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“利剑”护我岁月静好我为“利剑”挑战未知

时间：2022-06-06 18:11:01 | 来源：中国网

——航天科工三院306所热结构材料专业发展侧记

日前,中华人民共和国工业和信息化部公布了2021年度国防科学技术奖获奖名单,中国航天科工集团三院306所申报的《某热结构复合材料及应用》项目荣获国防技术发明一等奖。

至此,一个“昨夜独上高楼、埋头攻坚十余载;再回首,已是敢为人先、勇立潮头竞风流”的热结构材料专业开始走进了大众视线。

“祖国的需要,就是我们选择的方向”

进入21世纪,“9.11”、全球金融危机等“黑天鹅”“灰犀牛”事件,推动着国际局势暗流涌动,加速了未来世界军事战场从传统空间向新型领域不断拓展的步伐,空天飞行器的发展与应用犹如一把“出其不意、攻其不备”出鞘“利剑”,将从根本上改变传统的战争时空观念,因此成了世界大国竞相抢夺的“必争之地”。

要想锻造一把“看得见、追不上”的护国强军“利剑”,就要解决让“利剑”出鞘时,既可以飞的更快、更高、更强,却同时又不被自身产生的高温烈火灼伤,这个难点是把“利剑”从蓝图变为现实的关键点,也是刚成立五周年的306所,敢于“着眼前沿战略布局”的敏感点。

立身于“强军首责”沃土中的306所,是一家致力于航天特种材料技术研发的研究所,它深知大国重器的基础是材料,不仅要能铸造“利剑”躯体的“外衣”,还要能铸造“利剑”关键部位的“核芯衣”;它也明知这款未经问世的热结构材料,在国际国内都尚属“专业发展零起步、前途未卜多堪忧”。

“祖国的需要,就是我们选择的方向”,时任306所副所长,如今也是集团新材料领域首席专家的裴雨辰,得知国家有需求的时候态度坚定的说。

至此,306所开启了一段守护“利剑”心脏,让超高温热流快速穿过“利剑心房”,却能安然无恙的热结构材料研发攻坚战。

筚路蓝缕启山林风洞试验练“真金”

草创之际,困难与压力不只来源于缺少设备、人员、技术等这些“自身条件”,还来源于国内外其他团队的“同台竞技”,而技术指标和技术需求全国统一,这又给正在成长阶段的306所增加了一层“到底能不能干出一番名堂”的心里枷锁。

“搞科研就要有搞科研的样子,决定干了就要摆正面对困难的态度,起步晚我们可以多想想怎么奋力追赶”,当初做研究的博士生,如今已伴随着专业成长为副所长的孙同臣,再谈当年的初创困境,依然口吻坚定、眼神坚毅。

谋定而快动,为了抢占发展先机,“招兵买马、搭建设备、性能研究、工艺攻关,我们当时几乎同时并行”,组长王涛临危受命后带着组员李晓东,向着一代热结构材料发征途“踽踽前行”。

材料研究的最大特点就是在材料配方的反复调配、工艺参数的反复摸索中找到最优、不断迭代。而这,需要一定的基础资料和大量的实验验证做支撑。

对于一个在国际国内尚属于前沿阶段的新专业,能参考借鉴的资料可想而知。目之所及的资料太少,科研人员就把重心放到了实验中。

“前期实验失败的次数太多,我们对研究方向也产生了怀疑,但就算有怀疑,我们还是想再多试一次,”就是凭着这“多试一次”的坚持,孙同臣、刘俊鹏等科研人员一起捱过了“黎明前的黑暗”。

从查阅资料“了解热结构材料的来龙去脉”,到无数次构想“前沿应用层面的热结构材料应该具备的性能”,再到设计的一张张实验阶段的材料配方,在“高温裂解炉里翻云滚烫”。

几百个日日夜夜的“再多试一次”,近百种材料配方在科研团队的设想中诞生、在实验中涅槃、在涅槃中重生。

经历多次一代材料的循环迭代后,材料的耐高温等级有了明显的提升。在一个万物复苏的春天,306所研制的二代热结构材料,迎来了它的“人生大考”——地面风洞模拟试验。

风洞试验的监控视频里,材料平板像“真金”一样,被放进模拟利剑关键部位的“典型极端环境”里,将经受烈火焚烧的考验。

点火按钮启动,一股如“电光”般的气流,从屏幕前“一闪而过”,并伴随着零星的“火石”在空中“昙花一现”,“那一刻,虽然还没离开试验现场,但我们都心花怒放了,因为‘火石’越小,就说明材料的耐高温、耐烧蚀的性能越高”,在场的科研人员于新民说:“这代表着我们306所研制的热结构材料性能达到了技术指标”。

“千淘万漉”定工艺材料性能始如终

材料性能达到技术指标,说明306所的热结构材料研究,实现了“从零到一”的重大突破,具备了十分重要的科研价值,而材料研究的最终目的,是为了实现工程应用,生产出飞行试验构件,是材料研究从科研价值转向工程价值的关键一步,与材料研发问世同等重要。

