基于PTFE 软管的尿液收集软管组件设计及验证

张 荣， 白 燕， 刘 鑫， 于 震， 苑 博， 李海欧

（北京卫星制造厂有限公司， 北京100094）

0 引言

环控生保系统（ECLSS），是载人航天器最具载人航天特征的一个重要系统， 是直接关系到航天员生命安全的不可缺少的保障条件。 它的基本功能是对航天器密闭舱环境进行控制，为航天员提供水、氧、食物等必需物质和其它的生活保障[1]。尿液处理是空间站环控生保系统中的重要环节之一。 环控生保系统各个单机产品和组件之间通过软管连接。 其中尿液收集软管组件用于空间站环控生保分系统（ECLSS）中的大小便收集子系统，尿液收集的意义在于将空间站中航天员排泄的尿液收集后进行处理和净化， 将尿液中提取水分用于电解水制氧或航天员生活用水，从而实现空间站用水的回收再利用[2]。

针对空间站环控生保软管的特殊工况需求， 本文提出了一种基于聚四氟乙烯（PTFE）软管的尿液收集软管组件设计方案。

1 尿液收集软管组件方案设计

1.1 尿液收集软管组件性能要求分析

空间站大小便收集子系统的尿液收集软管组件，与地面常用软管组件相比， 其性能要求有如下几个特点：

1.1.1 工作介质特殊且不便于在轨更换

尿液收集软管的工作介质为航天员尿液、 尿预处理剂、尿液和尿预处理剂混合液、含银离子饮用水、饮用水与尿预处理剂混合液、空气等。软管组件一经使用，存在软管内有残存相应工质并长期储存的工况。由于软管组件应用于空间站， 故软管与内部工质的相容性需满足15 年要求。

表1 尿液收集软管性能指标约束

1.1.2 性能指标约束复杂

性能指标约束详见表1。

1.1.3 使用的非金属管材需要满足空间站非金属材料试验项目及试验要求

为了保证空间站密封舱有害气体浓度控制、 防火以及微生物控制，需对舱内非金属材料的阻燃特性、燃烧产物等指标进行控制。由于尿液收集软管组件为舱内产品，若采用非金属管材且总重超过0.5kg，则管材必须通过地面状态阻燃、燃烧产物试验检测。

1.2 尿液收集软管组件设计

聚四氟乙烯软管组件通常由聚四氟乙烯（PTFE）内管、不锈钢丝增强层和金属接头（包括螺母、套筒、接头）等组成[3]。尿液收集软管采用不锈钢丝铠装聚四氟乙烯软管的设计方案， 具体结构由聚四氟乙烯内管、 不锈钢丝增强层、接头组件与扣压套筒组成，如图1 所示。

图1 尿液收集软管产品结构

1.2.1 内管选材

由于尿液收集软管的工作介质具有较强的腐蚀性，主要成分如表2～表4 所示。 管体材料与工质直接接触，因此管材既要满足较强的抗强酸、抗腐蚀性能，同时具有长寿命、质量轻、弯曲半径小、气密性好等优良特性。 由于工质中含有浓硫酸，常见金属波纹管管材均不满足此工况。 通过对可制作软管的常用非金属材料的调研和分析， 聚四氟乙烯（PTFE）满足尿液收集软管的使用工况。

表2 尿液主要成分

表3 尿预处理剂主要成分

表4 排便气体成分及浓度表

聚四氟乙烯具有极高的化学稳定性，能耐所有强酸、强碱、强氧化剂，还原剂和各类有机溶剂的腐蚀；聚四氟乙烯具有宽广的使用温度范围，常压下可以长期应用于-180℃～+250℃的温度区域， 在250℃高温下处理1000h后，其力学性能变化很小；聚四氟乙烯具有优异的耐老化性能和抗辐射性能，不仅在低温与高温条件下尺寸稳定，而且在潮湿状态下不受微生物侵袭， 对各种射线辐射也具有极高的防护能力[4]。

