柔性石墨在固体发动机高温密封上的应用研究*

何 君，李 颖，余 瑞，张 路，余 剑，吴 敏，邓康清

(湖北航天化学技术研究所，湖北襄阳 441003)

0 引言

随着航天技术和导弹武器装备的不断发展，固体火箭推进剂的能量要求越来越高，随之而来的是发动机热防护要求也越来越高。某型号固体火箭发动机，由于喷管部位空间有限，喷管热防护设计余量较小，如图1所示。在发动机研制初期，发动机推进剂燃烧温度高达3 200 K以上，发动机喷管密封失效，导致喉部发生穿火，喷管结构被破坏，如图2所示。经热试车试验验证，发动机工作过程中壳体喷管位置外壁温度达到1 073 K，O型橡胶密封圈、密封铜垫等传统的密封手段都无法满足使用要求。

图1 某型发动机喷管结构示意图

图2 发动机热试车后喷管喉部穿火

柔性石墨，也称为膨胀石墨，不仅兼具普通石墨耐高温、自润滑、抗腐蚀等特性外，还具备独有的柔软性、良好的压缩与回弹特性[1-4]。柔性石墨对密封面结构和密封介质具有很强的适应性，机械性能不随环境温度的变化而变化。它的高温密封性能尤其突出，是一种综合性能优异的密封材料。文献[5]针对柔性石墨的密封性能、制造工艺、密封机理等方面进行了研究，指出柔性石墨是一种新型可靠的高温密封材料。李嵩等[6]对金属冲齿板增强柔性石墨垫片的密封性能进行了实验研究，并对其在冲压发动机上的实验及应用情况展开了研究。目前，柔性石墨已广泛应用于石油、化工、核能发电、冶金、航空等高温密封领域[7-8]，且效果显著。但是石墨垫片在固体火箭发动机高温密封上的应用研究较少。文中通过建立柔性石墨垫片的紧固力矩模型计算得到了石墨垫片实现可靠密封的最小紧固力矩。并对柔性石墨垫片的压缩力学特性、外部压力和交变温度作用下的密封特性及其在某型号固体火箭发动机上的应用展开了实验研究。

1 柔性石墨垫片密封的紧固力矩计算

固体火箭发动机的喷管高温密封结构如图3所示。利用喷管扩张段处的螺纹紧固力对柔性石墨垫片施加一轴向的压力Py，柔性石墨垫片在轴向压力Py的作用下发生径向变形，从而与喉衬组件紧密贴合在一起，起到密封作用。该处喷管结构的密封机理和填料密封类似[9]，对于密封介质压强为P的高温高压燃气，当密封腔底部的径向压紧力Ph大于或等于介质的压力，即Ph≥P时，可以保证结构可靠密封。

图3 柔性石墨垫片受力示意图

参考填料的密封机理，可知该处石墨密封垫片对发动机喉衬组件的压紧力沿轴向成指数分布[10-12]，如图3所示，即：

可得到螺纹紧固力的最小值为：

(3)

式中：ξ为填料压力侧传系数，一般取ξ=0.5；P为固体火箭发动机的工作压强；μ1为柔性石墨的摩擦系数，一般取μ1=0.15；h为柔性石墨的厚度；d′为柔性石墨垫片的内外半径之差，d′=(D-d)/2。

在实际的应用中，一般通过力矩扳手来控制柔性石墨密封垫片的压紧程度。因此，需要将螺纹的轴向压力换成螺纹的紧固力矩。当喷管扩张段螺纹拧紧时，发动机壳体对扩张段螺纹的摩擦力矩为：

柔性石墨垫片与金属接触后的端面摩擦力矩为：

式中：d2为螺纹中径；λ为螺纹升角；s′为螺距；ρ′为当量摩擦角；μ2为柔性石墨与喉衬组件之间的摩擦系数，一般μ2=0.15；A为柔性石墨垫片的端面积，A=π(D2-d2)/4。

故螺纹的紧固力矩为：

将式(3)代入式(7)中可得螺纹的最小紧固力矩为：

(8)

根据式(8)即可估算出喷管扩张段螺纹的最小紧固力矩，确保喷管结构的密封。该喷管密封结构的设计参数如下：发动机工作压强为12 MPa，柔性石墨垫片的厚度h=2.6 mm，外径D=23 mm，内径d=19.6 mm，则柔性石墨垫片的端面积A=113.75 mm2，喷管扩张段螺纹为M25×1.25 mm，中径d2=24.026 mm，螺距s′=1.5 mm，螺纹当量摩擦角ρ′=9.8°。