如果说材料的研发没有成功的经验可以借鉴,完全是靠在无数次的尝试中完成从量到质的蜕变,那么从材料到构件研制,同样没有任何可以学习参考的经验,而这又是一个远比我们想象中更为复杂、更为曲折的攻坚过程。

做一个风洞试验中需要的小块材料平板,和做一个飞行试验中需要的大块复杂异型构件,即便相同的工艺流程,也将不可避免受到诸如温度、厚度、压力、甚至是制备工艺中浸渍速流等多种因素影响,进而影响材料性能的稳定。

“眼前这块黑、硬、轻的热结构材料,其实是一种随着环境变化,材料性能也会随之变化的‘花心大萝卜’”,科研人员刘伟介绍说“所以从材料到构件面临的主要困难在于,如何在材料尺寸放大后还能保持材料性能不变?这既是能否将构件研制成型的技术难点,也是同行业竞争中淘汰率最高的关键一步”。

从材料平板到异形构件,需要经历“高温预处理、界面层制备、热应力释放、陶瓷基体制备、内部质量检测”等五大步,长达五到六个月的研制周期,如果其中任何一步出现问题都意味着前功尽弃,都将导致研制周期延迟半年到一年、甚至一年到两年。

在“兵贵神速”“抢占市场”的科研攻坚阶段,时间就是生命,是科研工作耽误不起的最大成本。

为了快速得到如今这套性能稳定、严丝合缝的工艺方案,科研人员群策群力决定“拿空间换时间”:即在同一周期内、设计不同的研制方案、最后对比选出最优方案。

啄之磨之“玉汝成”“一飞冲天”扬美名

在经过“繁琐与大量”的实验战中“抽丝剥茧、去伪存真”,最后得到如今这套行云流水一般的工艺方案,也只是确保一个毛坯构件的合格诞生,决定它能不能从研制到应用的另一大考验,是如何在大国工匠们的精雕细琢、刀劈斧凿后保持精确成型?

机械加工的天花板在于对构件精度的高标准、严要求。不同型号的构件,哪怕存在毫厘之间的精度差异,在实现的过程中可能就会出现不同量级的难度系数,这需要大国工匠们必须具备“利剑心脏内耍大刀”“方寸之间定乾坤”的精湛技艺,同样还需要结合材料特点、机加时机、刀具选择、加工方式,再经一番“千挑万选”“屡验屡试”后,形成“对构件损伤度最低、精确成型度最高”的精湛工艺。

多一寸不可、差一厘的不行的完美搭配,保证了从材料到构件的华丽蜕变。

几年后的一个秋天,沙翻大漠黄的某试验场地传来喜讯,搭载着306所热结构材料构件的某飞行器,首飞试验取得了圆满成功。这一喜讯传递着306所热结构材料,凭借硬核实力获得了国家和上级机关的认可,再次实现了从工程价值到应用价值的进阶跨越,一举奠定国际国内行业领先地位。

要想顺利实现应用,还需要克服“质量零缺陷、控制成本、按时交付”等一系列严格苛刻的要求。

“装备生产是一个非常庞杂的系统工程,任何一个构件出现问题都会对整体起到牵一发而动全身的严重影响,306所承接交付的应用构件,必须做到质量零缺陷。”现任306所所长的柳晓辉对构件质量提出了“稳定可靠”“精益求精”“打造精品”的严格要求。

到了构件应用阶段,质量零缺陷就不仅仅要求材料研发、构件工艺的质量零缺陷,它需要的是306所各个相关部门协同配合、合力攻坚,步步工作零缺陷才能达到交付产品零缺陷。

至此,306所热结构材料专业,完成了从科研价值、工程价值、到应用价值一系列的“角色转变”。

成绩斐然十余年为国铸剑护人民

从十多年前开辟专业零起步、刻苦攻关攀高峰,到近日获得国防技术发明奖,306所热结构材料专业已走过十余年。

这是一直在成长的十余年。

这十余年,专业研究取得了从“从一代到三代、一代更比一代强”的辉煌战绩,热结构材料的耐温等级在多轮迭代中持续高升,为空天飞行器动力应用释放了巨大空间;相关技术在多个型号的的不同部位得到了工程应用,研发应用水平一跃达到了国际国内“遥遥领先”。

这十余年,专业攻坚不仅局限于复材优势、还敢于挑战舒适区,克服了原材领域短板、追溯复材上游、深挖基础材料源头,和中科院化学所进行联合攻关,研究开发了多种陶瓷前驱体新材料,为热结构材料专业“再添新丁”作出了重大贡献。

这十余年,该专业获授权发明专利已达40余项,且承担国家自然科学基金、国防基础科研、国防前沿创新、集团自主创新等一大批重大项目,先后荣获国防技术发明奖、中国发明专利奖、集团公司技术发明奖等多个重大奖项。