高壓補燃液氧/煤油發(fā)動機彈性金屬密封技術(shù)探討

雷 征，劉志讓，陳建華，付 平

（1.西安航天動力研究所，陜西西安710100；2.航天推進技術(shù)研究院，陜西西安710100）

0 引言

液體火箭發(fā)動機上的密封結(jié)構(gòu)必須滿足在工作條件下密封無泄漏、結(jié)構(gòu)可靠、質(zhì)量小、裝卸方便、制造成本低、互換性好和能夠多次使用等要求[1]。同時，在整個任務(wù)周期內(nèi)，發(fā)動機上的密封結(jié)構(gòu)還應(yīng)始終保持高可靠、零泄漏、不失效的良好工作狀態(tài)。一旦發(fā)生密封失效，就會因泄漏造成比沖損失，引起發(fā)動機性能降低，同時還伴隨著火和爆炸的危險[2-3]。因此，在發(fā)動機總裝設(shè)計中必須重視管路密封技術(shù)的研究。

1 200 kN高壓補燃液氧/煤油火箭發(fā)動機是為我國新一代運載火箭研制的高性能發(fā)動機，采用了先進的補燃循環(huán)技術(shù)。發(fā)動機以液氧/煤油為工質(zhì)，工作環(huán)境覆蓋了高壓、低溫和富氧燃氣。工作狀態(tài)下，發(fā)動機燃燒室室壓高達18 MPa，管路系統(tǒng)最高壓力60 MPa，溫度-180～400℃，工作條件惡劣，密封條件苛刻。通過在靜密封中引入Э形密封、K形密封、碟形密封及軟金屬密封結(jié)構(gòu)，成功解決了低溫液氧管路和富氧燃氣管路的密封難題。

高壓補燃發(fā)動機中的彈性金屬密封結(jié)構(gòu)在設(shè)計、加工、裝配過程中涉及多項技術(shù)要點。為保障密封效果和提高密封可靠性，需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、預(yù)緊載荷及加工工藝等方面進行嚴格控制。

1 彈性金屬密封的彈塑性密封機理

機加工得到的密封面是粗糙表面，有一定程度的微觀凸峰和凹谷[4]，如圖1所示。

圖1 密封面微觀形貌Fig.1 Microstructure of sealing surface

從微觀角度出發(fā)，考慮材料的彈塑性變形過程，闡述了彈性金屬密封的微觀密封機理。

1.1 裝配狀態(tài)

圖2所示為密封接觸面彈塑性密封過程[5-6]。

開始預(yù)緊時，密封環(huán)與緊固件的密封面實現(xiàn)初始接觸，并產(chǎn)生一定的壓緊應(yīng)力。從表觀上看，密封環(huán)與緊固件的表面已經(jīng)緊密貼合，具備了一定的密封能力，但由于密封面存在一定的表面粗糙度，實際上接觸只發(fā)生在一些凸峰處，接觸面大部分仍處于分離狀態(tài)，如圖2(a)所示。

隨著預(yù)緊載荷的增大，密封上已經(jīng)接觸的凸峰處應(yīng)力迅速增加，局部發(fā)生屈服，材料產(chǎn)生塑性流動，開始填補密封表面的凹凸不平。需要注意的是，此時密封面大部分仍然沒有發(fā)生接觸，間隙較大，只是在局部形成了初始密封，如圖2(b)所示。

當(dāng)預(yù)緊載荷繼續(xù)增加時，密封面上發(fā)生塑性變形的材料開始硬化，應(yīng)力增加甚微。同時，接觸面積迅速增大，密封面間的凸峰和凹谷相互穿插、嵌合，微觀間隙逐漸減小直至密封面吻合，進入正常密封階段，如圖2(c)所示。

形成正常密封后，預(yù)緊過程仍未結(jié)束。在預(yù)緊載荷作用下，密封面上塑性變形區(qū)域擴展，結(jié)構(gòu)整體彈性變形增大，具備了一定的回彈能力。

圖2 密封接觸面彈塑性密封過程Fig.2 Elastic-plastic sealing process on contact surface

1.2 工作狀態(tài)

在工作狀態(tài)下，介質(zhì)的壓力作用使密封接觸面出現(xiàn)分離趨勢，密封接觸面上的壓緊應(yīng)力開始減小。在這種趨勢下，密封結(jié)構(gòu)中的回彈力逐漸減小，用以補償介質(zhì)壓力引起的密封接觸面之間的軸向位移。

