로켓 엔진의 녹 슬는 문제가 핵심문제

6월 28일 중국 과기일보(科技日报) 종합보도를 인용한 중국 광명망(光明网)보도에 따르면 “불수강에 녹이 슬지 않을게 할 수 없을까?” 좀 유머적인 이 문제가 중국 항천과기 집단 6원(中国航天科技集团六院)의 엔전 전문가이며 창정(长征) 5호 탑재 로켓 부총 설계사인 천젠화(陈建华)의 울화병으로 됐다.

중국의 120 t급 액화산소 석유 보충연소 순환 엔진YF-100의 연구 제조 과정에서 천젠화는 몇가지 고강도 불수강들이 모두 녹이 슬는 것을 발견했다.

지금 중국에서 창정6호, 창정7호, 5호 로켓들이 모두 비행을 했지만 천젠화는 아직도 납득할만한 답안을 얻지 못했다.  

강도와 방청성(防锈性)은 모순체  

로켓 엔진에 사용하는 철강재는 다종 특성을 구비해야 하는데 그중 고강도가 반드시 만족시켜야 할 중요한 지표이다. 수제(苏杰) 중국 강철연구 총원 특수강 연구소(钢铁研究总院特殊钢研究所) 부소장은 과기일보의 취재에서 지난날 중국의 로켓 엔진에서 채용한 불수강재료는 오스테나이스 스테인리스강(austenitic stainless steel)으로서 항복강도가 약 300 MPa였다. 그러나 새세대 탑재 로켓이 사용하는 재료의 강도는 그의 2배내지 4배에 달한다.

그런데 불수강의 강도와 방청성 즉 녹 방지성능은 물고기와 웅장처럼 다 가질수 없는 모순체이다.

“한가지 개념을 명화하게 해야한다. 불수강은 녹이 슬는다.” 수제는 “간단하게 말하면 철강재의 내식성은 주로 합금원소 크롬의 함량에 의존하는데 이 원소를 너무 많이 투입하면 강도가 제고되지 못한다. 그러므로 고강도 재료의 녹 방지 능력은 틀림없이 비교적 낮아진다.”고 말했다.

리징웬(李静媛) 베이징 과기대(北京科技大学) 재료과학과 공정학원 교수는 불수강 강도 제고 방법은 강도석출이라고 보충했다. 열처리 기술중 철강재료내부에서 일부 미립자들이 석출되면서 물질중에서 경화를 초래한다. “그러나 미립자들이 석출하는 위치에 결함이 출현하며 결함이 있는 곳의 합금원소가 감소되고 조직구조에 차이가 발생하면서 금속잴의 균일성을 파괴하고 부식을 발생한다. 즉 흔히 말하면 녹이다.”고 그녀가 표시했다.

천젠화는 로켓 엔진의 재료에 녹이 엄중하게 슬면 큰 영향을 초래하게 된다고 표시했다.  밸브의 밸브 심지에 녹이 슬면 밸브가 개폐과정에서 저항력을 만나게 되고 반응 속도에 문제를 발생시키며 녹이 엄중하게 발생하면 누설도 발생할 수 있다. 만일 파이프에 녹이 슬면 녹이 연료에 따라 유동하면서 파이프가 막히게 한다.  
천젠화는 녹발생 문제로 고민하고 있다. 그는 “창정5호 로켓은 하이난 원창(海南文昌)에서만 발사하게 되는데 조습한 환경에 노출되는 상황에서 녹이 발생하는 여부에만 나는 신경을 쓴다.”고 말했다.

그에게는 국외 엔진 재료가 하나 있는데 창고에 여러해 놓아뒀는데도 여전히 광택이 난다.

수제는 중국이 신형재료 연구 개발 차원에서 발달국가들과 비해 아직도 격차가 있는데 현재는 주로 모방제조 단계에 처했다고 솔직하게 말했다. 현재 중국의 우주 비행체 재료 다수는 국외에서 지난세기 60,70년대 사용한 재료이며 현재 재료 가공 기술이 더욱 선진적이며 생산해낸 같은 재료 성능이 더욱 좋다. 

리징웬은 이에 대해 깊은 우려를 가지고 있다. 만일 고위급 제품의 경우 국외에서 재료 성분, 기술을 공개하지 않으면 중국은 ‘목을 조여질’수 밖에 없게 된다.

그녀는 또 중국은 1류 시설을 가지고 있지만 관리수준이 국외에 비해 역시 차이가 존재한다고 인정했다. 예를 들면 발달국가들은 생산과정에서 잡질 함량을 엄격하게 통제하며 만일 순도가 불합격되면 다시 용광로에 가져간다. 그러나 중국에서는 이러한 엄격한 태도가 부족하다.    

현재 중국이 추진하는 반복사용이 가능한 로켓 엔진은 사용 시간이 더 길고 로켓 내부도 석유에 반복적으로 담그어지지만 구조를 뜯고 처리할 수도 없어 녹 방지 능력 문제가 더욱 준엄하다고 천젠화가 말했다. 또 중국의 새 세대 탑재 로켓은 현재 무인 발사를 하며 장내 사람을 싣게 되므로 안전성 요구가 더 높다. 녹발생 문제가 도대체 영향이 없는가? 이러한 문제를 반드시 파악해야 한다.

