深耕喷砂技术数十载，破解百年力学悖论

在国内航空航天、军工精密制造领域，喷砂工艺长期存在一道难以解释的技术悖论，同等能耗下吸入式和压入式两类喷砂设备效率差距悬殊，完全违背了经典牛顿力学能量守恒定律。自该技术发明一百五十多年以来，行业内无数科研与从业人员也反复试验摸索却始终未能找到问题根源，而深耕军工光学与流体装备双领域四十余年的刘毅及其团队凭借扎根国防配套产业的积累，主动扛起破解这一行业难题的重任。这可以追溯到刘毅的求学与从业起点的1979 年，那时的他成功考入长春光学精密机械学院，系统学习光学仪器设计、误差评价、机械制造相关专业知识，四年的专业学习为他后续深耕设计技术和自主研发筑牢了理论根基，1983 年毕业后，刘毅进入北京某国营光学仪器厂正式开启职业生涯，该厂核心业务是军用光学仪器研制，这让他能亲身接触军工产品的严苛的加工工艺和质量标准，也关注到表面工程在国防装备的可靠性和使用寿命方面起着一锤定音作用，为日后钻研表面工程及流体技术做好了前期准备。

1990 年之后，刘毅的职业轨迹持续围绕军工产业延伸，先后辗转中关村时代集团、外资企业、中航技、3D 打印北京隆源快速成型系统有限公司、中国农业机械化科学研究院等多家单位任职，无论岗位如何调整，他的核心工作始终围绕军工产品研发、制造与配套技术服务展开，从未脱离国防装备制造赛道。在中航技任职期间，他深度接触到各类军工喷砂装备，频繁参与国内外喷砂技术交流、设备测试与军工工件工艺验证。正是这段工作经历，让他首次接触到喷砂技术，也发现了其中存在于压入式喷砂机和吸入式喷砂枪之间的效率悖论和 “貌似能量不守恒”现象。对于该现象，至今国内外行业资料、学术论文和文献均没有看到具备说服力的理论解释，有些人也做了各种尝试，但仍苦于没找到问题根源，喷砂枪效率持续在低效率中徘徊。对此问题耿耿于怀的刘毅在临退休时，迎来了解决问题的机会。自己开公司，集中精力，研究该问题。

2017 年，刘毅辞掉现有职务，创立自己的北京溢流流体科技有限公司。成立企业的初衷与众不同，不是单纯拓展商业，而是借助退休前后完整可自主支配的时间，从原理设计起步全身心投入到了自中航技工作期间就紧盯的喷砂技术所谓悖论的研究。给自己搭建不受项目工期、企业分工限制的独立科研平台，系统性地开展空气动力学仿真与设备迭代研究。公司创立初期，刘毅便清晰规划了发展路径，一方面同步推进改良型喷砂枪产品落地销售，另一方面半路出家，系统性自学多款行业顶尖数字化研发工具，有意识地逐个掌握相关赋能软件，如工程设计软件Solidworks，数值仿真软件Ansys和Workbench，流体计算软件Fluent等现代化工具。这些工具的使用不仅仅是提高了改进设计的进度和效率，最重要的是将不可见流场可视化了。首次通过可视化的压力云图和速度云图以及速度曲线图清楚地找到了困扰百年的导致效率低下的传统喷砂枪内部的结构性和原理性原因。其原因在于喷气嘴和喷砂嘴都是采用直管，而在直管中气流有一个特点，无论输入压力如何变化，管中气流速度最高不可能超过1马赫。

找到问题所在，解决问题就只是时间问题了。针对性运用超声速空气动力学理论改造喷砂枪，推出了风洞式枪和诱导式枪。由于问题找得准，理论运用合理，这两个系列的喷砂枪性能直追压入式喷砂机的平均效率，甚至诱导式枪还会有所超过。理论和实践都证明：排除了长期存在的原理结构问题后，牛顿经典力学尤其是能量守恒定律在喷砂技术领域仍然是坚不可摧的。

不同于压入式喷砂机的喷砂能量来源于高压势能，吸入式喷砂枪的高速气流动能是喷砂能量的唯一来源，气流作用于砂粒的拽力是其获得速度和加速度的唯一力源，而超声速气流对于砂粒的拽力远高于亚声速气流的拽力。然而传统喷砂枪在最需要产生高速气流的喷气（管）嘴和最需要利用高速气流的喷砂（管）嘴里却是低动能的亚声速。传统喷砂枪砂粒的拽力来自于亚声速，所以其喷砂效率就有一个很低的天花板。采用收放管嘴改造喷砂枪，用超声速气流替代亚声速气流似是必然选择。然而，不是随便一个收放管嘴都可以拿来引用的。空气动力学指出某个压力的高压气流通过收放嘴产生超声速气流时存在过膨胀、完全膨胀和欠膨胀三种状态，只有工作在完全膨胀状态下，超声速气流衰减最小，超声速段长度最长。