由于密封表面應(yīng)力分布的不均勻性，裝配狀態(tài)下密封面上受力較小的凸峰和凹谷處仍處于彈性狀態(tài)。進入工作狀態(tài)后，這部分彈性變形將會隨著密封面上壓緊應(yīng)力的減小而恢復(fù)，一部分微觀間隙會重新出現(xiàn)，有可能產(chǎn)生泄漏。

2 低溫液體火箭發(fā)動機彈性金屬密封發(fā)展歷程

彈性金屬密封的應(yīng)用歷史可追溯到第二次世界大戰(zhàn)之前，當(dāng)時金屬平墊密封已經(jīng)在可拆卸密封裝置中被廣泛使用，但是由于金屬平墊密封等強制型密封結(jié)構(gòu)的回彈能力有限，不適用于深冷、高溫、高壓、振動等特殊密封環(huán)境，后來出現(xiàn)了自緊式彈性金屬密封，并迅速在航空航天領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用。

20世紀60年代，美國在大量試驗的基礎(chǔ)上研發(fā)了形式多樣的彈性金屬密封結(jié)構(gòu)，如表1所示。表中的幾種密封結(jié)構(gòu)均為自緊式密封，適用于-252～527℃的密封環(huán)境，與LOX及N2O4相容性好，密封結(jié)構(gòu)緊湊，配套螺栓法蘭結(jié)構(gòu)質(zhì)量小，并且具有一定的軸向位移補償作用。

表1 美國低溫液體火箭發(fā)動機中的彈性金屬密封Tab.1 EMSs in cryogenic rocket engines in America

由于這些彈性金屬密封可靠性高，安裝使用方便，在美國的低溫液體火箭發(fā)動機靜密封中被廣泛使用。HASKEL，SKINNER，DELTAU E等彈性金屬密封已成功應(yīng)用于美國航天飛機主發(fā)動機（SSME） 管路密封[7]，NAFLEX彈性金屬密封則已成功應(yīng)用于土星5和戰(zhàn)神1運載火箭的推進劑貯箱密封及航天飛機的外掛貯箱密封[8-9]。

20世紀70年代前后，俄羅斯（前蘇聯(lián)）依托液氧/煤油發(fā)動機的研制，開發(fā)了大量彈性金屬密封結(jié)構(gòu)，并將其成功應(yīng)用于多個型號的液氧/煤油火箭發(fā)動機管路密封。動力機械科研生產(chǎn)聯(lián)合體于1975年開始研制的RD-120液氧/煤油火箭發(fā)動機在研制階段單臺發(fā)動機最多連續(xù)進行過11次試車，每次試車只需更換點火導(dǎo)管和進行局部氣密性檢查，不需要對發(fā)動機進行拆卸檢查，重要原因之一就是采用了密封可靠性非常高的彈性金屬密封結(jié)構(gòu)。在后續(xù)RD-170，RD-180和RD-191等液氧/煤油火箭發(fā)動機的研制過程中，繼續(xù)采用了大量彈性金屬密封結(jié)構(gòu)。在幾十年的研發(fā)歷程中，俄羅斯（前蘇聯(lián)）在彈性金屬密封技術(shù)方面申請了大量專利，圖3(a)～(c)所示為3種已申請專利的彈性金屬密封結(jié)構(gòu)[10-12]。

圖3 俄羅斯(前蘇聯(lián))液氧/煤油火箭發(fā)動機中的彈性金屬密封Fig.3 EMSs in LOX/kerosene rocket engines in Russia

我國低溫液體火箭發(fā)動機彈性金屬密封技術(shù)的研究始于20世紀90年代，由西安航天動力研究所在國內(nèi)率先開展。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前已開發(fā)出了多種設(shè)計獨特、形式新穎、特點突出、性能優(yōu)良的彈性金屬密封結(jié)構(gòu)，包括Э形彈性金屬密封、K形彈性金屬密封和碟形彈性金屬密封等，如表2所示[1]。這些彈性金屬密封結(jié)構(gòu)在高壓補燃液氧/煤油火箭發(fā)動機管路密封中發(fā)揮了重要作用。