螺纹升角为：

λ=arctan(s′/(πd2))=1.14°

将上述各参数代入式(8)中，可得该喷管扩张段螺纹的最小紧固力矩Mmin=13.5 N·m。

2 柔性石墨密封垫片的性能试验研究

2.1 压缩力学性能试验

试验用的柔性石墨密封垫片如图4所示。其性能参数如表1所示。

表1 柔性石墨垫片的材料性能参数

为了研究柔性石墨垫片的压缩量随紧固力矩的变化关系[13-14]，对柔性石墨垫片进行了压缩性能试验，试验结果如表2所示。

表2 柔性石墨垫片的压缩性能试验结果

为提高发动机喷管处高温密封的可靠性，取喷管连接处的安全系数为1.5，即紧固力矩值为1.5Mmin≈21 N·m。

2.2 密封性能试验

为了验证喷管扩张段螺纹最小紧固力矩的正确性，根据实际的喷管密封结构设计了试验工装，并通过试验对柔性石墨垫片的密封性能进行研究，如图5所示。

图5 柔性石墨垫片的密封性能试验工装

本次气密性试验采用的是自动水压/气压爆破试验机，出于试验安全性考虑，首先采用液压介质，试验的入口压力由5 MPa逐渐增至12 MPa，升压速率设置为0.5 MPa/s，保压时间设置为20 s，柔性石墨垫片的紧固力矩分别设置为10 N·m、 14 N·m和21 N·m，通过对比试验来验证柔性石墨垫片的密封性能，试验结果如表3所示。

表3 柔性石墨垫片的液压密封性能试验结果

试验过程如图6所示，根据上述试验结果可知，柔性石墨垫片在10 N·m的紧固力矩作用下不能起到密封作用，而在14 N·m以上的紧固力矩作用下能够承受12 MPa的压力，说明了柔性石墨最小紧固力矩理论计算结果的正确性。

图6 不同条件下工装密封性能试验结果

2.3 在高、低温贮存条件下密封性能试验

由于固体火箭发动机贮存温度条件多变，这就要求柔性石墨垫片在经历不同的高、低温贮存条件下都能保证密封。为此，需要对柔性石墨垫片在高低温交变贮存条件下的密封性能进行研究。

将柔性石墨垫片按紧固力矩21 N·m进行装配。将装配好的3个状态一致的试验工装放入温湿度调节控制箱内进行温度循环试验。本次高低温交变试验条件为：高温+60 ℃，低温-40 ℃，一个温度循环时间历程为320 min，共进行3次循环，其温度交变变化曲线如图7所示。

图7 柔性石墨垫片高低温交变试验温度曲线

将经过高低温循环试验的3个试验工装进行气密性能试验，压力介质采用压缩空气，试验过程与前述一致。试验结果如图8所示。3个试验工装均通过气密性试验考核，表明柔性石墨垫片在高、低温交变条件下，密封稳定可靠。

图8 不同气体压强下工装密封性能试验

3 固体火箭发动机热试车与飞行试验验证

在完成上述性能试验的情况下，通过固体火箭发动机热试车试验对柔性石墨垫片在高温、高压、高速气流环境下的密封可靠性进行验证。

对使用柔性石墨垫片的发动机进行地面热试车和飞行试验，喷管结构在发动机工作过程中密封正常，推力曲线平稳，如图9所示。将试车后的发动机进行拆解后发现柔性石墨垫片密封结构完整，仅仅只是局部发生氧化；发动机喷管结构完整，喷管处的螺纹清晰可见。试验结果表明柔性石墨垫片高温密封性能能够满足固体火箭发动机的高温密封。

图9 发动机热试车推力曲线(试验温度20 ℃)

4 结论

通过试验对柔性石墨垫片的密封性能进行研究，证明柔性石墨垫片的密封可靠性。通过某型固体火箭发动机地面热试车和飞行试验验证了柔性石墨垫片在高温高压工况下的密封可靠性，解决了某型号固体火箭发动机工作过程中的高温密封问题。为后续同类产品的研制以及工程上的高温密封问题提供了参考与借鉴。