劉佳良

摘? 要：密封是保證航天器發(fā)射、運(yùn)行可靠性及壽命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，隨著月球及深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，迫切需要解決在極高真空環(huán)境下設(shè)備的密封技術(shù)。本文介紹了航天飛行器中針對(duì)流體泄漏問(wèn)題使用的管閥特高壓密封技術(shù)的密封原理，針對(duì)現(xiàn)有管閥特高壓密封關(guān)鍵技術(shù)在使用過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行討論，力求為航天管閥特高壓密封技術(shù)的發(fā)展提供新思路、新方法。

關(guān)鍵詞：航天器? 航天管閥? 流體泄漏? 特高壓密封技術(shù)

中圖分類號(hào)：TB42 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2021）03（a）-0001-04

Analysis of Ultra High Pressure Sealing Technology for Aerospace Pipe Valve

LIU Jialiang

（Yibin Sanjiang Machinery Co.， Ltd.， Yibin， Sichuan Province， 644007 China）

Abstract： Sealing is one of the key links to ensure the launch， operation reliability and life of spacecraft. With the development of lunar and deep space exploration technology， it is urgent to solve the sealing technology of equipment in extremely high vacuum environment. This paper introduces the sealing principle of ultra-high pressure sealing technology used in aerospace vehicles for fluid leakage， and discusses the problems existing in the application process of the existing key technology of pipe valve ultra-high pressure sealing， so as to provide new ideas and new methods for the development of ultra-high pressure sealing technology for aerospace pipe and valve.

Key Words： Spacecraft; Aerospace pipe valve; Fluid leakage; Ultra high pressure sealing technology

隨著航空、航天技術(shù)的高速發(fā)展，其運(yùn)行可靠性和工作壽命直接影響著任務(wù)的順利完成，其中密封技術(shù)的好壞直接影響著航天飛行器的發(fā)展[1]。隨著深空探測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)有管閥密封技術(shù)嚴(yán)重制約著其進(jìn)一步發(fā)展。一方面，高質(zhì)量的管閥密封技術(shù)必須在工作條件下滿足必備的密封無(wú)泄漏、結(jié)構(gòu)可靠、互換性好等特點(diǎn)，另一方面，管閥整個(gè)工作周期內(nèi)的高可行性、不失效、零泄漏的良好工作狀態(tài)始終是航天飛行器高密封結(jié)構(gòu)的最重要要求。對(duì)科研工作者提出了更高的技術(shù)水平要求。密封失效所導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低會(huì)伴隨著著火甚至爆炸的危險(xiǎn)。確保閥門研制過(guò)程中的零泄漏是確保航天發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、航空、航天等國(guó)防裝備運(yùn)送系統(tǒng)工作安全可靠的難點(diǎn)和關(guān)鍵。在各類型的航天飛行器中，空間實(shí)驗(yàn)室和空間站等對(duì)特高壓密封技術(shù)有著特殊的要求，一方面，工作時(shí)間長(zhǎng)將造成密封材料的老化;另一方面，出于航天飛行器對(duì)飛行時(shí)間的進(jìn)一步要求，如輕量化和優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面技術(shù)要求的不斷提高對(duì)零泄漏標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求。顯然，我國(guó)航空、航天飛行技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了飛速發(fā)展的工程研發(fā)階段，但是與國(guó)際先進(jìn)水平還具有一定差距，開(kāi)展在特高壓環(huán)境下的管閥密封技術(shù)具有重要的工程實(shí)際意義。

1? 航天管閥密封機(jī)理

航天管閥密封機(jī)理和影響壽命的因素是制約低泄漏管閥密封結(jié)構(gòu)研究的關(guān)鍵。航天飛行器用管閥結(jié)構(gòu)絕大多部分采用橡膠作為密封環(huán)[2-3]。通過(guò)螺栓、法蘭系統(tǒng)產(chǎn)生的眼里將超彈性橡膠在擠壓過(guò)程中的變形填滿金屬表面的不平和微小間隙是橡膠密封技術(shù)的關(guān)鍵，其缺點(diǎn)是超彈性橡膠在使用過(guò)程中難以滿足外太空高壓要求，易損壞，尤其是在超高壓工作環(huán)境下，橡膠的破壞將直接導(dǎo)致管閥系統(tǒng)的泄漏。