表2 我國高壓補燃發(fā)動機中的特型金屬密封Tab.2 Unique elastic metal seals(UEMS)in staged combustion engines in China

3 高壓補燃發(fā)動機管路密封中的彈性金屬密封

高壓補燃發(fā)動機具有一次總裝，多次試車的能力。發(fā)動機之所以能夠達到如此高的可靠性，主要原因是在發(fā)動機液氧管路和燃氣管路密封中采用了Э形密封、K形密封、碟形密封和軟金屬密封等新型彈性金屬密封結(jié)構(gòu)。這些彈性金屬密封結(jié)構(gòu)經(jīng)過試驗和發(fā)動機試車考核，表現(xiàn)出良好的密封性能、抗振性能和較高的可靠性，有效解決了發(fā)動機高壓及高、低溫帶來的管路密封難題。

3.1 Э形密封

Э形彈性金屬密封是一種雙自緊式密封結(jié)構(gòu)，因密封環(huán)截面形狀類似俄文字母Э而得名。Э形環(huán)表面鍍有軟金屬涂層，預(yù)緊時能夠填補密封面上的凹凸不平，提高密封效果。Э形密封緊固件包含凹球面法蘭、凸球面法蘭和緊固螺栓等，具有一定的裝配偏差補償作用。這種密封結(jié)構(gòu)通常用于高壓補燃發(fā)動機中的大通徑高壓液氧管路密封。

基于ABAQUS/Standard對Э形密封結(jié)構(gòu)進行了非線性有限元仿真分析[13-14]，得到了預(yù)緊狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的Von-Mises應(yīng)力云圖和等效塑性應(yīng)變云圖，如圖4所示。

結(jié)合仿真云圖分析可知：

1）Э形密封采用了冗余設(shè)計，結(jié)構(gòu)中共有4道密封面，內(nèi)、外各2道。其中，A處為強制密封面；B，C，D三處為自緊密封面；C處密封面同時具備密封功能和裝配定位功能。

2）Э形密封環(huán)分別與凸球面法蘭和凹球面法蘭形成線接觸，產(chǎn)生一定的壓緊應(yīng)力。C處壓緊應(yīng)力和塑性變形最大；A處壓緊應(yīng)力居中，僅有微量塑性變形；B處和D處壓緊應(yīng)力最小，未出現(xiàn)塑性變形。

3） 在工作狀態(tài)下，介質(zhì)首先填充B和C之間的V形凹腔，產(chǎn)生壓力自緊效應(yīng)。如果C處密封失效，則介質(zhì)進入C和D之間的凹腔，依靠B和D形成二次自緊密封。

圖4 Э形密封Mises應(yīng)力及等效塑性應(yīng)變云圖Fig.4 Mises stress and PEEQ distribution of Э-type seal

3.2 K形密封

K形彈性金屬密封又稱自緊式K形金屬密封[15]，是一種部分自緊式密封結(jié)構(gòu)，通常由凸球面接頭、凹球面接頭、外套螺母、球面墊圈、擋圈以及K形密封環(huán)組成，多用于高壓補燃發(fā)動機中的小直徑低壓液氧管路密封。

預(yù)緊狀態(tài)下K形密封的Von-Mises應(yīng)力云圖和等效塑性應(yīng)變云圖如圖5所示。

圖5 K形密封應(yīng)力及等效塑性應(yīng)變云圖Fig.5 Stress and PEEQ distribution of K-type seal

結(jié)合仿真云圖分析可知：

1） K形密封結(jié)構(gòu)中有4道密封面，內(nèi)、外各兩道，提高了密封效果。其中，B和C處為自緊密封面，A和D處為強制密封面，D處密封面同時具有裝配定位功能。

2）預(yù)緊后K形密封環(huán)與凹接頭和凸接頭形成了4處接觸。A處、B處和C處為線接觸，D處為面接觸。B處的壓緊應(yīng)力最大，產(chǎn)生了最大的塑性變形；C處壓緊應(yīng)力次之，塑性變形較?。籄處壓緊應(yīng)力較小，只有微量塑性變形；D處壓緊應(yīng)力最小，僅有彈性變形。

3） 在裝配狀態(tài)下，當(dāng)介質(zhì)填充B和C之間的V形凹腔后，凹腔內(nèi)壁面受到介質(zhì)壓力作用，產(chǎn)生一定的自緊密封效果。介質(zhì)壓力越大，自緊密封效果越明顯。

