小火箭出品

本文作者：邢强博士

本文共5220字，63图。预计阅读时间：40分钟。

本文是小火箭航空航天经典元素与材料系列文章第1季的第3篇。在本季文章的开篇《液态氢，一匹桀骜不驯的野马》中，小火箭介绍和分析了氢元素，尤其是液态氢在导弹与运载火箭中的重要作用，指出了想要驯服液氢这匹动力强劲又个性十足的野马需要非凡的耐心和先进的技术。

本季第2篇《铍：洲际弹道导弹与核武器的关键材料》，小火箭指出了铍这种材料在洲际弹道导弹与核武器以及其他领域的应用。

本文，小火箭将与大家一起探讨在现代航空发动机与航天发动机中都有着重要作用的一种战略级金属：铼（音：来）。

上图从左至右，依次为：纯度为99.9999%、99.995%和99.99%的铼。

发现

1869年，门捷列夫发现了元素周期律，并就此发表了世界上第一份元素周期表。他把元素按原子量的大小顺序排布的同时，将原子价相似的元素上下排成纵列。

在那之后，门捷列夫老爷子一直在不断地丰富和完善元素周期表的内容。他在1871年预言，在锰副族中，会有尚未发现但却一定会存在的元素。当时，他把这个元素叫做次锰。

1912年，英国天才物理学家亨利·莫塞莱发现，放射性物质在发生β衰变时会产生高电势能，从而发明了世界上第一块核电池。

1913年，作为卢瑟福博士的助手（有关卢瑟福博士的内容，详见小火箭公号文章《电子火箭：小火箭聊在新西兰发射的新型小火箭》），莫塞莱的物理学天赋展露无遗。

他发现了原子序数的概念，而这个是现代我们使用的元素周期表的重要组成部分，出现在每个元素小方块的左上角。

莫塞莱通过进一步研究，认定：当时至少尚有4种新元素未能被人类发现，依次为43、61、72和75号。（本文的主角铼Re，就是75号元素。）

然而，就在莫塞莱准备向这些尚未发现的元素挺进时，第一次世界大战爆发了。

热血沸腾的莫塞莱从牛津大学的实验室中走了出来，加入了英国皇家工兵部队，任通讯官一职。

1915年2月，加里波利之战爆发。英法联军用62艘军舰与大量辅助船只强行闯入达达尼尔海峡，力图打通博斯普鲁斯海峡，然后占领奥斯曼帝国首都伊斯坦布尔。

加里波利之战是第一次世界大战中非常著名的一场战役，同时也是人类历史上到第一次世界大战为止规模最大的一次登陆战。协约国在这场耗时11个月的战役中牺牲了71985万人。

这些牺牲的人当中，就有年仅27岁的物理天才莫塞莱。

后来，科研科普与科幻三相大师阿西莫夫认为，如果莫塞莱待在实验室，他应该会获得1916年的诺贝尔物理学奖。

后来，是一对夫妇提炼出了75号元素。不是居里夫妇，而是诺达克夫妇。

而此时，已经是10年后的1925年了。

（1908年，日本物理学家小川正孝实际上已经发现了75号元素铼，可惜的是他当年误认为那是43号元素，错失了良机。）

图为艾达·诺达克（结婚前叫 艾达·斯塔）博士在实验室的照片。她是人类当中第一位提出核裂变概念的科学家。

诺达克夫妇用了整整3年的时间对钒铁矿进行提纯，终于在1925年5月得到了2毫克的75号元素。

两人商议后，决定用流经艾达出生地的莱茵河的名字来命名这种千呼万唤始出来的元素。

莱茵河（德语：Rhein，英语：Rhine），铼元素：Rhenium。

厉害

这种被门捷列夫预言，被莫塞莱定位，最终被诺达克两口子定名的75号元素，有什么过人之处么？

哈！小火箭在这里只能说：厉害了！75号元素铼！

首先，铼的名字虽然出自莱茵河，但却暗含了千呼万唤始出来的意味。铼是人类最后一个发现的稳定元素。

其次，铼在地球中的含量非常非常少，是地球上最为稀有的元素之一，比铼更稀有的也就是铱等少数几种元素了。铼在地球上的含量只有十亿分之一（甚至有科学家认为只有二十亿分之一）。按排名来说，在各种元素中，排第77位。

按年产量来说，铼的峰值产量（不包括回收的铼）为4.5吨。作为参考，小火箭给出黄金的年均产量为1400吨。金子的产量是铼的311倍。

第三，铼非常耐高温。铼的熔点是3186℃。纵观元素周期表，这个熔点排第3位。从耐高温的角度来看，铼仅次于碳和钨。（碳没有熔点，只有升华点，为3642 °C；钨的熔点为3422℃。）

