飛機如何才能飛得高、飛得快、飛得遠(yuǎn)？

60多年前，憑借一張草圖，一批來自中國科學(xué)院金屬研究所（以下簡稱金屬所）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)，研制出我國首個航空發(fā)動機的空心渦輪葉片。

如果把航空發(fā)動機比作飛機的“心臟”，那么空心渦輪葉片就是“心臟主動脈”。

當(dāng)年，金屬所老一輩科學(xué)家不僅為我國研制出飛機強有力的“中國心”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？我從來沒聽說過，也沒見過?！?/p>

1964年的一個冬夜，時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，帶來了一項在當(dāng)時看來不可能完成的任務(wù)——邀請他參與研制航空發(fā)動機用的空心渦輪葉片。

幾個小時前，在一場關(guān)于我國新型航空發(fā)動機的研討會上，包括榮科在內(nèi)的參會人員經(jīng)歷了一場激烈的爭論——如何讓我國新型戰(zhàn)機殲-8的推動力提高20%？

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

國外研究發(fā)現(xiàn)，空心葉片可以通過內(nèi)部冷卻通道內(nèi)的空氣實現(xiàn)對葉片的冷卻，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，美國成功研制出空心渦輪葉片，使戰(zhàn)機的飛行速度和作戰(zhàn)性能大幅提高。而當(dāng)時中國空軍的主戰(zhàn)飛機還是以蘇聯(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。

美國干成了，但中國能干成嗎？對此，榮科不確定，他想到請好友師昌緒出馬。

當(dāng)聽說國外已經(jīng)有類似產(chǎn)品時，師昌緒讓榮科憑記憶畫出一張空心渦輪葉片的草圖。拿著這張簡單得不能再簡單的草圖，師昌緒當(dāng)場表示，愿意接受這個任務(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——“外國搞了多少年，現(xiàn)在才剛有眉目，我們能行嗎？”“鑄造實心葉片還沒做成，就想鑄空心葉片，是不是步子邁得太大了？”

說實話，師昌緒對如何鑄造空心渦輪葉片一無所知，能否在一年內(nèi)攻關(guān)成功，他也沒把握。

“雖然我心里沒底，但國外已經(jīng)有了，我們也一定能做出來?！睆娏业呢?zé)任感和使命感讓師昌緒下定了決心。

另一個讓他決定“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)域已積累了相對豐富的經(jīng)驗。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際水平的渦輪葉片材料M17合金，“實戰(zhàn)”能力得到了充分驗證。

次日，師昌緒向金屬所時任黨委書記高景之和所長李薰進(jìn)行了匯報，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。這是一個包括冶煉、造型、脫芯、控制合金質(zhì)量、疲勞測試，以及制定驗收標(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。

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)組就遇到一個大難題——如何在實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，長度約10毫米，葉片下邊還有一個彎角。”師昌緒當(dāng)年的助手、金屬所研究員朱耀霄回憶說，關(guān)鍵難點在于如何定位，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、高強度、化學(xué)穩(wěn)定性、尺寸精度和表面光潔度5個特點。

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，還專門請中國科學(xué)院冶金陶瓷研究所（中國科學(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，要么就是最后無法脫芯。

正當(dāng)眾人為型芯材料的選擇一籌莫展時，一本外國雜志上的細(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——石英的熔點在1700攝氏度以上，軟化點很高，耐壓和抗張強度較高，而抗沖擊折斷強度卻很低，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，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，師昌緒等人在簡陋的鑄造實驗室里試制出我國首個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，從另一端冒出來時，高興地用湖南話大喊：“通啦！通啦！”

航空發(fā)動機葉片樣片。

3?有驚無險，試車從失敗到成功

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

然而，裝機測試才運行了不到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)時現(xiàn)場不少人流下了眼淚。

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，葉片有5個榫齒，在葉片的第一榫齒根部，既有疲勞應(yīng)力，又有高速旋轉(zhuǎn)時的離心力。因此，第一個榫齒受到的力最大。根據(jù)這一分析，第一榫齒在設(shè)計上應(yīng)該主要承受疲勞應(yīng)力，而離心力由后面的幾個榫齒承受。

師昌緒果斷拍板，大家按照這個思路進(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，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。這是一項具有開拓性的研究成果，它使我國渦輪葉片的發(fā)展一步邁上兩級臺階——由鍛造合金改為真空鑄造，由實心葉片改為空心葉片。