3.3 碟形密封

碟形彈性金屬密封是一種強制型密封，因其截面形狀酷似碟形彈簧而得名。這種密封結(jié)構(gòu)既能用于低溫管路密封，也能用于高溫管路密封，在高壓補燃發(fā)動機液氧管路及燃氣管路密封中取得了良好的使用效果。碟形金屬密封緊固形式的選擇一般遵循以下原則：管路直徑較大時多采用螺栓-法蘭連接，管徑較小時則采用接管嘴-管接頭-外套螺母連接。

預(yù)緊狀態(tài)下碟形密封的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 碟形密封Mises應(yīng)力及等效塑性應(yīng)變云圖Fig.6 Mises stress and PEEQ distribution of dish-type seal

結(jié)合仿真云圖分析可知：

1）碟形環(huán)內(nèi)外兩側(cè)各存在一個倒角，倒角兩側(cè)各產(chǎn)生一道密封，因而密封結(jié)構(gòu)中總共形成了4道強制密封面。

2）預(yù)緊力作用后，同時產(chǎn)生了軸向壓緊應(yīng)力和徑向壓緊應(yīng)力。碟形密封環(huán)的4道密封面均產(chǎn)生塑性變形。

3） 由PEEQ云圖可以發(fā)現(xiàn)，碟形環(huán)在預(yù)緊過程中發(fā)生了S形變形，整體塑性應(yīng)變較大，使得密封環(huán)回彈能力降低。

3.4 軟金屬密封

軟金屬密封是一種強制型密封結(jié)構(gòu)，通常由凹臺階接頭、凸臺階接頭和軟金屬墊片組成，通過外套螺母連接并壓緊。這種密封結(jié)構(gòu)溫度適用范圍較廣、抗振性能好，可以在-182℃的低溫和500℃的高溫條件下正常工作，已成功應(yīng)用于高壓補燃發(fā)動機的高壓氣路和高壓液路密封[16]。

預(yù)緊狀態(tài)及工作狀態(tài)下軟金屬密封的仿真結(jié)果如圖7所示[17]。

圖7 軟金屬密封應(yīng)力云圖[17]Fig.7 Stress distribution of soft metal seal[17]

結(jié)合仿真云圖分析可知：

1）密封墊軸向壓緊應(yīng)力較大，在V槽附近區(qū)域也產(chǎn)生了接觸作用，有效增加了接觸面積。接觸面積增加后，可以增大流體泄漏的沿程阻力，提高密封效果。

2） 軟金屬密封墊局部已經(jīng)屈服，材料塑性流動后填充凹凸接頭上的V形槽，在A、B處形成了兩道強制密封面。

3） 凹、凸接頭上配合面較長，在預(yù)緊過程中具有裝配導(dǎo)向作用，可以防止由裝配偏差引起的密封墊受力不均，消除裝配因素對密封性能的影響。

4）預(yù)緊后軟金屬密封墊的塑性變形較大，回彈能力有限，不適用于高壓、大直徑管路密封。

4 高壓補燃發(fā)動機彈性金屬密封技術(shù)要點

高壓補燃發(fā)動機彈性金屬密封的設(shè)計、選材、加工制造和裝配等涉及許多技術(shù)要點，這里主要從密封結(jié)構(gòu)設(shè)計、密封材料選擇、加工工藝和預(yù)緊力控制等方面進行探討。

4.1 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

一般要求高壓補燃發(fā)動機中的彈性金屬密封在整個任務(wù)周期內(nèi)密封可靠，并且能夠克服振動、熱載荷、內(nèi)壓載荷等的影響。因此，在進行密封結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)考慮緊固形式的選取、結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)剛度、密封性能和介質(zhì)壓力的影響等方面的問題[3]。

4.1.1 緊固形式選擇

螺栓-法蘭連接和外套螺母-凹凸接頭連接是高壓補燃發(fā)動機彈性金屬密封結(jié)構(gòu)采用的兩種典型緊固形式。一般地，管徑和預(yù)緊力較大時多采用螺栓-法蘭連接，管徑和預(yù)緊力較小時多采用外套螺母-凹凸接頭連接。

