫齒根部，既有疲勞應(yīng)力，又有高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力。因此，第一個(gè)榫齒受到的力最大。根據(jù)這一分析，第一榫齒在設(shè)計(jì)上應(yīng)該主要承受疲勞應(yīng)力，而離心力由后面的幾個(gè)榫齒承受。

師昌緒果斷拍板，大家按照這個(gè)思路進(jìn)行緊鑼密鼓的修改，二次試車非常成功。

“只要努力，肯定能做出來(lái)，除非你不努力?！敝煲鲋两襁€記得師昌緒掛在嘴邊的一句話。

鑄造空心葉片的成功離不開任務(wù)組所有人的努力。這是一項(xiàng)具有開拓性的研究成果，它使我國(guó)渦輪葉片的發(fā)展一步邁上兩級(jí)臺(tái)階——由鍛造合金改為真空鑄造，由實(shí)心葉片改為空心葉片。

這項(xiàng)工作也使我國(guó)成為繼美國(guó)之后世界上第二個(gè)成功采用精鑄氣冷渦輪葉片的國(guó)家，僅比美國(guó)晚5年。

如今，以鑄造高溫合金制備渦輪葉片已經(jīng)成為世界主流，氣冷也成為提高渦輪進(jìn)口溫度的重要手段。一直關(guān)注葉片冷卻技術(shù)發(fā)展的朱耀霄說(shuō)，先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室溫度，已經(jīng)由原來(lái)約800攝氏度提高到約1800攝氏度，飛機(jī)的性能由此大幅度提高。

20世紀(jì)80年代初，國(guó)外一家知名發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司的總設(shè)計(jì)師來(lái)沈陽(yáng)參觀，在看到我國(guó)歷時(shí)兩年自行研制的鑄造空心渦輪葉片后，發(fā)出感慨：“能親眼看到這一成就，我就沒白來(lái)中國(guó)一趟。我們用了8年才研制成功，但一直不敢使用?！?/p>

4?不辭辛苦，深山老林中實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)

時(shí)間轉(zhuǎn)眼來(lái)到1975年，第三機(jī)械工業(yè)部（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司前身）決定將空心葉片的生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到偏遠(yuǎn)山區(qū)某廠，并要求金屬所派出一個(gè)小分隊(duì)，由師昌緒帶隊(duì)支援該廠生產(chǎn)空心葉片。

那是一座位于深山老林的“三線”工廠，條件非常艱苦。

師昌緒帶領(lǐng)小分隊(duì)從沈陽(yáng)出發(fā)，路上就用了兩天時(shí)間。其間，他們遇到過買不到臥鋪，只能坐硬座，甚至在火車上連水都喝不上等情況，這對(duì)當(dāng)時(shí)已年近60歲、患有糖尿病的師昌緒來(lái)說(shuō)，是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

小分隊(duì)成員之一、金屬所研究員趙惠田曾回憶說(shuō)：“我們住的是最簡(jiǎn)易的招待所，水管里放出來(lái)的水是渾的，必須沉淀一會(huì)兒才能飲用；我們吃的是大米、玉米和地瓜干做的混合飯，連咸菜和醬油都沒有，不用力去嚼，根本無(wú)法下咽?！?/p>

在這樣的環(huán)境和條件下，師昌緒毫無(wú)怨言，帶領(lǐng)金屬所小分隊(duì)與工廠的科技人員和工人夜以繼日地工作了好幾個(gè)月。

一切從頭開始。從原材料的選擇、冶煉制度的確定、模殼的制造與澆鑄，到產(chǎn)品檢測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)的制定，師昌緒帶領(lǐng)金屬所小分隊(duì)深入工廠，牽頭攻關(guān)。

老廠長(zhǎng)王新民回憶說(shuō)：“師先生不僅把關(guān)鑄造技術(shù)，對(duì)合金成分也做了很大改造，增加了鋁、鈦的含量，比鍛造高溫合金使用的溫度提高了200多攝氏度?！?/p>

當(dāng)時(shí)，師昌緒給王新民安排了一項(xiàng)重要任務(wù)——天天跟著檢驗(yàn)員一起檢查葉片，將報(bào)廢的葉片拿回來(lái)給他看。

“一個(gè)葉片關(guān)系到一架飛機(jī)的存亡、一名飛行員的生命?！蓖跣旅裾f(shuō)，“每次他都可以從中找出合格的和真正要報(bào)廢的葉片，并通過這樣的挑選確定了標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)方法，最終確保葉片順利實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。”

當(dāng)金屬所科研人員離開時(shí)，工廠生產(chǎn)的鑄造空心葉片的成品率實(shí)現(xiàn)了大幅提升，已經(jīng)達(dá)到該廠實(shí)心葉片的生產(chǎn)水平。