1.1 密封表面形狀

密封界面的多樣性同樣是制約管閥密封技術(shù)發(fā)展的一大難點(diǎn)，針對(duì)典型的光滑表面、表面局部凸起、表面局部凹槽、凸棱和凹槽相間等復(fù)雜表面尤其制約著技術(shù)的發(fā)展。這其中除第一種外，后三種形式被科研工作者稱為“封嚴(yán)槽”。凸棱和凹槽的存在可以很大程度上增加局部接觸應(yīng)力，迫使軟金屬產(chǎn)生局部塑性變形從而達(dá)到阻止流體介質(zhì)通過(guò)的目的[4-5]。密封結(jié)構(gòu)的密封性好壞主要取決于各密封表面結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力的大小，現(xiàn)有密封器其內(nèi)部結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力相對(duì)難控制，并且只能一次性使用，經(jīng)濟(jì)性較差。常用的橡膠密封結(jié)構(gòu)其缺點(diǎn)在于其密封表面凸棱聚集度無(wú)論如何減小，也很難收獲理想的密封效果，即使在靜密封狀態(tài)下也很難滿足零泄漏的要求，雖然在其密封初期能夠收到很好的密封效果，但是隨著工作時(shí)間的增加，密封件就會(huì)逐漸被破壞，難以滿足長(zhǎng)時(shí)間工作需求，嚴(yán)重制約了深空探索的發(fā)展。

1.2 不同結(jié)構(gòu)密封類型

對(duì)于不同的密封形式，其安裝方式有所不同，靜密封是一種常見(jiàn)的密封方式，其安裝方式主要包括兩種，一種是在密閉或者半密閉狀態(tài)下，通過(guò)螺栓將密封件壓緊，其安裝條件表苛刻，針對(duì)航天飛行器機(jī)構(gòu)的安裝時(shí)，密封圈通常采用矩形、O形和蕾形等三種形式;另一種是利用矩形密封墊，通過(guò)螺栓壓緊將密圈和密圈墊片安裝在開(kāi)敞的法蘭面之間，這種密封形式對(duì)安裝條件要求較低。

矩形密封件的安裝形式為開(kāi)敞式安裝，其密封性能由作用在密封件上的法蘭載荷Fz、接觸面上作用的密封件的接觸應(yīng)力σ0和介質(zhì)壓力共同決定。設(shè)橡膠墊圈和密封金屬表面的摩擦系數(shù)為μ，則初始摩擦阻力為Fμ=μ×σ0，作用在密封件上的接觸應(yīng)力為σ。基于此結(jié)構(gòu)的特殊性，只有當(dāng)摩擦阻力大于介質(zhì)推力時(shí)，才能夠保證密封結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而達(dá)到零泄漏的要求[6]。

O形密封件安裝在半封閉密封槽中。其上下表面所受到的流體介質(zhì)初始接觸應(yīng)力為σ0，沿槽寬方向分布的接觸應(yīng)力分布不均勻。O形密封圈與密封槽之間有3種可能的尺寸鏈配合：密封圈外徑大于密封槽外壁尺寸、密封圈外徑等于密封槽外徑尺寸、密封圈外徑小于密封槽外壁尺寸。由于裝配比較困難，在實(shí)際應(yīng)用中除特殊工藝要求外，很少采用第一種配合方式;第三種配合方式因其安裝方便，密封性能好，常被用于批量生產(chǎn)。但是出于對(duì)密封槽和密封圈的制造公差考慮，3種裝配間隙在各種生產(chǎn)條件下都有出現(xiàn)的可能。針對(duì)O形密封結(jié)構(gòu)而言，除了通過(guò)降低密封槽的表面粗糙度外，常采用在密封圈裝配時(shí)涂抹密封脂的裝配方式，不僅能夠方便裝配，還能夠降低密封圈和密封面之間的摩擦系數(shù)，同是能夠降低臨界壓力來(lái)延緩摩擦磨損并提高自密封的性能，另外，密封脂有利于減小密封面的微觀不平度，有利于阻止流體流動(dòng)。

