長線列紅外探測器真空密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉 偉,王 冠,閆 杰,張 磊,李雪梨

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

隨著軍事領(lǐng)域衛(wèi)星偵察及預(yù)警等國防需求的日益提升,長線列紅外探測器組件的研制投入也進一步加大,其發(fā)展水平也在迅速提高。此類紅外探測器一般具備大規(guī)模視場、集成多譜段、高分辨率、數(shù)字化電路處理功能等,可極大提高預(yù)警判別、捕捉目標的能力,滿足國防建設(shè)需求。

長線列紅外探測器冷箱結(jié)構(gòu)是紅外探測器研制的關(guān)鍵部件,其結(jié)構(gòu)設(shè)計需采用合理的密封結(jié)構(gòu),保證冷箱高漏率的腔體可通過抽氣形成真空腔,使傳導(dǎo)、對流、輻射三種熱交換大幅度減小,提高制冷效率,有效地為光敏芯片提供一個潔凈、絕熱的工作空間,為地面驗證的實現(xiàn)及空間宇航工作壽命需求提供保障[1]。

2 探測器密封結(jié)構(gòu)

目前長線列紅外探測器結(jié)構(gòu)采用全金屬結(jié)構(gòu)形式,其常規(guī)的密封工藝一般包含激光焊接、真空釬焊、電子束焊和膠粘粘接等。隨著長線列紅外探測器體積的不斷增大,同時考慮地面試驗承制任務(wù)及返修安全便捷等研制需求,常規(guī)真空密封實現(xiàn)手段已不完全適用,在這個過程中,我們引入了適用于宇航探測器使用的金屬密封及膠圈密封結(jié)構(gòu)并開展了相關(guān)試驗驗證工作。

探測器密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計重點為降低真空漏氣速率和保證其長期可靠性,主要影響因素為氣體滲透漏氣和內(nèi)部材料放氣,密封結(jié)構(gòu)設(shè)計需同時兼顧適應(yīng)探測器的宇航工作環(huán)境,保證工況條件密封結(jié)構(gòu)的可靠性。

探測器的真空密封結(jié)構(gòu)設(shè)計有以下考量:

(1)密封材料的甄別,包括熱脹系數(shù)匹配、密封介質(zhì)及環(huán)境、抗拉強度、壓縮應(yīng)力、材料滲透率、抗輻照水平等；

(2)密封結(jié)構(gòu)及密封面的形位公差設(shè)計；

(3)密封壓接螺釘?shù)囊?guī)格及排布；

(4)結(jié)構(gòu)操作簡單方便。

3 金屬密封

有些金屬材料具備一定的彈性,在它受外部擠壓出現(xiàn)形變情況下,會產(chǎn)生反作用填充密封間隙的效果,達到密封的作用。

銦的莫氏硬度只有1.2[2],較好的延展性使其非常有利于真空密封連接,它放氣量小、滲透率低、耐低溫等特點與宇航環(huán)境應(yīng)用需求一致,且超高真空要求的應(yīng)用結(jié)構(gòu)多選取銦作為密封材料。

表1 銦絲密封設(shè)計主要參數(shù)

采納銦作為密封材料的真空結(jié)構(gòu)設(shè)計(如圖1所示)時,應(yīng)考慮以下因素:

(1)銦的填充截面積應(yīng)大于設(shè)計密封凹槽的截面積,且標準配合面上銦膜厚度不大于0.05 mm；

(2)實施銦絲密封操作時,選取的銦絲長度滿足重合富余量剛好接縫處理即可,根據(jù)密封面尺寸大小銦絲直徑可選取為1～2 mm之間值；

(3)銦絲被壓后容易流動,密封結(jié)構(gòu)需要做成臺階或者凹槽型防止銦絲流入真空腔體,且密封表面粗糙度設(shè)計值應(yīng)小于等于Ra 0.8。

銦絲密封的工藝實施(如圖2所示),使用力矩扳手保證密封面銦膜分布均勻；力矩應(yīng)達到5 N·m[3],可保證漏率小于3×10-10atmcc/s；密封前,使用丙酮、酒精超聲清洗密封面、螺釘和密封銦材料,吹干后壓封。

圖1 銦絲密封狀態(tài)

