載人航天器不同系統(tǒng)用密封材料研究

王 江，宋 丹，龐愛民，李 洋

(航天科技集團(tuán)公司四院四十二所，湖北襄陽441003)

1 引言

密封技術(shù)是載人航天系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。載人航天系統(tǒng)主要包括天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)、空間站系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)以及航天員系統(tǒng)等［1］，每個(gè)系統(tǒng)又有許多復(fù)雜的機(jī)構(gòu)組件構(gòu)成，為了保證空間環(huán)境不對系統(tǒng)內(nèi)部的人員、儀器設(shè)備造成不良影響，各組件之間及其內(nèi)部的成千上萬個(gè)連接處都必須采用密封技術(shù)，以保證各連接處的泄漏控制在安全界限內(nèi)［2］。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

俄羅斯和美國已經(jīng)多次發(fā)射空間站和航天飛機(jī)，進(jìn)行了大量的載人航天試驗(yàn)，航天技術(shù)業(yè)比較成熟。俄羅斯的“和平”號空間站在軌運(yùn)行十多年，據(jù)資料介紹，其空間密封一般采用O型圈，壓縮率在30% ～50%之間［3］。美國在“挑戰(zhàn)者”號發(fā)射失敗后，對航天飛機(jī)的密封系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究工作，從密封壽命、密封檢測等方面考慮，對O形密封圈的泄漏量、載荷衰減、永久變形等進(jìn)行了研究［3］。隨著我國載人航天研究和試驗(yàn)的開展，各個(gè)系統(tǒng)的密封技術(shù)的研究也在進(jìn)行，一些科研院所和高校，如中國空間技術(shù)研究院［4］、航天材料及工藝研究所［5］、航天 42 所［6］等，在載人航天系統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、可靠性驗(yàn)證、密封材料的制備、密封材料性能檢測等方面進(jìn)行了大量的研究工作，研究成果已經(jīng)成功應(yīng)用在我國的“神舟”系列飛船、運(yùn)載火箭、航天服等載人航天系統(tǒng)，為我國載人工程的順利發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

3 密封材料的空間使用性能要求分析

3.1 使用環(huán)境

密封材料使用的外部空間環(huán)境為［7-8］:高真空(1.3×10-4～10-7Pa)，高、低溫循環(huán)(-90～ +125℃)，每90 min左右交變一次，太陽射線輻射，帶電粒子輻射，微隕石和人造軌道碎片撞擊以及原子氧侵蝕等。

對于不同密封介質(zhì)，有些是空氣、水等普通介質(zhì)，有些是液氧、液氮、無水肼等特殊介質(zhì)，對密封材料有不同的性能要求。

3.2 性能要求分析

3.2.1 耐輻照

對于載人飛船、空間站等航天器，外輻照環(huán)境要求其所用的有機(jī)密封材料必須具有良好的抗輻照性?？臻g飛行器的主要輻射環(huán)境有:捕獲電子、捕獲質(zhì)子和太陽質(zhì)子。長時(shí)間的輻射會(huì)使有機(jī)密封材料降解或交聯(lián)，出氣加速，從而改變其物理機(jī)械性能，甚至喪失密封能力［8］。

3.2.2 耐真空

在高真空環(huán)境下，密封材料的出氣會(huì)帶來材料成分上的變化［9］，進(jìn)而引起密封材料性能的改變和尺寸的變化，最終影響密封效果。同時(shí)，材料的出產(chǎn)物還會(huì)嚴(yán)重降低光學(xué)系統(tǒng)和遙感系統(tǒng)的敏感器件的使用性能［10］。因此，航天器密封材料必須具有較好的耐真空性能，要能在真空環(huán)境中保持性能穩(wěn)定。

3.2.3 無毒無氣味

載人航天器密封艙內(nèi)氣體成份及其含量對航天員的安全、健康及工效有著極大的影響［11］。非金屬材料是密封艙內(nèi)空氣的重要污染源，具有潛在的毒性危害，因此密封材料不僅要求出氣少，而且要求出氣產(chǎn)物無毒無氣味，對有害成份的量要求嚴(yán)格控制，如艙外航天服要求密封件材料的氣味等級不大于1.5級，并對脫出的氣體成份如一氧化碳、總有機(jī)物的量有嚴(yán)格的要求。