找到问题的根源，解决问题就是时间问题了。应用层面上喷砂枪喷出砂粒很容易实现，似乎不需要高深的技术。但如果想提高喷砂枪的效率，就非要运用高新前沿技术不可。这是因为喷砂枪是一种引射器。以往引射器的研究多数是利用负压端产生深度负压或产生输运能力，如各大气动元件公司都推出的高负压真空发生器和大流量真空发生器等，另一部分是做增压作用的引射器，例如暂冲型引射风洞，是将循环的低压气流在升压段恢复成高压。然而，以追求速度输出为目的的引射器到目前为止研究文献却很少，喷砂枪就属于这一类。

合理地设计适合超声速流场的收放管嘴以及整个喷砂枪需要海量的计算优化和数值模拟。北京溢流流体科技有限公司在研制实践中逐渐摒弃了通行的 “设计、试验、再设计、再试验” 的传统研发模式，大量结构优化、工程设计和验证工作交给了计算工作站，因此大幅缩短了研制周期。按照超声速原理、数值模拟计算和设计的两大系列喷砂枪，成为喷砂枪供方里独树一帜的存在。刘毅通过海量仿真计算与实体试验交叉验证，采用流场最优解设计的喷砂枪，输入常规气源压力后喷砂嘴内部的气流速度可达到2.5马赫。收放口的喷气嘴和喷砂嘴不仅大幅提高了喷气流速，而且枪内流场趋于合理，喷砂嘴磨损也明显减少。喷砂枪表现出高速高效率的特征，喷砂过程流畅均匀，输出参数长期可靠稳定。适合高精度处理关重件性质的零部件和结构件。

引入数值模拟技术其优势不仅体现在喷砂枪设计技术的革命，其更现实的功能是解决了不可见流场的可视化问题。通过压力和速度云图以及速度曲线图可以一目了然看到流场参数的分布状态，为喷砂枪的结构优化和改进设计提供了客观的经过计算的参考依据。大幅提高了喷砂枪改进设计的效率。

在攻克喷砂设备底层流体效率难题的同时，刘毅团队深耕军工生产应用场景，敏锐捕捉到行业还有一项长期空白的技术短板：大量军工核心产品包含细长管腔类构件，内壁喷砂前处理长期存在工艺瓶颈，管径小于 100 毫米的细长管件，传统喷砂设备存在可达性缺陷，无法抵达管道内部完成加工，传统散射头喷砂技术存在扫描均匀度差、自动化程度不足等缺陷，无法满足军工关重件严苛的加工标准。受工艺限制，国内大量细长管腔类军工工件只能舍弃喷砂工艺，改用低效率的机械打磨和化学腐蚀清洗等替代手段处理内壁，这类替代工艺无法形成喷砂处理的洁净和均匀粗糙的功能基面，后续涂层、电镀工序完成后存在化学残留隐患和附着力不足等问题，航天、航空动力主机管件长期存在涂层易脱落、镀层开裂等意外失效的安全隐患，成为制约多款新型军工型号顺利推进的关键工艺卡点，不少科研院所因细长弯管、窄径直管内壁喷砂难题而延误项目进度。

刘毅团队针对喷砂技术应用空白，有目的的展开了预先研究，从设备可达性、加工均匀性、自动化运行三大核心维度同步展开技术攻关，率先解决窄径管道内腔壁面喷砂无法触及的行业难题。该系统配套自研的小杆径侧向喷砂头可深入内径 10 毫米以上的各类细长管孔内部，突破了传统设备最小作业管径不得小于100毫米的限制。喷砂头搭载自主研发的主动旋转密封机构，整机前后往复移动变速控制，能够按照预设路径完成管件内壁全方位均匀扫描喷砂，彻底解决了传统喷砂力度不均、难免漏喷的缺陷，整套设备可适配直管、轻微弯管和小孔径腔体工件等。实现全自动化连续作业，避免了人工手持喷砂头反复调整角度的人为缺陷，大幅降低军工精密管件加工的人工误差。刘毅团队持续仿真优化与样机迭代，终于解决了困扰行业多年的细长管内壁喷砂的世纪难题。整套系统核心结构、流体控制、旋转传动、支撑机构等关键创新点同步布局了知识产权保护，累计申报了十余项发明专利，构建起完整的技术专利壁垒，牢牢掌握着小管径喷砂细分赛道的自主核心技术。