通过1.1.3 可知，需对聚四氟乙烯（PTFE）管材进行空间站非金属材料试验。

燃烧产物测定结果为：样品燃烧产物中CO 的浓度为227ppm，NOX 的浓度为2.5ppm，HF 的浓度为90ppm，未检出HCl、SO2、HCN 等气体。

垂直燃烧试验结果为：平均焰燃时间0s、平均烧焦长度14mm，没有滴落物。

水平燃烧试验结果为：评价燃烧速率=0mm/min。

通过对比空间站非金属材料试验合格标准， 管材满足空间站对非金属材料的试验要求。 故选用此聚四氟乙烯（PTFE）管材作为尿液收集软管的内管管材。

1.2.2 不锈钢丝增强层设计

考虑到聚四氟乙烯内管材质相对较硬， 在遭受过度弯曲时易发生“折瘪”的风险且不可恢复，以及为防止外表面磕碰与划伤影响其寿命等隐患，聚四氟乙烯内管通常不能直接作为外管直接使用。 根据产品承压能力的不同， 增强层主要可以分为两种结构：“编织” 结构和 “缠绕+编织”结构，各层结构不锈钢丝材质均相同[5]。 “编织”结构具有固定性好、重量轻的优点，主要应用于小规格高压力等级或大规格低压力等级的软管组件。 而“缠绕+编织”结构与内管外表面紧贴性好、钢丝排列均匀的优点，主要应用于高压力等级的软管组件。 因此增强层的设计原则是在满足软管技术指标的前提下，采用层数最少、结构最合理的增强层。 考虑到空间站产品的减重需求，尿液收集软管的不锈钢增强层采用中低压软管中最轻便的编织方式。增强层采用不锈钢丝编织的方式进行，钢丝增强层结构见图2，其编织工艺参数见表5。编织后性能满足GJB2837 中低压软管工作压力的要求，也完全满足尿液收集软管所需的性能要求。

图2 内管结构示意图

表5 不锈钢丝增强层编织参数

1.2.3 金属连接件设计

软管两端的金属连接件与软管通过零件变形达到固定连接的效果，即所谓的扣压[6]。金属接头结构形式如图3所示。其中扣压端接口形式选用倒刺式接头。金属接头与软管连接的扣压结构主要起到两方面的作用： 一是防止金属接头与软管管体之间在使用中脱落； 二是保证软管组件在长期压力情况下的使用中保持密封， 防止介质在接头与管体连接部位泄漏[7]。通过与工质的相容性试验结果，与工质接触的接头材料选用钛合金TA2，外套螺母材料选用TC4。

图3 柱塞接头组件结构示意图

2 尿液收集软管组件主要验证试验

2.1 性能试验情况

对尿液收集软管开展所需性能试验， 试验项目及其试验结果如表6 所示。

表6 尿液收集软管性能试验结果

2.2 环境试验情况

依据空间站产品设计和建造规范， 对尿液收集软管的鉴定件产品进行鉴定级振动、冲击、加速度、地面贮存与运输温度及交变湿热等环境试验。 其中以振动和冲击试验为例介绍一下试验过程。 尿液收集软管的振动和冲击试验按照X 方向→Y 方向→Z 方向的顺序进行， 每方向均按照验收级正弦振动（30%）→鉴定级正弦振动→验收级随机振动（30%）→鉴定级随机振动→冲击响应谱试验顺序进行应力加载。

表7 正弦振动试验条件

表8 随机振动试验条件

表9 冲击响应谱试验条件

振动共安装4 个加速度传感器 1#、2#、3# 和4#，其中1# 和2#作为控制点位于专用工装上，3#和4#作为测量点位于软管产品表面。 试验安装状态如图4 所示。 冲击试验共安装两个加速度传感器1# 和2#， 其中1# 作为控制点位于专用工装上，2#作为测量点位于软管产品与工装连接处。 试验安装状态如图5 所示。

环境试验所有项目结束后软管漏率均满足设计要求，即尿液收集软管组件通过鉴定级环境试验。

图4 尿液收集软管正弦振动和随机振动试验安装状态

图5 尿液收集软管正冲击试验安装状态

图6 正弦鉴定试验加载的控制、测量记录曲线

图7 随机鉴定试验加载的控制、测量记录曲线

图8 冲击响应谱试验加载的控制记录曲线

3 结论

本文提出的基于聚四氟乙烯（PTFE）软管的尿液收集软管组件设计方案， 通过了性能试验和空间站产品环境试验， 能够满足空间站大小便收集子系统对软管组件的使用需要。 本设计方案对空间站及其他长期飞行任务的载人航天器的环控生保系统（ECLSS）软管组件的设计具有参考借鉴意义。