3.2.4 不易燃燒

載人航天始終把安全性放在首位，艙內(nèi)材料意外著火，不僅損壞設(shè)備，而且燃燒產(chǎn)生的有毒氣體及煙霧將直接威脅航天員的生命安全，因此對用于航天器上的材料應(yīng)進(jìn)行可燃性評估，美國宇航局與歐空局均制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)［12-13］。

3.2.5 耐高溫和低溫

空間環(huán)境大范圍的溫度變化(-90～+125℃)要求某些部位的密封材料不僅要經(jīng)受得住長時(shí)間交變的高溫，而且在低溫下彈性要好，在飛行器返回再入大氣層過程中，還要能滿足瞬時(shí)的熱密封、動(dòng)密封，保證整個(gè)溫度范圍內(nèi)可靠密封［14］。

3.2.6 耐介質(zhì)

用于航天器流體貯存與輸送系統(tǒng)的密封材料需要耐介質(zhì)。如用于液體推進(jìn)系統(tǒng)的密封材料，需要耐液氧、四氧化二氮的強(qiáng)氧化性，耐肼類的強(qiáng)腐蝕性［14］。

3.2.7 長壽命

長期在軌的飛行器和深空探測飛行器均對其密封材料提出長壽命的要求。

4 密封材料空間環(huán)境適應(yīng)性研究及應(yīng)用

4.1 密封材料空間環(huán)境適應(yīng)性研究

4.1.1 低溫性能研究

隨著載人航天技術(shù)和空間站技術(shù)的發(fā)展，對直接暴露在惡劣空間環(huán)境中的密封材料而言，其低溫條件下的密封性能成為考察的關(guān)鍵因素。歐空局對空間密封橡膠材料使用溫度范圍要求的典型值為-80～+200℃，美國宇航材料標(biāo)準(zhǔn)要求脆性溫度達(dá)到-75℃［8］。目前耐低溫性能比較好的為苯基硅橡膠，以苯基硅橡膠為主體材料研制的耐低溫硅橡膠配方S42-1，其玻璃化溫度低于-100℃;運(yùn)用納米材料對其進(jìn)行改性，研制出了玻璃化溫度更低的密封材料N1-Ⅰ-1和N1-Ⅰ-2［6］。將三種配方制成相同規(guī)格的密封圈，分別裝入同一密封試驗(yàn)工裝，進(jìn)行材料的低溫密封性能試驗(yàn)，在不同的溫度點(diǎn)進(jìn)行氦檢漏試驗(yàn)檢測泄漏率。表1為三種材料的不同溫度的泄漏率，可以看出，所研制的N1-Ⅰ-1配方在-90℃的泄漏率為5.0×10-10，其低溫密封失效溫度點(diǎn)為-115℃，低溫性能優(yōu)于S42-1。

表1 不同材料不同溫度下的泄漏率Table 1 The leakage rate of different materials under different temperatures

4.1.2 真空環(huán)境下材料性能研究

在真空環(huán)境下，空間材料的性能變化一直是人們關(guān)注的問題，對研制的硅橡膠材料進(jìn)行了耐真空試驗(yàn)和真空拉伸試驗(yàn)，存放樣品室真空度為1.33×10-3Pa，真空拉伸時(shí)真空度為7.33×10-2Pa，材料性能變化見表2。可以看出，材料在真空環(huán)境作用下仍可保持優(yōu)異的力學(xué)性能，達(dá)到國外同類產(chǎn)品的技術(shù)要求。

表2 材料在真空環(huán)境下的性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The performance of the materials in vacuum

4.1.3 耐輻照及原子氧性能研究

模擬軌道為300～400 km處的空間環(huán)境，對研制的硅橡膠材料進(jìn)行了耐輻照和原子氧性能研究，試驗(yàn)結(jié)果見表3。結(jié)果表明，經(jīng)過空間的輻照環(huán)境后(模擬大于5年輻照總量)，材料仍保持較高的壓縮耐寒系數(shù)，質(zhì)量損失比較小。

4.1.4 壽命研究

由于載人航天工程的特殊性，其所用的密封材料大多不可更換，長壽命、高可靠性是對密封材料的基本要求，密封材料的使用壽命必須大于航天產(chǎn)品的設(shè)計(jì)壽命。因此，課題組對自研的載人飛船用S42空間密封材料和艙外航天服用FTBNR-1Y采用加速老化試驗(yàn)進(jìn)行了常溫貯存壽命的評估。