刘毅团队研发的自旋转小杆径侧向喷砂系统在深冬的一天率先迎来了航天某重点型号项目的实战检验。中国航天科工某院承担某新型装备研制任务，项目火箭动力的核心关键部件是超声速喷管，喷管内表面喷涂功能涂层前必须完成高精度喷砂处理，喷管中央喉部区域是核心结构中的核心，结构狭小、空间相对闭塞且无法自行转动，传统喷砂设备无法抵达和完成内壁喷砂加工，他们历经数月更换了多个品牌的喷砂设备反复施工，表面准备工作仍不达标，多次制备涂层均以失败告终。工艺瓶颈不解决将直接威胁到整个型号项目的进展，研制进度已经临近项目节点，于是他们向热喷涂协会理事长求援，随后联系到北京溢流流体科技有限公司。接到紧急攻关任务后，刘毅团队第一时间携带制式化的自旋转小杆径侧向喷砂系统深夜赶赴现场，设备就位后仅用时两分钟便完成了整个超声速喷管内表面标准化喷砂处理。后续喷涂涂层工序顺利完成，并且一次性通过全部性能检测。这件事说明了在不起眼的喷砂技术中仍存在技术瓶颈，也存在有所作为的空间。预设的应用场景是客观存在的，机会是给有预见性的技术准备的。成功打破瓶颈也就扫清了该航天重点型号项目的最后一道关卡，保障了项目按期推进。这也证明了新型喷砂设备在高端军工核心构件加工中具有不可替代的作用。

喷砂处理细长直管已经是填补应用空白了，喷砂处理细长弯管更是难以想象。某航天研究所航天发动机的燃料供料管采用复合材料制作的细长弯管需要喷砂处理。该弯管既要有复合材料的轻质，又要有金属管所具备的性能，所以需要内外壁喷砂后复合电镀。该任务难点不在内外部电镀，而在于电镀前的表面喷砂准备。这不仅是甲方的难题，也是对刘毅团队的挑战。面对前无古人的全新技术挑战，刘毅团队没有退缩，依托自身数十年军工流体装备研发经验，结合 FLUENT 流体仿真工具对弯管内部磨料喷射轨迹、气流走向开展仿真计算，针对性地在自旋转小杆径侧向喷砂系统的杆体部分设计了一段软性输砂管、增加了柔性支撑点、合理安排喷砂头侧向喷射角度和往复移动速度控制等，反复调整磨料供给量与气流压力参数，历经多轮样机现场试验，最终顺利完成了复合材料细长弯管内外壁全套喷砂处理工序，加工后的管件转入电镀工序，金属化复合材料细长弯管成品通过了航天研究所全套严苛的各项性能检验，全部指标满足型号标准要求，已纳入批量生产正式审批流程，为国内航天复合材料异型管件加工又解决了一个瓶颈问题，也开辟了全新的应用方向。

两大航天重点项目成功落地应用后，刘毅团队自主研发的超声速喷砂枪、自旋转小杆径侧向喷砂系统迅速向全国航空航天配套单位推广，西安、成都、北京、雅安、汉中多地承接航空、航天装备研制的企业与科研院所，陆续引入北京溢流流体科技有限公司的喷砂枪和喷砂装备，广泛应用于航空发动机、航天发动机各类精密构件、飞机机身结构件、飞行器配套管路的喷砂清理、涂层前预处理、氧化皮去除等核心工序。相较于传统喷砂设备，刘毅团队研发的装备加工精度、作业效率、能耗控制全面领先，尤其适配军工产品零缺陷、高一致性的严苛加工要求，各大应用单位工艺工程师均反馈新型喷砂设备彻底解决过往多款复杂结构工件的加工盲区，大幅缩短型号零部件加工周期，不少单位将这套喷砂系统列为新型号研制配套标准工艺装备，持续扩大设备采购与批量应用规模。

刘毅数十年深耕军工流体喷砂技术的奋斗历程，生动诠释制造业科研人坚守实业、自主创新、空天报国的时代精神，从青年时期进入军工光学企业积累一线经验，到中年辗转多家军工配套单位洞察行业技术短板，再到退休创业扎根流体仿真基础研究，攻克力学悖论、填补细长管喷砂工艺空白，自主研发数字化仿真技术实现喷砂装备底层原理突破，用十余项发明专利筑牢国产装备技术壁垒，多款自研设备解决航空航天重点型号核心工艺难题，兼顾军工安全保障与民用制造业升级，走出一条从军工实践中来、以自主技术赋能产业的创新之路。在国内制造业向高端化、自主化转型的当下，刘毅团队的攻坚故事证明，只要瞄准产业痛点、沉心基础研究、善用数字化创新工具，国内制造业从业者完全能够打破国外技术封锁，补齐细分领域工艺短板，未来刘毅团队也将继续坚守流体喷砂技术研发一线，持续打磨国产高端喷砂装备，以持续创新的核心技术助力我国航空航天、军工精密制造产业高质量自主可控发展，书写实业报国的全新篇章。