而铼的沸点为5596 °C，这一点，铼打遍整个元素周期表，尚未遇到对手，排名第一。

第四：铼非常耐腐蚀。强酸和强碱都不能奈何铼。把浓盐酸和浓硝酸按3:1的体积比混合，就制成了酸性和氧化性爆棚的液体：王水。王水能够溶解黄金和白金（铂）。

但是，在常温常压状态下，王水对铼也是没有办法的。铼能抵抗王水的侵蚀，够厉害了吧！

航空

上图为典型的轴流式涡轮喷气发动机图解（浅蓝色箭头为气流流向）

1 - 吸气, 2 - 低压压缩, 3 - 高压压缩, 4 - 燃烧, 5 - 排气, 6 - 热区域, 7 - 涡轮机, 8 - 燃烧室, 9 - 冷区域, 10 - 进气口

提升喷气式发动机性能的惯用途径在于布雷森循环的后半段，即等熵膨胀和等压放热阶段，或者简单来说就是要设法升高喷气发动机的涡轮前温度。涡轮前温度的升高对发动机性能的提升效果极为明显，而且提升涡轮前温度涉及到耐高温材料、冷却技术、涂层技术乃至发动机总体设计等方方面面，因此，涡轮前温度在如今已经成为给喷气式发动机进行划代的一个比较偷懒的方法了。

对于喷气式飞机上面采用的发动机来说，以J57（用于B-52、波音707）为代表的涡喷发动机，其涡轮前温度在1300K以下。

另外，沿用了活塞式发动机的功率/重量比的概念，喷气式发动机有一个更加直接的推力/重量比的概念。此时的喷气式发动机的推重比在3到4之间。后来，以J79、TF-30为代表的发动机将涡轮前温度提升到1500K，推重比上升到了5到6之间。

而涡扇发动机概念的出现，给喷气式发动机的发展带来了新的活力。这种将空气的流道分为内外两个涵道的做法，更加充分地利用了让涡轮和风扇旋转的能量，提升了燃油利用率。

以F100和RB-199、AL-31为代表的涡扇发动机（上面3张图依次为F100和RB-199、AL-31），其涡轮前温度达到了1700K，其推重比也大多在7.5和8之间。

进入21世纪之后，工程师对推重比的追求开始白热化，而高温合金和先进涂层技术的发展更是促使喷气式发动机的涡轮前温度向2000K迈进，以F119和EJ200为代表的发动机的推重比纷纷开始准备跨越10这个大门槛。

早期涡喷或者涡扇发动机的温度较低，用高温镍合金是可以对付的。

比如某型合金为：

镍+11.5%的石墨。

到1000℃（1273K）时，合金成分开始变得复杂。

比如某型合金：

镍+12%的铜+4%的镉+16%硼的氮化物+2%的铝+3%石墨。

高温合金的精细结构到底长什么样子？

小火箭满足你：

那个时代的航空发动机用的高温合金，以PWA 1480为代表。长得像不像外星人的飞船？

再先进一些的高温单晶，以CMSX-4为代表。

随着航空发动机涡轮温度的提高，其叶片的蠕变现象变得越来越不可忽略了。

所谓蠕变，也称潜变，是在应力作用下固体材料缓慢且永久的变形。它的发生是低于材料屈服强度的应力长时间作用的结果。当材料长时间处于高温或者在熔点附近时，蠕变会更加剧烈。蠕变速率常常随着温度升高而明显加剧。

上图为装备在狂风战斗机上的RB199发动机的涡轮叶片的蠕变。

铼终于被想起来了。

研究表明，在镍基超级合金中加入铼，能够显著提高涡轮叶片的抗蠕变性能，同时还能提高叶片的抗氧化和抗疲劳性能。于是，这就造就了含有铼的新一代单晶高温合金。

实际上，美国早就在悄悄地在发动机高温合金中添加铼了。

装备在F-15、F-16战斗机和X-47B无人机上面的普惠F100发动机家族的涡轮叶片的合金中，就试验性地添加了3%的铼，其抗蠕变效果显著。

到了装备在F-22战斗机上面的普惠F119系列发动机的时候，尝到甜头的美国工程师将铼的添加量增加到了6%。

从铼的含量上来说，镍基单晶高温合金从PWA1480以来，已经发展了四代，大致上可以这样划代：

第一代，不含铼；

第二代，含3%的铼；

第三代，含6%的铼；

第四代，含4%的铼和4%的钌。

实际上，美国、欧洲、中国等拥有自主研制航空发动机能力的国家都在对铼这种厉害的金属垂涎三尺。

目前，全球的铼金属的产出中，有70%被用在了航空发动机上。

其中，英国的罗罗公司这一家，就使用了全球28%的铼，美国通用电气用了28%，美国普惠公司使用了12%。

这三家发动机巨头使用了全球68%的铼，可见铼这种金属与航空发动机领域的缘分之深。

航天

在2200℃的高温下，用铼合金制成的火箭发动机喷管能够经受住10万次以上的热疲劳循环！

因此，铼在火箭和卫星领域同样有着重要的用途。

上世纪80年代，休斯公司（有关休斯公司与霍华德休斯本人，详见小火箭的公号文章《两次奔月！一颗传奇废弃卫星的自我救赎之路》）的601HP卫星平台上，开始尝试使用铼合金喷管。

