【材料科普】揭开航天战略贵金属“铼”的神秘面纱

门派战报

除高熔点外,铼还有强度高、塑性好等特点。因此,在高温、急速冷却或急速升温并同时有剧烈机械冲击和振动等极端恶劣的条件下,它也能够……

除高熔点外,铼还有强度高、塑性好等特点。因此,在高温、急速冷却或急速升温并同时有剧烈机械冲击和振动等极端恶劣的条件下,它也能够长时间工作,抵御变形和开裂。此外,特殊的电子构型使铼及其化合物都具有优异的催化活性。铼的这些特性使得它很快进入了科学家们的视野,并在工程界得到了大量运用。

铼具有优异的可塑性

王者归“铼”

在世界上所有的机械设备中,火箭发动机毫无疑问是最为复杂的一种,它被誉为人类工业智慧的“皇冠”,而在火箭发动机的所有部件中,涡轮泵一直占据着发动机系统的“C位”,被称为“液体火箭发动机心脏”。涡轮泵由两部分组成,即涡轮部份与泵部份。这两部分承载着涡轮泵最重要的两个使命。

火箭发动机RD-170涡轮泵

使命一 增压

这和心脏泵血的效果完全一致,不过,比起心脏有规律的跳动挤压,涡轮泵的工作方式更为“暴力”。液体火箭发动机是一个不折不扣的吃货,工作几分钟就要消耗几百吨的液体燃料。因此,涡轮泵的功率不是一般的大,以我国著名的长征七号火箭为例,它的第一级大约要装 450 吨煤油和液氧,这 450 吨燃料要在 187 秒内用完,也就说它几台发动机的涡轮泵加起来,每秒要喷出 2.4 吨燃料。假如它是个水泵,它这个输出压力,可以把海面上的水打到 5000 米高空,直上青藏高原。除此之外,涡轮泵还连接着火箭最冷与最热的两个部分——燃料室和燃烧室。燃料室储存着液氧和液氢,存放温度维持在零下180-250摄氏度左右;但它们燃烧后的燃气温度高达数千摄氏度。意味着,涡轮泵要同时经受极冷和极热的考验。因此,从工作强度与工作环境来看,它是一颗名副其实的钢铁心脏。

使命二 旋转

涡轮泵是液体火箭发动机中高速旋转组件,也是发动机重要组合件中唯一一个高速旋转类机械。在燃气高达数千米/秒的排出速度下,涡轮泵承受着强力震动、噪声与高压,严重挑战着它的结构强度。据统计,在火箭发动机发生的故障中,约有一半左右发生在涡轮泵中。从这方面看,火箭发动机这个钢铁直男的外表下,藏着的还是一颗玻璃心,不敢受一点伤。

面对这样严苛的工况条件,涡轮泵体材料必须要同时满足耐高低温、不能变形、不能断裂的苛刻要求。而前文提到的铼一系列强大特性,使其成为了铸造泵体合金的最佳拼图。可以说,没有铼就没有先进的火箭发动机。

猎鹰九号火箭发射

(下面是燃气的烈焰,上面是低温燃料导致的寒冰)

未“铼”可期

美国作为最大的铼金属消费国,控制着全球销售市场,一直处于垄断地位。比如世界上最大的铼资源生产商——美国钼金属公司,它早就在智利、墨西哥、哈萨克斯坦等铼资源丰富的国家进行布局,这些国家的大部分铼产量都被该司以长期合同的形式垄断性占有。并且,受制于欧美出口限令,中国的铼供应量一直低于欧美国家。

铼的主要伴生矿——辉钼矿

除此之外,欧美的两次工业革命为他们积累了大量的发动机经验,早在110多年前,美国就开始研究发动机了,而我国发动机技术的研究要比西方晚了50年,加上建国初期西方的孤立政策,导致我国的发动机研究几乎是从零开始的,所以真正满打满算我国发动机的研究只有30多年。所以,也就不难理解,为何火箭发动机为何一直是我国的航天事业的一块短板。

但是,“望而却步、临阵退缩”从来就不存在于中国航天人的字典里,“迎难而上、勇于创新”才是流淌在航天人血液里的主旋律。在夜以继日的科研攻关下,我国航天科研团队已经在铼单晶涡轮泵体制造技术上取得突破性进展,明确了单晶缺陷形成机制,并将研究成果在铼合金涡轮泵的制造上进行了生产验证。更为喜人的是,我国的地质科考团队相继在陕西、河南、吉林等地发现了辉钼矿藏,减轻了我国对进口铼资源的依赖,极大地缓解了中国航天“巧妇难为无米之炊”的尴尬窘境。

伴随着中国科技工业的崛起,中国的火箭、导弹还将使用上含铼耐热涂层,载人飞船、空间站也会相继用上铼制高温部件。此外,在海空军事领域,未来的无人机和高超速飞行器上也会出现铼的身影。相信在中国航天人的不懈努力下,中国航天必将摆脱“心脏病”的困扰,展翅腾飞,未来可期。

图文 | 脊椎动物

排版 | 大钩

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