這項工作也使我國成為繼美國之后世界上第二個成功采用精鑄氣冷渦輪葉片的國家，僅比美國晚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，先進(jìn)渦輪發(fā)動機的燃燒室溫度，已經(jīng)由原來約800攝氏度提高到約1800攝氏度，飛機的性能由此大幅度提高。

20世紀(jì)80年代初，國外一家知名發(fā)動機制造公司的總設(shè)計師來沈陽參觀，在看到我國歷時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，我就沒白來中國一趟。我們用了8年才研制成功，但一直不敢使用?！?/p>

4?不辭辛苦，深山老林中實現(xiàn)量產(chǎn)

時間轉(zhuǎn)眼來到1975年，第三機械工業(yè)部（中國航空工業(yè)集團公司前身）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小分隊，由師昌緒帶隊支援該廠生產(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)小分隊從沈陽出發(fā)，路上就用了兩天時間。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，這對當(dāng)時已年近60歲、患有糖尿病的師昌緒來說，是個不小的挑戰(zhàn)。

小分隊成員之一、金屬所研究員趙惠田曾回憶說：“我們住的是最簡易的招待所，水管里放出來的水是渾的，必須沉淀一會兒才能飲用；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，根本無法下咽。”

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

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)品檢測與標(biāo)準(zhǔn)的制定，師昌緒帶領(lǐng)金屬所小分隊深入工廠，牽頭攻關(guān)。

老廠長王新民回憶說：“師先生不僅把關(guān)鑄造技術(shù)，對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。”

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

“一個葉片關(guān)系到一架飛機的存亡、一名飛行員的生命。”王新民說，“每次他都可以從中找出合格的和真正要報廢的葉片，并通過這樣的挑選確定了標(biāo)準(zhǔn)和檢驗方法，最終確保葉片順利實現(xiàn)批量生產(chǎn)?！?/p>

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

1983年，師昌緒（右一）與航空發(fā)動機廠的工程師討論問題。

在隨后幾十年時間里，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，該廠也已成為國內(nèi)生產(chǎn)量最大、最安全的航空發(fā)動機渦輪葉片制造商。直到現(xiàn)在，我國某些機種的發(fā)動機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年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎。

5?“為國家做點事，是人生的第一要義”

由于工作變動，1984年8月師昌緒從沈陽到北京赴任，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。

對于一架飛機來說，發(fā)動機是“心臟”；對于一個國家來說，航空工業(yè)是關(guān)系到國家安全、國民經(jīng)濟發(fā)展和綜合國力的戰(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)動機空心葉片。

“隨著冷卻孔腔的設(shè)計從簡單到復(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)計要求?！敝煲稣f。

1991年，25歲的樓瑯洪加入金屬所。他參與的第一項工作就是36兆瓦級地面燃機一級動葉的國產(chǎn)化項目。在項目鑒定會上，他第一次見到師昌緒本人。

樓瑯洪回憶說：“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，樓瑯洪不僅成長為金屬所研究員，還帶領(lǐng)團隊先后制備了可供航空發(fā)動機使用的系列高性能高溫合金，以及可供燃?xì)廨啓C使用的高溫合金等。

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

我國自主研制300兆瓦級F級重型燃?xì)廨啓C首臺樣機總裝下線。金屬所供圖

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

“F級重型燃?xì)廨啓C的進(jìn)氣溫度約1450攝氏度，是目前國際、國內(nèi)在役的主流機型。”樓瑯洪介紹，“在參與300兆瓦級F級重型燃?xì)廨啓C首臺樣機的研制任務(wù)中，我們突破了目前國內(nèi)最大的該系列燃機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?！?/p>

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：“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，國際小行星中心將第28468號小行星永久命名為“師昌緒星”。

“有膽識、敢擔(dān)當(dāng)，空心渦輪葉片是他送給祖國的翅膀。兩院元勛，三世書香。一介書生，國之棟梁?！边@是師昌緒獲得2014年度感動中國人物時的頒獎詞。

在師昌緒的一生中，他一直銘記“為國家做點事，是人生的第一要義”。這句話也一直影響著金屬所乃至中國科學(xué)院一代又一代科研人員，激勵著他們在前輩探索出來的路上勇往直前。

（原載于《中國科學(xué)報》?2024-06-24?第4版?專題）