圖2 銦絲密封結(jié)構(gòu)設(shè)計及實物圖

對于銦絲密封結(jié)構(gòu),也有一些不足,首先,銦絲密封彈性差,只能使用一次；同時這種密封形式對密封面的表面粗糙度和配合精度要求較高,對于密封接觸面的熱膨脹系數(shù)也有適配的要求；根據(jù)實際的宇航應(yīng)用工程試驗數(shù)據(jù),在密封面直徑在100 mm范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu),可以選擇銦絲密封,再大尺寸的密封結(jié)構(gòu),密封面的加工實現(xiàn)難度提高,且由于探測器結(jié)構(gòu)尺寸加大,質(zhì)量會增大很多,增加了探測器組件安裝固定因相位調(diào)整帶來密封面變形造成銦絲密封失效的風險；同時大的探測器組件振動,容易引起壓封預(yù)警力不足及壓封面應(yīng)力釋放引起微小變形造成銦絲密封失效。

4 膠圈密封

在真空密封結(jié)構(gòu)中,最常用材料為膠圈形式(如圖3所示),主要因為它具有高回彈性、不易磨損、較高的抗壓和抗拉強度,密封使用可靠性高,可多次拆卸安裝,方便加工。但缺點是,對比金屬密封,出氣率和滲透率較大,多數(shù)不適合應(yīng)用于航天類高真空結(jié)構(gòu)。

探測器的密封工況主要是靜密封,因探測器內(nèi)部為高真空,外部常壓,膠圈密封考慮因素主要包括材料溫度范圍、材料滲透率、接觸滲透速率及壓縮率等。

圖3 膠圈密封狀態(tài)

探測器的工作溫區(qū)在-30～60 ℃范圍,此時,一般氟類及硅類橡膠的溫度均可滿足；材料滲透率,氟類膠圈更低,對空氣為0.88 cm3(STP)cm/cm2·s；在此工作溫區(qū),主要考慮膠圈壓縮率及密封結(jié)構(gòu)設(shè)計,應(yīng)盡可能選取膠圈合適備選材料及其截面結(jié)構(gòu)對應(yīng)壓縮性能較好作為最終密封方案,這樣可以減小密封間隙高度,從而降低密封面滲透的速率,保證高真空需求的密封結(jié)構(gòu)可靠性。

考慮到銦絲密封缺陷,我們根據(jù)部分外文資料,結(jié)合上訴一些分析,與國內(nèi)某研究機構(gòu)開展了聯(lián)合設(shè)計,最綜獲得了符合航天應(yīng)用標準的定制材料,真空揮發(fā)、質(zhì)量損失、可凝揮發(fā)物含量小于1 %,紫外輻照總量可實現(xiàn)1.17 kcal/cm2,輻射總劑量0.6 krad[Si],原子氧積分通量5×1024atoms/m2,試驗如圖4所示。

圖4 膠圈拉伸、回彈力及放氣性試驗

我們選用O形橡膠圈進行密封結(jié)構(gòu)設(shè)計,O形膠圈的密封結(jié)構(gòu)總漏率影響因素很多:①環(huán)境溫度,因為它能影響密封介質(zhì)的流動性、改變膠圈截面狀態(tài)和橡膠材料的彈性模量、泊松比等性能參數(shù),造成接觸應(yīng)力的變化,從而影響密封結(jié)構(gòu)的總漏率；②密封氣體,分子質(zhì)量會影響其滲漏或泄露的可能性；③金屬的表面狀態(tài),O形密封結(jié)構(gòu)的泄漏,因周向的不平整可能直接造成內(nèi)外部的貫通,所以相較于徑向平整度,密封結(jié)構(gòu)對周向平整度要求更高,同時密封結(jié)構(gòu)表面粗糙度本身也會造成直接泄露,使密封效果大打折扣；④密封面單位面積作用力的大小,作用力變大,可減小密封間隙高度,保證密封效果,同時需平衡橡膠的壓縮狀態(tài),過大會加速橡膠的彈性應(yīng)變向塑性應(yīng)變的轉(zhuǎn)變,影響結(jié)構(gòu)的可靠性；⑤密封材料,橡膠材料不同,回填力也不同,性能及在溫度變化的反應(yīng)也不同；⑥密封裝置內(nèi)外壓差,它可產(chǎn)生分子流動的勢能,大的壓差將會加速氣體介質(zhì)的泄漏。