表3 材料耐輻照及原子氧試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The results of the materials resistant to radiation and atomic oxygen tests

S42作為空間靜密封材料使用，橡膠材料的壓縮永久變形性能是關(guān)系到密封壽命的主要性能。因此，以壓縮永久變形作為失效判據(jù)，預(yù)估材料在裝配狀態(tài)下的貯存壽命。試驗(yàn)采用加速老化的方法，選取 100、110、120、130、150 ℃ 共五個(gè)老化溫度點(diǎn)，老化時(shí)間約6個(gè)月。在每一個(gè)溫度點(diǎn)上，放置采用30%壓縮率壓縮下的標(biāo)準(zhǔn)壓縮件，以此來考察密封材料的壓縮永久變形受溫度和老化時(shí)間影響的情況，用以評估密封件在裝配狀態(tài)下的壽命。試驗(yàn)表明，隨著老化時(shí)間的增長，材料壓縮永久變形逐漸增大。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法可推算S42空間密封材料在25℃下貯存壽命大于30年。

FTBNR-1Y是課題組為艙外航天服密封橡膠件研制的一種材料，該材料制成的橡膠件產(chǎn)品在處于拉伸狀態(tài)使用，因此以扯斷伸長率作為失效判據(jù)，預(yù)估材料的貯存壽命。試驗(yàn)采用加速老化的方法，選取100、90、80、70 ℃共四個(gè)老化溫度點(diǎn)，老化時(shí)間約6個(gè)月。同樣采用標(biāo)準(zhǔn)方法，可推算FTBNR-1Y材料在25℃下貯存壽命為16.5年。

4.2 密封材料在載人航天上的應(yīng)用

4.2.1 載人飛船及天宮目標(biāo)飛行器

S42空間密封材料是課題組為載人飛船、空間站等載人航天器研制的，材料不僅能滿足空間環(huán)境對結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)密封件的各種要求，而且達(dá)到了載人航天任務(wù)在衛(wèi)生學(xué)方面的各項(xiàng)性能要求。材料的綜合性能見表4，材料成功應(yīng)用于神舟系列載人飛船和天宮一號飛行器密封。

表4 S42空間密封材料的綜合性能Table 4 The comprehensive performance of the S42 space sealing material

4.2.2 艙外航天服

FTB橡膠件是艙外航天服的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，用于國產(chǎn)艙外航天服的結(jié)構(gòu)密封、管路連接、減震、構(gòu)件保護(hù)等。四十二所以天然橡膠和硅橡膠為主體材料，研制出八種適用于不同部位的密封材料。材料不僅具有良好的力學(xué)性能、老化性能、低溫性能等，而且具有無毒無污染、使用壽命長的特性，完全滿足飛船座艙非金屬材料的衛(wèi)生學(xué)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，具有較好的空間環(huán)境適應(yīng)性。該產(chǎn)品應(yīng)用于艙外航天服的關(guān)節(jié)軸承、背包門、機(jī)構(gòu)連接等部位的密封，確保了“神七”航天員出艙活動(dòng)的圓滿成功。

4.2.3 醫(yī)監(jiān)生化檢測實(shí)驗(yàn)袋

醫(yī)監(jiān)生化檢測實(shí)驗(yàn)袋是醫(yī)監(jiān)生化檢測裝置的重要部件，用于航天員生物數(shù)據(jù)的采集，為航天員醫(yī)監(jiān)醫(yī)保提供依據(jù)。課題組以氯化丁基橡膠主體材料，為實(shí)驗(yàn)袋研制出了專用材料。該材料具有無毒無污染、氣密性好的特點(diǎn)，并具有一定的透明性，對檢測試劑內(nèi)分子活性無影響。采用自研材料制作的醫(yī)監(jiān)生化檢測實(shí)驗(yàn)袋通過了長時(shí)間地面聯(lián)試的考核和“神九”任務(wù)的試驗(yàn)驗(yàn)證，性能滿足任務(wù)的設(shè)計(jì)要求。

5 材料耐介質(zhì)技術(shù)研究進(jìn)展

5.1 耐N2O4介質(zhì)

N2O4是火箭液體推進(jìn)系統(tǒng)常見的一種氧化劑，該氧化劑具有強(qiáng)烈的腐蝕性。載人航天器的推進(jìn)系統(tǒng)需要耐該介質(zhì)的密封材料。橡膠具有獨(dú)特的高彈性能，是最理想的密封材料，但是絕大多數(shù)品種橡膠與N2O4相容性差［16］，使得該項(xiàng)密封技術(shù)存在較大難點(diǎn)，尤其是長期密封。