4.1.2 結(jié)構(gòu)強度問題

首先應(yīng)根據(jù)密封要求確定預(yù)緊載荷的大小，然后校核分析螺栓和法蘭強度，并對密封結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)改進，使其滿足結(jié)構(gòu)強度要求。發(fā)動機工作時的熱環(huán)境容易使螺栓屈服，因此螺栓安全系數(shù)要相對較高，一般取螺栓安全系數(shù)ns≥4。另外，緊固件應(yīng)盡量選用球面支承面螺栓、球面支承面螺母和球面墊圈，以減小裝配偏斜后螺栓所受的彎曲應(yīng)力。

4.1.3 結(jié)構(gòu)剛度問題

發(fā)動機工作過程中，彈性金屬密封結(jié)構(gòu)要能承受熱載荷和外力載荷等附加載荷的作用，避免法蘭發(fā)生變形和撓曲。解決彎曲變形的方法是通過合理的設(shè)計計算與分析確定合適的法蘭厚度及螺栓數(shù)量。解決撓曲問題的思路有兩種：一是提高法蘭剛度；二是采用高彈性密封元件。當(dāng)采用高彈性密封元件時，允許法蘭出現(xiàn)一定程度的撓曲。

4.1.4 密封性能問題

在裝配狀態(tài)和工作狀態(tài)下，應(yīng)當(dāng)保證密封接觸面具有足夠的密封比壓和密封接觸面積，確保在整個任務(wù)周期內(nèi)密封無泄漏或泄漏量在允許的范圍內(nèi)。

4.1.5 介質(zhì)壓力的影響

介質(zhì)壓力是一種分離載荷，會明顯削弱密封效果。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中要充分利用介質(zhì)的壓力作用，將密封結(jié)構(gòu)設(shè)計成壓力自緊式，使其能夠在一定范圍內(nèi)根據(jù)密封環(huán)境的變化進行自動補償，保證密封面上始終具有足夠的密封比壓和密封接觸面積。

4.2 結(jié)構(gòu)材料選擇

高壓補燃發(fā)動機中的彈性金屬密封結(jié)構(gòu)工作在高壓、高溫或深冷的氧化性密封環(huán)境，在選擇結(jié)構(gòu)材料時要進行特殊考慮[3]。

1） 要考慮密封環(huán)境的溫度、壓力和密封介質(zhì)的物化特性，所選材料必須與密封介質(zhì)具有良好的相容性。比如用于高溫富氧燃氣路的材料，必須具有良好的耐高溫、抗氧化及抗腐蝕性能。

2） 要考慮材料的硬度、強度、彈塑性和沖擊韌性等。例如密封結(jié)構(gòu)中的緊固件要選用高屈強比材料，并且要求螺栓硬度通常要比螺母高30 HB。

3） 密封結(jié)構(gòu)材料盡量選用低線膨脹系數(shù)的高強不銹鋼或高溫合金，例如燃氣管路某處使用的GH3044高溫合金，在20～400℃的平均熱膨脹系數(shù)為1.31×10-6/℃。同時，要求緊固件和密封環(huán)的線膨脹系數(shù)不能相差太大[18]。

4） 對于有軟金屬鍍層的彈性金屬密封環(huán)，需要在基體材料和鍍層材料的選擇上進行綜合考慮?；w材料一般要求具有較低的熱膨脹系數(shù)、良好的抗蠕變及抗應(yīng)力松弛性能，常選用普通不銹鋼、高強不銹鋼和高溫合金。例如，在高溫燃氣管路，使用了GH3044等高溫合金材料；在低溫液氧管路，使用了多種高強不銹鋼材料。鍍層材料通常要有較高的線膨脹系數(shù)以及良好的延展性、抗腐蝕性、耐溫性能，同時要與密封介質(zhì)相容，多選用金、銀、銅、鎳、銦、鉛、錫等材料[19]。需要注意的是，銅鍍層的穩(wěn)定性較差，一般用作底鍍層；銀鍍層的穩(wěn)定性好，多用作功能性鍍層?？傚儗雍穸纫话憧刂圃?0～80 mm。

4.3 預(yù)緊載荷控制

在高壓補燃發(fā)動機裝配過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)過螺栓彎曲和法蘭壓潰等問題，螺栓屈服現(xiàn)象也時有發(fā)生。分析發(fā)現(xiàn)，這些問題主要是由于預(yù)緊載荷誤差過大以及載荷施加方式不當(dāng)所致。因此，需要對載荷的大小和載荷施加的均勻度進行控制。