1.3 航天管閥密封介質(zhì)種類

由于氣體的滲透率遠(yuǎn)高于液體，在密封結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中，其密封表面任何的微小間隙和不平度都會(huì)使氣體極易發(fā)生泄漏，同時(shí)密封材料的擴(kuò)散滲透作用也是造成氣體泄漏的原因，因此，一般情況下，在相同的連接條件下，氣體的泄漏率遠(yuǎn)大于液體的滲透率。

相反，液體介質(zhì)具有一定的粘度，并且粘度越高越不易通過(guò)密封面，同時(shí)，液體介質(zhì)對(duì)金屬表面的潤(rùn)滑作用，使得在密封面中形成的液膜具有膠黏層的作用，密封介質(zhì)不易造成泄漏。在一些密封槽式的密封結(jié)構(gòu)中，密封槽內(nèi)部壓力是制約其密封效果的最重要影響因素，密封槽內(nèi)部壓力越大，密封接觸應(yīng)力就越大，相應(yīng)的密封效果就會(huì)越好。相對(duì)于氣體密封技術(shù)的發(fā)展，液體密封技術(shù)較易控制，在零泄漏控制方面有足夠的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[7-9]。

2? 特高壓密封管閥技術(shù)

2.1 軟刀口密封技術(shù)

在提高密封裝置可靠性方面，諸如深空采樣密封容器等對(duì)零泄漏的要求中，其輕量化和安全可靠性等亟需密封結(jié)構(gòu)工藝性能的更新。其中，作為一次密封的O形橡膠圈和軟刀口金屬在滿足其輕量化和可靠性要求方面有著不可替代的優(yōu)勢(shì)[7]。其中，橡膠密封槽和O形橡膠防護(hù)裙等能夠滿足其高性能要求，另外，在蓋體上安裝銦銀合金板，將容器口部加工成刀口，能夠有效降低泄漏率滿足特高壓密封要求。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于，防護(hù)裙和銦銀合金板能夠保持一定距離，在密封結(jié)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中減少硬接觸，從而保護(hù)了密封內(nèi)部刀口結(jié)構(gòu)和相鄰的內(nèi)部密封面，有效地解決了一次密封結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)泄漏問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，密封器內(nèi)部鎖緊結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓緊力使密封防護(hù)裙產(chǎn)生變形，迫使刀口結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌至防護(hù)裙使其產(chǎn)生變形，達(dá)到二次密封的目的。

相對(duì)于一般密封要求，金屬材料在特殊環(huán)境要求下的密封過(guò)程中起到了決定性作用，在面對(duì)深空探索工作環(huán)境下的極高真空、高、低溫輻射等極惡劣環(huán)境時(shí)，金屬材料密封更是起著決定性作用。用于制作密封材料的金屬材料比較廣泛，軟金屬材料和硬金屬材料都能夠在不同要求的密封場(chǎng)合起到不同的作用，比較普遍的有銦、鋁、銀合金等和硬金屬材料無(wú)氧銅等。密封基體和密封材料的相互匹配性和潤(rùn)滑性能制約著密封器工作的可靠性和使用壽命，不同的工作環(huán)境對(duì)密封材料的要求不同，條件相對(duì)苛刻。

2.2 金屬波紋管動(dòng)密封技術(shù)