“不锈钢能不能不生锈？”这个有点黑色幽默的问题，几乎让中国航天科技集团六院发动机专家、长征五号运载火箭副总设计师陈建华落下心病。

在我国120吨级液氧煤油补燃循环发动机YF-100的研制过程中，陈建华注意到好几种高强度不锈钢都容易生锈。从2011年开始，他跟老朋友，钢铁研究总院特殊钢研究所副所长苏杰无数次沟通，双方压力都很大。

如今，长征六号、七号、五号火箭相继首飞了，陈建华仍没有得到完全让人信服的答案。

强度和防锈性能是对矛盾体

用于火箭发动机的钢材需具备多种特性，其中高强度是必须满足的重要指标。苏杰向科技日报记者介绍，过去我国火箭发动机上采用的奥氏体不锈钢，屈服强度约为300兆帕，而新一代运载火箭所用材料，强度是其2到4倍。

然而，不锈钢的强度和防锈性能，却是鱼和熊掌般难以兼得的矛盾体。

“需要明确一个概念，不锈钢是会生锈的。”苏杰说，“简单来讲，钢材的耐蚀性主要依靠合金元素‘铬’的含量，但如果该元素加得太高，强度就上不去。因此高强度的材料，防锈能力一定会较差。”

北京科技大学材料科学与工程学院教授李静媛补充说，提高不锈钢强度常用的方法是析出强化。在热处理工艺中，钢材料内部会析出一些微粒，弥散分布于基体中导致硬化。“但是，微粒析出的位置会出现缺陷，缺陷处合金元素减少、组织结构出现差异，破坏了金属材料的均匀性，就容易发生腐蚀，也就是通常所说的‘生锈’。”她表示。

陈建华表示，火箭发动机材料如果只是有点浮锈问题不大，但如果严重生锈，可能带来很大影响。

假设阀门的阀芯生锈，会使阀门在开合过程中遇到阻力，导致反应速度出问题。如果锈得厉害，还可能发生泄漏。要是管道生锈，锈块随着燃料流动，可能引起堵塞。

世界难题：国外发动机材料也生锈

生锈问题带来的苦恼，陈建华深有体会。“为了防锈，我们规定发动机见水不能超过几小时。可发动机沾水在所难免。例如做水力试验，每次做完得赶紧把发动机拉回厂里，放进炉子烘干。”他说，“长征五号火箭只能在海南文昌发射，暴露在潮湿环境下多久会生锈？我只关心这个。”

他有一块国外发动机材料，放在仓库多年依旧光亮。

苏杰坦陈，我国在新材料研发方面与发达国家还有差距，目前主要处于仿制阶段。现在我国航天材料大多用的是国外上世纪六七十年代用的材料，只是如今工艺技术更先进，生产的同样材料性能更好。

李静媛对此颇为忧虑：如果遇到高端产品，国外不公开材料成分、工艺，我们难免会被“卡住脖子”。

同时她认为，我国拥有一流的设备，但管理水平与国外存在差距。例如发达国家在生产过程中会严格控制杂质含量，如果纯度不达标，便重新回炉，但国内厂家往往缺乏这种严谨的态度。

不过苏杰说，陈建华那块国外材料后来被拿到海南，与国产材料做对比，结果两者同时生锈。“完全依靠材料自身实现高强度和防锈性能兼备，这是世界性难题。”苏杰表示。

鱼和熊掌兼得需借助外援

李静媛认为，要实现鱼和熊掌兼得，可以进行更为科学的成分设计，例如加入抗蚀性元素、强化元素等，并对各元素的加入量进行科学配比。

但苏杰认为，这是理论性的方向，正确但不适用。“对于航天动力这样高强度级别的材料，我们已经尽可能优化，兼顾了耐蚀性。”他说，“耐蚀性更好的材料有很多，但我们的核心不在于保证不生锈，而是强度、韧性等多方面性能的匹配。”

其实航天材料防锈并非不能实现，只是需要借助“外援”。苏杰说，通过材料和工艺配合，一方面利用材料自身防锈能力，一方面采用表面涂层处理或往材料内腔注入干燥空气、氮气等辅助手段，已经解决了生锈问题。

陈建华表示，六院也针对生锈问题专门开展了试片研究，并对产品适应性进行了充分考核验证。通过对贮存5年的发动机进行多次考核，发现其工作状况良好。

但他仍没有完全放心。陈建华说，对于我国正在发展的可重复使用火箭发动机，使用时间更长，其内部要反复经受煤油浸泡，又不能拆开处理，对防锈能力的考验会更严峻。又如我国新一代运载火箭，现在是无人发射，将来要是载人，安全可靠性要求更高。生锈问题到底有没有影响？这些问题必须搞清楚。

/光明网