4.3.1 載荷大小控制

正確測定結(jié)構(gòu)中摩擦系數(shù)的大小是控制預(yù)緊載荷大小的關(guān)鍵。一般地，預(yù)緊過程中所施加的擰緊力矩有約90%被摩擦力所消耗（螺栓頭下的摩擦力占50%，螺紋副的摩擦力占40%），只有10%左右被轉(zhuǎn)換為軸向夾緊力[19]，摩擦系數(shù)的大小直接決定擰緊力矩轉(zhuǎn)換為軸向力的百分比。在實際應(yīng)用中，要避免螺紋副中含有雜質(zhì)或出現(xiàn)磕碰，同時采取潤滑措施，減小結(jié)構(gòu)中的消極摩擦。

合理的預(yù)緊方法是控制載荷預(yù)緊載荷大小的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前發(fā)動機裝配中采用的扭矩控制法偏差較大，高達±50%左右，遠遠超過了±10%的預(yù)緊力偏差控制要求。建議采用扭矩-轉(zhuǎn)角控制法或屈服點控制法，可分別將預(yù)緊力偏差控制在±15%及±8%以內(nèi)。

另外，應(yīng)當(dāng)定期校核擰緊工具的精度，在裝配過程中避免緊固件的重復(fù)使用，等等，都有益于預(yù)緊載荷大小的控制。

4.3.2 載荷均勻度控制

采用小直徑的高強度螺栓，可減小螺栓間距，使預(yù)緊力分布更加均勻。預(yù)緊時采取固定螺母、旋動螺栓頭的方法可避免螺栓彎曲引起的載荷分布不均，使預(yù)緊效果更好。預(yù)緊過程中采用“三角擰緊法”比“對角擰緊法”效果更好，可以使作用在密封環(huán)上的壓緊應(yīng)力更均勻。

4.4 加工制造工藝

彈性金屬密封結(jié)構(gòu)通常要經(jīng)過機加工、研磨、清洗、熱處理、電鍍和退火處理等工序。在選擇加工工藝時，必須保證加工出來的密封件幾何尺寸均勻一致，法蘭表面加工光潔，密封接觸面不能有加工臺階、刀具碰傷、劃痕、材料裂紋和凹坑等缺陷[2]。目前常用的機加工方法有機械旋壓法和機械切削法兩種。旋壓法加工出來的密封件具有最佳晶粒方向，承壓能力強，加工效率高、成本低，適合于批量生產(chǎn)。機械切削法在加工過程中的不連續(xù)性會導(dǎo)致材料橫向應(yīng)力增大，并且會帶來應(yīng)力集中問題，密封件在高壓下易發(fā)生應(yīng)力腐蝕[20]。

在密封結(jié)構(gòu)的加工及制造過程中，需要特別注意以下問題：

1） 緊固件表面粗糙度一般控制在1.6 μm左右，有時甚至要求不低于0.4～0.8 μm，需采用專門的成形刀具。

2） 在熱處理過程中，螺栓、螺母要采用不同的熱處理工藝，使其具有不同的硬度，防止裝配過程中出現(xiàn)咬死或膠合。

3） 軟金屬鍍層的粘附性要好，防止在裝配過程中出現(xiàn)掉渣或脫落。

4） 嚴格控制軟金屬鍍層厚度，尤其是密封面處的鍍層厚度。

5 結(jié)束語

彈性金屬密封技術(shù)是高壓補燃發(fā)動機管路密封中的一項關(guān)鍵技術(shù)。在發(fā)動機靜密封中應(yīng)用Э形密封、K形密封、碟形密封和軟金屬密封等設(shè)計獨特、形式新穎、特點突出、性能優(yōu)良的彈性金屬密封之后，成功解決了發(fā)動機低溫液氧管路及高溫燃氣管路的密封難題，提高了發(fā)動機的可靠性。

從當(dāng)前的理論研究及工程應(yīng)用現(xiàn)狀來看，高壓補燃發(fā)動機彈性金屬密封技術(shù)研究中仍然存在許多迫切需要解決的問題。例如，對于預(yù)緊力的量化控制研究亟待開展，對于密封過程和密封機理的認識需要繼續(xù)深入，等等。鑒于條件和資源的限制，建議首先開展下述研究工作：