由蓋體、蓋體連接件和金屬波紋管等主要結(jié)構(gòu)組成的金屬波紋管密封是當(dāng)下比較流行的一種高效動(dòng)密封技術(shù)，正是通過(guò)這些組合件實(shí)現(xiàn)的動(dòng)密封功能。在零泄漏保護(hù)過(guò)程中，通過(guò)彈性薄板材料的高強(qiáng)度和高彈性在組合件中與閥瓣一起移動(dòng)使其進(jìn)行拉伸和壓縮以達(dá)到阻隔介質(zhì)流動(dòng)的目的，在零泄漏密封器中該結(jié)構(gòu)有著優(yōu)良的特高壓密封性能，并且在保證零泄漏功能的同時(shí)能夠承受介質(zhì)腔和控制腔之間的高壓力差[10]。U形金屬波紋管通過(guò)連接件與閥門殼體連為一體、閥瓣與蓋連接件直接或者間接相連的形式，利用氣控腔介質(zhì)壓力驅(qū)動(dòng)，使閥瓣移動(dòng)從而達(dá)到開(kāi)、關(guān)和調(diào)節(jié)的作用。該結(jié)構(gòu)優(yōu)良的控制性能和高效的靈敏度使其成為金屬波紋管連接件中的佼佼者，在特高壓密封結(jié)構(gòu)中經(jīng)常出現(xiàn)并且性能優(yōu)良（見(jiàn)表1）。

3? 特高壓密封管閥理想要素

區(qū)別于一般密封技術(shù)，特高壓密封技術(shù)伴隨著深空探索應(yīng)運(yùn)而生，滿足特高壓工作環(huán)境下零泄漏、零失誤的性能要求。其中值得一提的是北京航天動(dòng)力研究所在20世紀(jì)80年代所研發(fā)的“雙曲肋式波紋管”，并且在此基礎(chǔ)上成功研發(fā)了肋式波紋管穩(wěn)壓器。與U形波紋管在性能上相比，新式的雙曲肋式波紋管在穩(wěn)定性、剛性、承壓能力等方面都達(dá)到了一個(gè)更高的研究水準(zhǔn)，能夠代替膜片工作，作為調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器的壓力敏感元件使用[11-12]。隨著航空、航天技術(shù)的發(fā)展和對(duì)外太空更深層次的探尋，以及航天推進(jìn)器技術(shù)的發(fā)展，為克服特高壓工作環(huán)境的流體密封技術(shù)的困難，對(duì)特殊環(huán)境下流體特高壓密封管閥技術(shù)提出了更高要求。

對(duì)特高壓工作環(huán)境下的管閥密封技術(shù)，應(yīng)考慮以下方面要求[13-14]：

（1）密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部相對(duì)位置關(guān)系多變，常將頂蓋置于法蘭內(nèi)部并與其頂部齊平，以此來(lái)滿足密封結(jié)構(gòu)輕量化要求，在生產(chǎn)過(guò)程中將法蘭高度設(shè)計(jì)最小。此結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，頂蓋置于法蘭內(nèi)部并與法蘭底部相齊平，作為特高壓密封技術(shù)中最重要的兩個(gè)零件，法蘭和頂蓋相對(duì)位置安排的是否妥當(dāng)，關(guān)系著其密封結(jié)構(gòu)性能是否達(dá)到要求。

（2）密封結(jié)構(gòu)中的載荷多種多樣，并且由不同的構(gòu)件相互承擔(dān)。內(nèi)壓作用所產(chǎn)生的軸向載荷與密封比壓所產(chǎn)生的載荷分布于不同的密封構(gòu)件中，并且采用高強(qiáng)度的軸向抗剪螺栓;在眾多承力構(gòu)件中，軸向抗剪螺栓的設(shè)計(jì)最為合理，使得密封拆裝能夠達(dá)到拆裝方便、受力合理的作用，這在特高壓密封技術(shù)中有著深遠(yuǎn)影響。因?yàn)槠渲圃旌?jiǎn)單、有效承力面積大，且對(duì)筒體端部法蘭強(qiáng)度削弱小。