全氟醚氟橡膠和羧基亞硝基氟橡膠是公認(rèn)的最理想的耐N2O4密封材料。俄羅斯、美國和日本均有工業(yè)化生產(chǎn)的該種氟橡膠，其牌號分別是俄羅斯的CKφ-460、美國杜邦的Kalrez和日本大金公司的GTA［15］，上述生膠對我國均限制出口。國內(nèi)晨光研究上世紀(jì)70年代開展了相關(guān)方面的研究工作，合成出了相關(guān)產(chǎn)品，課題組曾購置了當(dāng)年合成的材料開展了配方研究。由于材料硫化存在問題為進(jìn)一步開展研究。受原材料所限，本文針對密封件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展研究，試圖通過復(fù)合結(jié)構(gòu)的密封件來解決耐N2O4介質(zhì)密封問題。研究思路為:里層采用橡膠材料，保持較好的彈性，外層包覆薄層耐N2O4介質(zhì)的材料，抵抗N2O4介質(zhì)腐蝕，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 耐N2O4復(fù)合結(jié)構(gòu)密封材料Fig.1 The composite sealing materials for N2O4-resisting

包覆層主要為與N2O4相容性較好的材料，且滲透性要低?？蛇x用的材料主要是一些惰性強(qiáng)的金屬，如鎳﹑銅﹑鋁﹑銀﹑錫﹑金等［17］。包覆工藝要求包覆層完整無裂紋，具有一定的延伸率，厚度要薄且均勻。這存在一定的技術(shù)難度。試驗(yàn)選用了電鍍﹑貼裹﹑等離子注射生長包覆等多種包覆工藝。圖2為包覆了銀的橡膠密封圈。用銀包覆密封圈進(jìn)行了長期密封泄漏試驗(yàn)，140天的密封試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然N2O4沒有發(fā)生泄漏，但密封圈已發(fā)生了嚴(yán)重破壞。包覆材料在一定程度上緩解了N2O4介質(zhì)對橡膠的腐蝕，可適用于短期的介質(zhì)密封，但在長時(shí)間的壓縮密封狀態(tài)下，包覆材料會(huì)產(chǎn)生局部的破損，使N2O4介質(zhì)滲入腐蝕橡膠，對橡膠件產(chǎn)生較嚴(yán)重的破壞，隨著時(shí)間的推移最終導(dǎo)致密封失效，適用于長期介質(zhì)密封的產(chǎn)品尚待進(jìn)一步研究。

圖2 銀包覆橡膠密封圈Fig.2 Silver coated rubber sealing ring

5.2 耐H2O2介質(zhì)

H2O2也是液體推進(jìn)劑用氧化劑的一個(gè)品種。它具有較強(qiáng)的氧化性［14］。該種介質(zhì)的密封材料必需和H2O2有較好相容性，使材料長期浸于其中，性能變化率應(yīng)較小，滿足長期密封使用要求。試驗(yàn)選用耐介質(zhì)性能和低溫性能都比較好的氟硅橡膠［15］作為主體膠料，在配方設(shè)計(jì)時(shí)盡量少用有還原特性的填料。試驗(yàn)配方SF42-1的質(zhì)量配比為氟硅膠 SF-3:100，SiO2:40，DCP:1，其它:5。配方性能見表5。

同時(shí)，對SF42-1配方進(jìn)行了長期密封泄漏試驗(yàn)。經(jīng)過140天的密封泄漏試驗(yàn)，密封圈仍保持完好，也未發(fā)生介質(zhì)泄漏。試驗(yàn)結(jié)果表明所研制的材料耐H2O2介質(zhì)性能優(yōu)良，可用于H2O2介質(zhì)的密封。

6 結(jié)論

1)運(yùn)用納米材料進(jìn)行改性，可以改善材料的低溫性能;

2)通過空間環(huán)境模擬試驗(yàn)，S42材料性能變化較小，表明S42材料有較好的環(huán)境適應(yīng)性;

3)加速老化試驗(yàn)結(jié)果表明S42和FTBNR-1Y有較長的常溫貯存壽命;

4)通過包覆技術(shù)可改善材料耐介質(zhì)性能。

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