1） 加強彈性金屬密封的基礎(chǔ)理論研究。彈塑性密封機理僅從材料彈塑性變形角度闡釋了密封機理，不能完整地描述密封作用過程，有待進一步發(fā)展和完善。密封性能評價機制尚不成熟，沒有準確、系統(tǒng)、可靠的密封判據(jù)，需要進一步研究探索。

2）完善彈性金屬密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。傳統(tǒng)的經(jīng)驗性設(shè)計方法效率偏低，結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進周期長，研發(fā)成本高，不利于新型彈性金屬密封結(jié)構(gòu)的開發(fā)。目前亟需發(fā)展“設(shè)計-分析-優(yōu)化”的一體化設(shè)計方案，以提高產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計效率，縮短研制周期，降低研發(fā)成本。

3） 開展彈性金屬密封的預(yù)緊力偏差設(shè)計研究。當(dāng)前工程中采用的預(yù)緊力計算方法過于簡單，預(yù)緊力偏差設(shè)計所需要的密封比壓、摩擦系數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)嚴重匱乏，需要開展專項試驗研究工作，針對不同材料及密封結(jié)構(gòu)建立全面、準確、可靠的預(yù)緊力偏差設(shè)計數(shù)據(jù)庫。

[1]張貴田.高壓補燃液氧煤油發(fā)動機[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

[2]休澤爾.液體火箭發(fā)動機現(xiàn)代工程設(shè)計[M].朱寧昌，譯.北京:中國宇航出版社.2004.

[3]朱寧昌,劉國球.液體火箭發(fā)動機設(shè)計[M].北京:宇航出版社,1994.

[4]劉國球,任漢芬,朱寧昌,等.液體火箭發(fā)動機原理[M].北京:宇航出版社,1993.

[5]馮秀,顧伯勤,孫見君,等.金屬墊片密封機制研究[J].潤滑與密封,2007,32(10):97-99.

[6]陸鋒,宋麗蓉.法蘭與金屬墊片密封表面接觸分形模型[J].南京工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2008,6(2)：26-31.

[7]GOOCH B.A unique metal to metal seal for space joints,670566[R].USA：Clumbus Lab,1967.

[8]DAWN R P,ROBERT J W.Seal analysis for the Ares-I upper stage fuel tank manhole covers,AIAA2010-2783[R].USA:AIAA,2010.

[9]DAWN R P,ROBERT J W.Seal joint analysis and design for the Ares-I upper stage LOX tank,AIAA2011-1721[R].USA:AIAA,2011.

[10]ГОРБАЧЕВ А И,ГРОМЫКО Б М,МАТВЕЕВ Е М,et al.Разъемное неподвижное уплотнительное устройство:SU,SU1499031A1[P].1989-07-08.

[11]ГОРБАЧЕВ А И,ГРОМЫКО Б М,ЕВГРАФОВ В М,etal.Разъемноенеподвижноеуплотнительноеустройство:SU,SU1499032A2[P].1989-08-07.

[12]ГРОМЫКО Б М,МАТВЕЕВ Е М,МИТЮКОВ Ю В,et al.Разъемное неподвижное уплотнительное устройство:RU,RU2159373С1[P].2000-11-20.

[13]ZIENKIEWICZ O C,TAYLOR R L.有限元方法,固體力學(xué)（第二卷）[M].5版.莊茁,岑松，譯.北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[14]莊茁,由小川,廖劍暉,等.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[15]趙劍,譚永華,陳建華,等.自緊式K形金屬密封組件密封特性研究[J].火箭推進,2013,39(6):35-41.

[16]杜天恩.高壓液體火箭發(fā)動機新結(jié)構(gòu)密封[J].推進技術(shù),2000,21(4):16-19.

[17]黃其殷,白旭東,李妙婷.軟金屬密封結(jié)構(gòu)密封性能數(shù)值仿真研究[J].火箭推進,2012,38(3):27-33.

[18]加洪.液體火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].任漢芬,譯.北京:宇航出版社,1992.

[19]山本晃.螺紋連接的理論與計算[M].郭可謙,譯.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社,1984.

[20]范平章.航天飛機金屬靜密封技術(shù)和制造工藝[J].航天工藝,1999(2):11-16.