（3）彈性線接觸密封在減小密封面寬度、減小密封頂緊作用力方面起到了很好的效果，能夠單獨(dú)實(shí)現(xiàn)初始密封和頂緊程度調(diào)解。通過(guò)將承力構(gòu)件與密封元件分開(kāi)的方式，可以減輕螺栓載荷，消除承力構(gòu)件的加工精度帶來(lái)的影響。

（4）在眾多的密封方式中，內(nèi)壓自緊作用是伴隨著特高壓密封技術(shù)產(chǎn)生的一條簡(jiǎn)單有效的途徑。但是依靠密封元件在內(nèi)壓作用下的變形而產(chǎn)生的自緊作用是有限的，且對(duì)其剛度和柔度的要求往往相矛盾。在這方面，布里奇曼密封結(jié)構(gòu)處理的較合理，將作用在頂蓋上的軸向力都傳遞到密封面上，密封力很大，密封相當(dāng)可靠。

4? 結(jié)語(yǔ)

特高壓密封技術(shù)是隨著航天技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種特種密封技術(shù)，在航天器流體管閥密封技術(shù)中得到了廣泛發(fā)展。該技術(shù)在惡劣的特高壓外太空環(huán)境下可以為航天器關(guān)鍵部位管閥提供可靠的密封。由于較小的軸向壓緊力就可以達(dá)到滿意的密封，使用較小的螺栓等零件即可達(dá)到預(yù)期效果，在降低泄漏率的同時(shí)降低零件重量?，F(xiàn)代先進(jìn)的特高壓管閥密封技術(shù)的應(yīng)用使得航天技術(shù)得到了更深遠(yuǎn)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬宗誠(chéng).宇宙飛行器總裝與試驗(yàn)工藝[M].北京：航空工業(yè)出版社，1999.

[2] 陳銀.斜線槽上游泵送機(jī)械密封流固耦合分析[D].成都：西華大學(xué)，2020.

[3] 周朝逾.組合結(jié)構(gòu)波紋管膜片的非線性固有特性分析[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2020.

[4] DeMange J J，Dunlap P H，Steinetz B M.Advanced Control Surface Seal Development for Future Space Vehicles[R].NASA/TM-2004-212898，2004.

[5] Trichew S，Jennison P.A Compact Indium Seal For Cryogenic Optic Windows[J].SPIE Vol.1340 Cryogenic Optical Systems and Instruments IV：1990，165-175.

[6] 黃興，郭飛，葉素娟，等.橡塑密封技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].潤(rùn)滑與密封，2020，45（6）：1-6，21.

[7] 付朝暉，許旻，杜永剛，等.極高真空環(huán)境下軟金屬刀口密封研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)， 2014，34（3）：221-224.

[8] 王黎明.高壓釜用機(jī)械密封技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用[J].石油和化工設(shè)備，2016，19（10）：75-77.

[9] 戴斌.帶壓密封技術(shù)在次高壓管線法蘭泄漏修復(fù)應(yīng)用分析[J].上海煤氣，2016（2）：12-17.

[10] 魏國(guó)儉，黃乃寧，喬桂玉，等.航天閥門中零泄漏金屬波紋管動(dòng)密封技術(shù)及其應(yīng)用[J].閥門，2010（1）：27-32.

[11] 黃國(guó)慶，于雪梅，王衍，等.動(dòng)壓密封技術(shù)界面微尺度效應(yīng)研究現(xiàn)狀及其有效利用思路探討[J/OL].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)：1-8[2020-12-21].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1294.N.20200911.1650.002.html.

[12] 鄭津洋，徐平，匡繼勇，等.高壓密封裝置技術(shù)進(jìn)展[J].化工設(shè)備設(shè)計(jì)，1994（2）：7-13.

[13] 畢新忠，杜國(guó)棟，張建國(guó)，等.機(jī)械密封技術(shù)的改進(jìn)與應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修，2020（16）：76-77.

[14] 林小鳳.航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（18）：51-52.