1983年，師昌緒（右一）與航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠的工程師討論問題。

在隨后幾十年時(shí)間里，該廠生產(chǎn)鑄造的空心葉片在使用過程中沒出過一次重大事故，該廠也已成為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)量最大、最安全的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片制造商。直到現(xiàn)在，我國(guó)某些機(jī)種的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片仍采用其材料。

因主持鑄造空心渦輪葉片的研制和推廣工作，師昌緒榮獲2010年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。

5?“為國(guó)家做點(diǎn)事，是人生的第一要義”

由于工作變動(dòng)，1984年8月師昌緒從沈陽(yáng)到北京赴任，從科學(xué)研究轉(zhuǎn)向了科學(xué)管理。雖然離開一線，但師昌緒一直關(guān)心著航空科技事業(yè)的發(fā)展。

對(duì)于一架飛機(jī)來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)是“心臟”；對(duì)于一個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō)，航空工業(yè)是關(guān)系到國(guó)家安全、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國(guó)力的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，其地位不亞于當(dāng)年的“兩彈一星”。

20世紀(jì)80年代初，朱耀霄在師昌緒的指導(dǎo)下，繼續(xù)研制新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)空心葉片。

“隨著冷卻孔腔的設(shè)計(jì)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，承溫能力也更高，我們開發(fā)的第三代空心葉片的承溫能力從原先的100攝氏度提升至500攝氏度，達(dá)到了更高的設(shè)計(jì)要求?！敝煲稣f(shuō)。

1991年，25歲的樓瑯洪加入金屬所。他參與的第一項(xiàng)工作就是36兆瓦級(jí)地面燃機(jī)一級(jí)動(dòng)葉的國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目。在項(xiàng)目鑒定會(huì)上，他第一次見到師昌緒本人。

樓瑯洪回憶說(shuō)：“該葉片為13孔空結(jié)構(gòu)，跟9小孔鑄造空心渦輪葉片相似度很高，不僅延續(xù)了師昌緒先生當(dāng)年設(shè)計(jì)材料制造一體化的攻關(guān)思維，還傳承了空心葉片鑄造的技術(shù)路線?！?/p>

這些年來(lái)，樓瑯洪不僅成長(zhǎng)為金屬所研究員，還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)先后制備了可供航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用的系列高性能高溫合金，以及可供燃?xì)廨啓C(jī)使用的高溫合金等。

燃?xì)廨啓C(jī)有重型和輕型兩類，其中重型燃?xì)廨啓C(jī)是能源領(lǐng)域核心裝備，被譽(yù)為裝備制造業(yè)“皇冠上的明珠”。

我國(guó)自主研制300兆瓦級(jí)F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)首臺(tái)樣機(jī)總裝下線。金屬所供圖

在今年的中關(guān)村論壇年會(huì)上，“300兆瓦級(jí)F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)完成總裝”被列為開幕式十大成果之一予以發(fā)布。在這臺(tái)樣機(jī)裝載的所有透平葉片中，金屬所科研團(tuán)隊(duì)研制生產(chǎn)的數(shù)量占70%以上。這是我國(guó)首次自主研制的最大功率、最高技術(shù)等級(jí)的重型燃?xì)廨啓C(jī)，將成為帶動(dòng)高端裝備制造業(yè)發(fā)展的重要力量。

“F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣溫度約1450攝氏度，是目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)在役的主流機(jī)型。”樓瑯洪介紹，“在參與300兆瓦級(jí)F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)首臺(tái)樣機(jī)的研制任務(wù)中，我們突破了目前國(guó)內(nèi)最大的該系列燃機(jī)的等軸晶和定向空心透平葉片的精密鑄造技術(shù)?！?/p>

雖然沒能成為師昌緒直接指導(dǎo)的學(xué)生，但耳濡目染，樓瑯洪從師昌緒身上學(xué)到了很多東西：“師先生非常和藹，不僅沒有架子，還處處為人著想。”

師昌緒晚年住院期間，有一天是秘書陪床，師昌緒一夜沒去衛(wèi)生間。第二天秘書問他夜里怎么沒去廁所，師昌緒笑著說(shuō)：“我怕把你吵醒呀?！?/p>

為了表彰師昌緒作出的巨大貢獻(xiàn)，2011年12月，國(guó)際小行星中心將第28468號(hào)小行星永久命名為“師昌緒星”。

“有膽識(shí)、敢擔(dān)當(dāng)，空心渦輪葉片是他送給祖國(guó)的翅膀。兩院元?jiǎng)祝罆?。一介書生，?guó)之棟梁?！边@是師昌緒獲得2014年度感動(dòng)中國(guó)人物時(shí)的頒獎(jiǎng)詞。

在師昌緒的一生中，他一直銘記“為國(guó)家做點(diǎn)事，是人生的第一要義”。這句話也一直影響著金屬所乃至中國(guó)科學(xué)院一代又一代科研人員，激勵(lì)著他們?cè)谇拜吿剿鞒鰜?lái)的路上勇往直前。

（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2024-06-24?第4版?專題）