一種快速堵漏膠修補方式在空間環(huán)境下的應用研究

陶 濤，陳 靜，陳 浩，李田鑫，季 平，李健龍

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100000）

載人航天器、空間站和其他航天器一樣，都要經受真空、大溫差等嚴酷空間環(huán)境的長時間考驗。此外，為了保證航天器的正常運行和航天員的生命安全，空間站中航天員生活和工作的艙段要求有可靠的密封性能，一方面要求密封艙在結構設計上選用高可靠的密封結構和密封材料，另一方面要求在地面上進行充分的密封檢漏測試[1-3]。

載人航天器在發(fā)射入軌和運行過程中將受到振動、真空、高低溫交變、微流星和空間碎片、原子氧、太陽輻射以及宇宙射線的相互作用，同時，由于空間站是供航天員生活和進行科學實驗的密封艙體，勢必會造成艙內環(huán)境潮濕和腐蝕，導致艙體和密封結構可能出現(xiàn)松動、變形、表面氧化、腐蝕、損傷甚至穿孔等問題，對空間站和航天員的生命安全造成潛在的威脅甚至是慘重后果[4-6]。例如20世紀60年代，蘇聯(lián)“聯(lián)盟-11號”飛船因密封艙漏氣，艙內壓力降低，導致3名宇航員喪生；國際空間站在2004年1月和2007年11月先后發(fā)生了兩次艙體泄漏故障，航天員利用檢漏儀成功找到了漏點，并采取了相應的堵漏措施，使艙內壓力恢復到正常水平。因此，泄漏是影響航天器正常運行的一個重要因素，更是對載人航天器的重大威脅，空間站應具備艙體泄漏和密封結構失效情況下的泄漏定位和快速堵漏技術，以減少和避免惡性事故[7-8]。

本研究主要分析了空間站用快速堵漏膠，驗證了堵漏膠在不同壓差條件下的堵漏性能，確保航天員利用該材料能在短時間內將漏孔封堵住，并降低較航天器密封結構漏率，為空間站的在軌安全運行和航天員的人身安全提供保障。

1 實驗

1.1 材料及儀器設備

“創(chuàng)可貼式”快速堵漏膠（纖維增強、鋁箔增強，中國科學院長春應用化學研究所）；真空平板試驗工裝（Φ5 mm、Φ3 mm、Φ1 mm，自制）；加壓腔體試驗工裝（Φ5 mm、Φ3 mm、Φ1 mm，自制）；氦質譜真空檢漏儀（UL1000，德國INFICON）。

1.2 試樣準備與測試

1.2.1 真空試驗件

用酒精將30件真空平板試驗工裝的粘貼面擦拭干凈并晾干，分別將尺寸為100 mm×80 mm、94 mm×74 mm、82 mm×62 mm的纖維增強和鋁箔增強兩種型號“創(chuàng)可貼式”快速堵漏膠粘貼在漏孔尺寸為Φ5 mm、Φ3 mm、Φ1 mm的真空平板試驗工裝粘貼面上。在真空試驗件的非粘貼面，采用專用密封泥，將氦質譜真空檢漏儀的接口與真空試驗件進行密封連接。參照QJ 3123—2000《氦質譜真空檢漏方法》，對準備好的真空試驗件（見圖1）進行檢漏測試。

圖1 粘貼堵漏膠前后的真空試驗件

1.2.2 加壓試驗件

用酒精將18件加壓腔體試驗工裝的粘貼面擦拭干凈并晾干，分別將尺寸為100 mm×80 mm、94 mm×74 mm、82 mm×62 mm的纖維增強和鋁箔增強兩種型號“創(chuàng)可貼式”快速堵漏膠粘貼在漏孔尺寸為Φ5 mm、Φ3 mm、Φ1 mm的加壓腔體試驗工裝粘貼面上。對加壓腔體試驗工裝進行密封裝配，再將加壓設備與腔體試驗工裝連接。參照QJ 3089—1999《氦質譜正壓檢漏方法》對準備好的加壓試驗件（見圖2）進行檢漏測試。

圖2 粘貼堵漏膠前后的加壓試驗件

2 結果與討論

2.1 單點真空漏率檢測試驗

為驗證空間站創(chuàng)可貼式專用堵漏膠的堵漏效果，本研究采用氦質譜真空檢漏儀模擬堵漏膠的空間使用環(huán)境，對堵漏后的孔洞區(qū)域漏率進行檢測。按照《空間站在軌艙壓監(jiān)測及快速堵漏方案論證技術要求》，堵漏后漏率應小于1×10-7Pa·m3/s。采用氦質譜真空檢漏儀對采用不同規(guī)格堵漏膠堵漏后的平板試驗件進行真空漏率檢測，圖3為氦質譜真空檢漏儀單點真空檢漏試驗過程。

圖3 氦質譜真空檢漏儀單點真空檢漏試驗過程

圖3顯示，鋁箔增強型“創(chuàng)可貼式”堵漏膠較好地滿足了真空漏率指標要求，漏率遠低于1×10-7Pa·m3/s，表現(xiàn)出良好的堵漏效果。值得注意的是，當孔洞尺寸增大到Φ5 mm時，不同于鋁箔增強型堵漏膠的真空漏率仍滿足漏率指標要求，碳布增強型堵漏膠的真空漏率顯著增加且超出漏率指標。由此可見，鋁箔增強型堵漏膠的堵漏效果更好。

2.2 單點加壓漏率檢測試驗

為了進一步驗證空間站創(chuàng)可貼式專用堵漏膠在更大壓差下的堵漏效果，本試驗設計了帶有孔洞的可加壓腔體試驗件，采用空間站創(chuàng)可貼式專用堵漏膠對腔體孔洞堵漏后進行加壓，利用氦質譜真空檢漏儀對堵漏后腔體外面的孔洞區(qū)漏率進行檢測，漏率要小于1×10-7Pa·m3/s。

對試驗件組件的腔體內進行加壓，保證堵漏膠所受壓差為0.3 MPa并保持1 h，采用氦質譜真空檢漏儀對加壓后的試驗件外部孔洞區(qū)域進行漏率檢測，試驗件腔體加壓以及氦質譜真空檢漏儀正壓檢漏試驗過程如圖4所示，檢測數(shù)據如表1所示。

圖4 試驗件腔體加壓及氦質譜真空檢漏儀正壓檢漏試驗過程

由表1數(shù)據可知，鋁箔增強型空間站創(chuàng)可貼式專用堵漏膠可以滿足加壓漏率要求，表現(xiàn)出良好的堵漏效果。相比之下，碳布增強型空間站創(chuàng)可貼式專用堵漏膠的堵漏效果不太理想，當孔洞尺寸增大到Φ3 mm或更大時，出現(xiàn)了堵漏膠損壞的情況（見圖4）。因此，就堵漏膠的增強體而言，鋁箔的增強效果優(yōu)于碳布，在《空間站在軌艙壓監(jiān)測及快速堵漏方案論證技術要求》中，該結論與2.1部分的試驗結果一致。

表1 腔體試驗件單點加壓漏率測試結果

續(xù)表1

3 結語

鋁箔增強型“創(chuàng)可貼式”快速堵漏膠在真空和更大壓差的條件下，均可滿足對孔洞“≤Φ5 mm”的堵漏要求，有望對載人空間站和載人航天器在軌運行過程中產生的孔洞進行快速堵漏，為載人空間站和載人航天器的安全運行提供保障。