密封結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)真空密封手冊查詢,首先,根據(jù)密封直徑確定橡膠圈的規(guī)格,如表2；然后根據(jù)QJ1035.1-86《O形橡膠密封圈》及QJ1035.2-86《O形橡膠密封圈的選用和密封腔設(shè)計規(guī)范》選取及設(shè)計密封槽的尺寸,在密封槽的設(shè)計中,膠圈的壓縮率選取在25 %～35 %,最后在密封槽加工時,對槽底及槽邊緣進行0.3～0.5的圓角處理,保證膠圈的密封可靠性,膠圈一定要經(jīng)過橡膠硫化處理,保證探測器壽命末期的可靠性要求。

表2 密封直徑與膠圈尺寸表

考慮O形密封膠圈的一些參數(shù),開展了膠圈材料設(shè)計選型及密封結(jié)構(gòu)設(shè)計,圖5為最終密封結(jié)構(gòu)樣品圖,其真空漏率可實現(xiàn)3×10-10atmcc/s,密封結(jié)構(gòu)真空度可實現(xiàn)1×10-4Pa。

圖5 密封結(jié)構(gòu)樣品

5 螺釘緊固分布與密封結(jié)構(gòu)可靠性

膠圈密封結(jié)構(gòu),螺釘預(yù)緊力及膠圈壓縮回彈力會直接影響密封結(jié)構(gòu)面的接觸力,從而影響密封效果,所以開展以下內(nèi)容,單獨對真空密封結(jié)構(gòu)的螺釘分布設(shè)計進行研究。

對作用密封結(jié)構(gòu)接觸面壓力分布進行分析研究,如圖6所示,力矩扳手施加作用力,螺釘與工件表面接觸,并對工件接觸面添加向下作用壓力Pa,此作用力通過接觸工件向下傳遞并作用于膠圈固定工件表面,通過L長螺紋端向上反向施加反向作用力Pb,并在密封面產(chǎn)生接觸作用力Pc、Pd。

圖6 密封結(jié)構(gòu)接觸面應(yīng)力分布效果圖

將上述接觸作用力模型結(jié)合膠圈應(yīng)變應(yīng)力曲線一同帶入建立有限元模型,對螺釘與工件接觸表面的壓強及其分布進行求解。建模并劃分網(wǎng)格,在法蘭與連接座,螺釘頭部與法蘭接觸面,采用接觸單元模擬法蘭與螺釘?shù)慕佑|行為。據(jù)擰緊力矩與預(yù)緊力的關(guān)系計算出添加力矩,將密封膠圈所在工件下表面做固定約束,進行仿真分析。

根據(jù)圖7膠圈回彈力曲線,將膠圈壓縮變形回彈力作用于膠圈密封接觸面,分析螺釘應(yīng)力分布,如圖8所示,具體可查看每個螺釘應(yīng)力值,如圖9所示。根據(jù)具體螺釘應(yīng)力值及分布值,可以調(diào)整計算螺釘分布是否合理,獲得螺釘分布合理分布密封結(jié)構(gòu)后,再計算螺釘安全系數(shù),如圖10所示,可判斷載荷分布及作用螺釘材料是否合理,如鑄鐵螺釘,安全系數(shù)應(yīng)控制在3及以上,不銹鋼、TC4等螺釘安全系數(shù)應(yīng)控制在2.5及以上。

圖7 膠圈壓縮回彈力試驗曲線

圖8 螺釘應(yīng)力分布

圖9 具體單個螺釘應(yīng)力

圖10 螺釘安全系數(shù)

6 總結(jié)與展望

宇航探測器采用上述方法進行密封結(jié)構(gòu)設(shè)計,極大地方便了地面試驗驗證及開展各項組件性能分析判斷,同時可實現(xiàn)漏率優(yōu)于3×10-10atmcc/s,密封真空度優(yōu)于1×10-4Pa控溫環(huán)境要求,其結(jié)構(gòu)可靠性已通過航天試驗得到驗證。

目前研究密封介質(zhì)為空氣,結(jié)合工況分析,主要定位為靜密封設(shè)計,后續(xù)將開展銦絲及O形橡膠圈共同作用的冗余密封結(jié)構(gòu)研究,因這種密封結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的話具有更高的可靠性,為探測器制冷組件提供更好的工作環(huán)境,尤其是對冷量需求嚴苛的甚長波組件還是很有實現(xiàn)必要的,相信隨著宇航紅外的進一步推進,冗余密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計將很快推進實現(xiàn)。