不需要检修的发动机

    美国航天局正在进行一项避免威胁发动机内部灼热新技术的研究，太空船和汽车将从中获益。一旦人类重新登上月球，像在新出版的《太空探险之所见》中所描述的情况一样“在那里生活和工作更加长的时间。”那么，为了运送地球的人和物体到月球上，航天器将必然日益频繁的飞行在地球和月球之间。
　　
　　如果在地球轨道上建一个可以停靠太空船的“太空渡口”，以它作为中继站，地球的上的人员和物质通过它中继，然后转运到月球，而不是每次都返回地面，然后再运送到月球。这样可以节约经费和燃料，这是一种使登月计划更加经济的想法。不久以后，一种小型的运输工具将可以进行渡口和地面之间人员的运输。
   
　　这是一个很好的想法，但在实施时，却有一定的困难，主要是航天器的维护问题。你将如何维护一个永远不返回地球的航天器呢？

　　目前航天飞机的主发动机是靠外挂贮箱中的液体燃料发动的，在每次结束太空飞行后，航天飞机都必须返回地面，进行主发动机的大检修。发动机燃料室内的条件很恶劣，发动机工作时进行的化学反应，产生超过2760°C的高温，这将使燃料室内的衬垫变得十分粗糙。在高温作用下，衬垫的内表层材料慢慢变成粉状和薄片，如果每次飞行任务后不将表面修整的话，这种侵蚀将变得越来越严重。在几次登月旅行以后，如果停留在“太空渡口”的航天器还不送回地球进行检修的话，发动机也会出现此问题，最终将威胁到太空渡口的安全。

　　特殊的涂料能保护发动机的燃烧衬垫免受损害，但是这些涂料也有一些缺点。因为在加热的情况下，材料会发生明显的膨胀，火箭燃烧时涂料的膨胀与衬垫的膨胀程度是不同的。涂料与衬垫之间原来就是有分界线的，高温作用下这两种材料膨胀程度不同，将导致它们的分离和涂料的脱落。因此，需要进行定期的维护。

　　现在，美国宇航局马歇尔太空飞行中心的科学家们已经研究出解决这一难题的方法了。他们采用一种先进的“真空等离子”技术，将涂料和衬垫喷射到一个模具上，使它们一层层变厚。这项新技术的优点是可以消除燃烧室中涂料和衬垫之间明显的界限。具体的方法是在将微米厚的一层层材料喷到模子上时，涂料和衬垫材料的比率逐渐发生改变，开始先喷射100%的涂料材料，然后变为喷射50%的涂料和50%的衬垫材料混合物，最后再喷射100%的衬垫材料，形成两种材料之间逐渐转换。这样，由于热膨胀导致的应力将分布在整个过渡区，而不只是集中在明显的分界线上。结果研制出一种非常耐用的火箭衬垫。
  
　　目前，美国已经建成了一个能够承受一百多次连续烘烤的发动机燃料室，在此期间，衬垫上没有出现轻微的粗糙或起泡的现象。一名MSFC的工程师理查德·霍尔姆说：“至少在我们实验的范围里，在重复实验的过程中，燃烧室的衬垫没有出现损伤情况”。因此，采用此项新技术的火箭，可用于太空渡口和下一代航天器发动机燃烧室，与其它的火箭相比，它有很大的竞争力。此外，在其它行业中，它也十分有用，例如，这项技术也可能用于提高赛车的发动机性能以及改进普通汽车发动机的功率。

　　涂料本身是一种由镍、铬、铝和稀有金属组成的合金。这种合金除了具有防侵蚀的作用外，它也是一个很好的热绝缘体，在发射温度达到200°F的时候，降低火箭燃料耐热层的温

　　这种热的绝缘体和电阻的化合物为赛车和汽车的发动机提供保护，发明这项新材料的工程师赫尔母斯说。赛车的发动机转数远远高于普通车——通常超过12，000转数/分，而大多数汽车的转数在6000至8000之间。这样高的转数带来更大的磨损和破裂，因此必须经常检查赛车的发动机。真空等离子技术研制的一种含有氧化锆的NiCrAlY涂料（一种陶瓷热障涂料），可以提高这些发动机活塞头和汽缸头的使用寿命。

　　轿车发动机是不能承受像赛车一样大压力的，但是它们却消耗了大量像热这样的能量，也就是为什么轿车的功率是如此低。Holmes推测用NiCrAlY包住活塞头和发动机的阻塞汽缸头，将使受热燃料燃烧释放更多能量和有更长寿命。
   

　　图4：在这个内层有银色衬垫火箭推力室的金属样品就是NiCrAlY

　　时间将会告诉我们这个工程师们发明的、被称为功能梯度材料的新技术有什么用途，而且此技术已经得到改进。赫尔母斯和他的伙伴一起，对用这种方法研制的小推力室衬垫进行过100多次试验，他们按照太空船的设计尺寸按比例增大，进行更大推力试验。

　　在这项技术的支持下，新一代载人太空探险将能够比预期的走得更远。

　　编者按：这个故事中介绍的技术是基本材料科学研究的副产品。几年前科学家在太空炉中采用了此技术融化合金和半导体。在微重力情况下融化和冷却这些物质是了解它们基本成分的一个好方法，也许能够研制出一种地球上从未有的金属。但也有一个问题：像砷化镓这样的半导体可以腐蚀炉子里盛原料的金属容器。在美国宇航局生物与自然研究所的支持下，FGM加工中使用的真空等离子技术已经取得进一步发展，可以包住和保护这些容器内的材料。更先进的火箭发动机将受到热烈欢迎。（唐承革  沈羡云译）