基于PTFE 軟管的尿液收集軟管組件設計及驗證

張 榮， 白 燕， 劉 鑫， 于 震， 苑 博， 李海歐

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司， 北京100094）

0 引言

環(huán)控生保系統(tǒng)（ECLSS），是載人航天器最具載人航天特征的一個重要系統(tǒng)， 是直接關系到航天員生命安全的不可缺少的保障條件。 它的基本功能是對航天器密閉艙環(huán)境進行控制，為航天員提供水、氧、食物等必需物質和其它的生活保障[1]。尿液處理是空間站環(huán)控生保系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)之一。 環(huán)控生保系統(tǒng)各個單機產(chǎn)品和組件之間通過軟管連接。 其中尿液收集軟管組件用于空間站環(huán)控生保分系統(tǒng)（ECLSS）中的大小便收集子系統(tǒng)，尿液收集的意義在于將空間站中航天員排泄的尿液收集后進行處理和凈化， 將尿液中提取水分用于電解水制氧或航天員生活用水，從而實現(xiàn)空間站用水的回收再利用[2]。

針對空間站環(huán)控生保軟管的特殊工況需求， 本文提出了一種基于聚四氟乙烯（PTFE）軟管的尿液收集軟管組件設計方案。

1 尿液收集軟管組件方案設計

1.1 尿液收集軟管組件性能要求分析

空間站大小便收集子系統(tǒng)的尿液收集軟管組件，與地面常用軟管組件相比， 其性能要求有如下幾個特點：

1.1.1 工作介質特殊且不便于在軌更換

尿液收集軟管的工作介質為航天員尿液、 尿預處理劑、尿液和尿預處理劑混合液、含銀離子飲用水、飲用水與尿預處理劑混合液、空氣等。軟管組件一經(jīng)使用，存在軟管內有殘存相應工質并長期儲存的工況。由于軟管組件應用于空間站， 故軟管與內部工質的相容性需滿足15 年要求。

表1 尿液收集軟管性能指標約束

1.1.2 性能指標約束復雜

性能指標約束詳見表1。

1.1.3 使用的非金屬管材需要滿足空間站非金屬材料試驗項目及試驗要求

為了保證空間站密封艙有害氣體濃度控制、 防火以及微生物控制，需對艙內非金屬材料的阻燃特性、燃燒產(chǎn)物等指標進行控制。由于尿液收集軟管組件為艙內產(chǎn)品，若采用非金屬管材且總重超過0.5kg，則管材必須通過地面狀態(tài)阻燃、燃燒產(chǎn)物試驗檢測。

1.2 尿液收集軟管組件設計

聚四氟乙烯軟管組件通常由聚四氟乙烯（PTFE）內管、不銹鋼絲增強層和金屬接頭（包括螺母、套筒、接頭）等組成[3]。尿液收集軟管采用不銹鋼絲鎧裝聚四氟乙烯軟管的設計方案， 具體結構由聚四氟乙烯內管、 不銹鋼絲增強層、接頭組件與扣壓套筒組成，如圖1 所示。

圖1 尿液收集軟管產(chǎn)品結構

1.2.1 內管選材

由于尿液收集軟管的工作介質具有較強的腐蝕性，主要成分如表2～表4 所示。 管體材料與工質直接接觸，因此管材既要滿足較強的抗強酸、抗腐蝕性能，同時具有長壽命、質量輕、彎曲半徑小、氣密性好等優(yōu)良特性。 由于工質中含有濃硫酸，常見金屬波紋管管材均不滿足此工況。 通過對可制作軟管的常用非金屬材料的調研和分析， 聚四氟乙烯（PTFE）滿足尿液收集軟管的使用工況。

表2 尿液主要成分

表3 尿預處理劑主要成分

表4 排便氣體成分及濃度表

聚四氟乙烯具有極高的化學穩(wěn)定性，能耐所有強酸、強堿、強氧化劑，還原劑和各類有機溶劑的腐蝕；聚四氟乙烯具有寬廣的使用溫度范圍，常壓下可以長期應用于-180℃～+250℃的溫度區(qū)域， 在250℃高溫下處理1000h后，其力學性能變化很??；聚四氟乙烯具有優(yōu)異的耐老化性能和抗輻射性能，不僅在低溫與高溫條件下尺寸穩(wěn)定，而且在潮濕狀態(tài)下不受微生物侵襲， 對各種射線輻射也具有極高的防護能力[4]。

通過1.1.3 可知，需對聚四氟乙烯（PTFE）管材進行空間站非金屬材料試驗。

燃燒產(chǎn)物測定結果為：樣品燃燒產(chǎn)物中CO 的濃度為227ppm，NOX 的濃度為2.5ppm，HF 的濃度為90ppm，未檢出HCl、SO2、HCN 等氣體。