这是阿波罗飞船上面的R-4D姿态控制发动机。

这发动机的设计非常经典，以至于在上世纪60年代之后，虽然阿波罗计划早已远去，但是R-4D发动机依然在应用中。

比如世界上最大的货运飞船欧洲自动运载器上面，就采用了R-4D发动机。（具体型号是R-4D-11）

从R-4D-14开始，该发动机的喷管采用铼合金打造，并在内层铺上了铱合金涂层。

这样的火箭发动机，内部燃烧室最高温度接近2200℃，而外侧则是接近绝对零度的宇宙空间，温差巨大。

由于采用了铼，R-4D-14发动机干脆不用液膜冷却了！就这样干烧。

按目前的设计指标，干烧15小时，是没有问题的。真是太省事了。（用铼合金做成锅来做法的话，岂不是不怕忘记关火了？）

采用R-4D-14铼合金喷管发动机的休斯601卫星平台（当然，休斯公司的卫星业务被波音收购后，该平台现在的名字叫波音601了。）

在导弹上，铼金属也是有应用的。

美国先进海基反导拦截弹项目的拦截弹，使用了铼合金制成的薄壁喷管。

另外，既然铼喷管这么厉害，那么传统的带液膜冷却的发动机就可以被这样的一种设想所替代：

用太阳能帆板获取能量，加热火箭燃烧室内的液氢，产生巨大的热量。极热的氢通过铼喷管喷出，产生高效能的推力。这种单组元火箭发动机的成功与否，直接依赖于铼喷管的耐热性能。

蕴藏

铼的主要来源是作为铜矿副产品回收的辉钼矿。实际上， 铼并不能从矿石中直接提取, 而是要从硫化铜矿或者辉钼矿焙烧产生的烟尘中，先用浸出法，再用溶剂萃取法或离子交换法提炼而得。

辉钼矿

产自加拿大魁北克的一块石英上，生长着一大块辉钼矿（外接圆直径15毫米）。

小火箭做了个图。

全球铼的具体蕴藏量尚不明确，但从探明储量上来看，全球有2500吨的铼。

大部分铼蕴藏在智利（1300吨），其次在美国（390.1吨），然后是俄罗斯（310.4吨）。

上图那个其他国家中，秘鲁和加拿大占去了大多数。

说起俄罗斯的铼，就不得不提一个小岛了。1994年，科学家在俄罗斯南千岛群岛的择捉岛上的库德里亚维火山上发现了铼。原来，这座岛上的火山每年都向外以二硫化铼的形式喷出一些铼。

择捉岛的火山喷出的二硫化铼长这样：

从23年的观测和统计来看，该火山每年最少喷出20公斤铼，最多的一年，喷出了60公斤铼。

包括择捉岛在内的四座岛屿（日方称作“北方四岛”）是日本与俄罗斯领土争端的重要区域。

小火箭觉得，单纯从择捉岛富产铼金属这一个因素来看，俄罗斯也终将不会丝毫放松对该岛的控制的。

上图为第二次世界大战期间，苏联对日本宣战的官方文件的扫描件。

与小火箭之前讲到的铍不同，可惜的是，在铼资源方面，中国没能有得天独厚的条件。

在可预见的将来，到2030年，全球仅民航客机的新机交付量就会达到3.4万架，因此发动机的需求在7万台左右。即使是按新工艺中对铼的依赖程度较低的配方，发动机涡轮叶片也需要1700吨的铼。

考虑到铼的回收，综合算来，仅在民航客机的生产上，未来对铼的年均新需求会在86吨左右。

这样算来算去，可以发现，如果再加上军用航空发动机和火箭发动机的需求的话，目前全球蕴藏的这些铼是不太够用的。

另外，在催化领域，铼的需求量也是很大的。含有30%铼的铼铂合金是催化重整过程中的一种重要催化剂。这种石油加工过程能够提高石脑油的辛烷值。

在航空发动机大量应用铼合金之前，石油催化领域是铼的主要需求方。

当然，全力以赴争取铼这种战略物资的供应是一种解决方案，而在高温合金中寻找减少对铼依赖的配方也是一种巧妙的解决方案。

北京航空航天大学的宫声凯、邓淞文、徐惠彬教授团队曾在2007年就给出了一种不依赖于铼金属添加的单晶高温合金方案。

配方如下：

镍+7.5%的钨+7%的铬+5%的钴+6%的铝+6%的钽+0.75%的钛

这样的单晶合金能够在1040℃下保持良好的性能，基本上能够达到第二代单晶的水平。

这台CFM56涡扇发动机的涡轮叶片依然使用了含3%的铼的镍基单晶高温合金。而在后续的升级项目中，一个重要的目标就是在发动机性能不变甚至有所提升的前提下，将铼的用量从目前的3%降到1.5%。

小火箭相信他们有这个动力来这样做，毕竟，每公斤的铼价值4575美元（每盎司142.30美元），也就是每公斤铼的价值约3万元人民币。在每个叶片中添加3%的铼，会让叶片的成本提高72%。

但是，无论如何，把获取和储备铼资源作为一项长期战略来加以实施是符合我们的发展需求的。