垂直燃燒試驗結果為：平均焰燃時間0s、平均燒焦長度14mm，沒有滴落物。

水平燃燒試驗結果為：評價燃燒速率=0mm/min。

通過對比空間站非金屬材料試驗合格標準， 管材滿足空間站對非金屬材料的試驗要求。 故選用此聚四氟乙烯（PTFE）管材作為尿液收集軟管的內管管材。

1.2.2 不銹鋼絲增強層設計

考慮到聚四氟乙烯內管材質相對較硬， 在遭受過度彎曲時易發(fā)生“折癟”的風險且不可恢復，以及為防止外表面磕碰與劃傷影響其壽命等隱患，聚四氟乙烯內管通常不能直接作為外管直接使用。 根據(jù)產(chǎn)品承壓能力的不同， 增強層主要可以分為兩種結構：“編織” 結構和 “纏繞+編織”結構，各層結構不銹鋼絲材質均相同[5]。 “編織”結構具有固定性好、重量輕的優(yōu)點，主要應用于小規(guī)格高壓力等級或大規(guī)格低壓力等級的軟管組件。 而“纏繞+編織”結構與內管外表面緊貼性好、鋼絲排列均勻的優(yōu)點，主要應用于高壓力等級的軟管組件。 因此增強層的設計原則是在滿足軟管技術指標的前提下，采用層數(shù)最少、結構最合理的增強層。 考慮到空間站產(chǎn)品的減重需求，尿液收集軟管的不銹鋼增強層采用中低壓軟管中最輕便的編織方式。增強層采用不銹鋼絲編織的方式進行，鋼絲增強層結構見圖2，其編織工藝參數(shù)見表5。編織后性能滿足GJB2837 中低壓軟管工作壓力的要求，也完全滿足尿液收集軟管所需的性能要求。

圖2 內管結構示意圖

表5 不銹鋼絲增強層編織參數(shù)

1.2.3 金屬連接件設計

軟管兩端的金屬連接件與軟管通過零件變形達到固定連接的效果，即所謂的扣壓[6]。金屬接頭結構形式如圖3所示。其中扣壓端接口形式選用倒刺式接頭。金屬接頭與軟管連接的扣壓結構主要起到兩方面的作用： 一是防止金屬接頭與軟管管體之間在使用中脫落； 二是保證軟管組件在長期壓力情況下的使用中保持密封， 防止介質在接頭與管體連接部位泄漏[7]。通過與工質的相容性試驗結果，與工質接觸的接頭材料選用鈦合金TA2，外套螺母材料選用TC4。

圖3 柱塞接頭組件結構示意圖

2 尿液收集軟管組件主要驗證試驗

2.1 性能試驗情況

對尿液收集軟管開展所需性能試驗， 試驗項目及其試驗結果如表6 所示。

表6 尿液收集軟管性能試驗結果

2.2 環(huán)境試驗情況

依據(jù)空間站產(chǎn)品設計和建造規(guī)范， 對尿液收集軟管的鑒定件產(chǎn)品進行鑒定級振動、沖擊、加速度、地面貯存與運輸溫度及交變濕熱等環(huán)境試驗。 其中以振動和沖擊試驗為例介紹一下試驗過程。 尿液收集軟管的振動和沖擊試驗按照X 方向→Y 方向→Z 方向的順序進行， 每方向均按照驗收級正弦振動（30%）→鑒定級正弦振動→驗收級隨機振動（30%）→鑒定級隨機振動→沖擊響應譜試驗順序進行應力加載。

表7 正弦振動試驗條件

表8 隨機振動試驗條件

表9 沖擊響應譜試驗條件

振動共安裝4 個加速度傳感器 1#、2#、3# 和4#，其中1# 和2#作為控制點位于專用工裝上，3#和4#作為測量點位于軟管產(chǎn)品表面。 試驗安裝狀態(tài)如圖4 所示。 沖擊試驗共安裝兩個加速度傳感器1# 和2#， 其中1# 作為控制點位于專用工裝上，2#作為測量點位于軟管產(chǎn)品與工裝連接處。 試驗安裝狀態(tài)如圖5 所示。

環(huán)境試驗所有項目結束后軟管漏率均滿足設計要求，即尿液收集軟管組件通過鑒定級環(huán)境試驗。

圖4 尿液收集軟管正弦振動和隨機振動試驗安裝狀態(tài)

圖5 尿液收集軟管正沖擊試驗安裝狀態(tài)

圖6 正弦鑒定試驗加載的控制、測量記錄曲線

圖7 隨機鑒定試驗加載的控制、測量記錄曲線

圖8 沖擊響應譜試驗加載的控制記錄曲線

3 結論

本文提出的基于聚四氟乙烯（PTFE）軟管的尿液收集軟管組件設計方案， 通過了性能試驗和空間站產(chǎn)品環(huán)境試驗， 能夠滿足空間站大小便收集子系統(tǒng)對軟管組件的使用需要。 本設計方案對空間站及其他長期飛行任務的載人航天器的環(huán)控生保系統(tǒng)（ECLSS）軟管組件的設計具有參考借鑒意義。