航天用管阀特高压密封技术简析

刘佳良

摘  要：密封是保证航天器发射、运行可靠性及寿命的关键环节之一，随着月球及深空探测技术的发展，迫切需要解决在极高真空环境下设备的密封技术。本文介绍了航天飞行器中针对流体泄漏问题使用的管阀特高压密封技术的密封原理，针对现有管阀特高压密封关键技术在使用过程中存在的问题进行讨论，力求为航天管阀特高压密封技术的发展提供新思路、新方法。

关键词：航天器  航天管阀  流体泄漏  特高压密封技术

中图分类号：TB42          文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2021）03（a）-0001-04

Analysis of Ultra High Pressure Sealing Technology for Aerospace Pipe Valve

LIU Jialiang

（Yibin Sanjiang Machinery Co.， Ltd.， Yibin， Sichuan Province， 644007 China）

Abstract： Sealing is one of the key links to ensure the launch， operation reliability and life of spacecraft. With the development of lunar and deep space exploration technology， it is urgent to solve the sealing technology of equipment in extremely high vacuum environment. This paper introduces the sealing principle of ultra-high pressure sealing technology used in aerospace vehicles for fluid leakage， and discusses the problems existing in the application process of the existing key technology of pipe valve ultra-high pressure sealing， so as to provide new ideas and new methods for the development of ultra-high pressure sealing technology for aerospace pipe and valve.

Key Words： Spacecraft; Aerospace pipe valve; Fluid leakage; Ultra high pressure sealing technology

随着航空、航天技术的高速发展，其运行可靠性和工作寿命直接影响着任务的顺利完成，其中密封技术的好坏直接影响着航天飞行器的发展[1]。随着深空探测技术的进一步发展，现有管阀密封技术严重制约着其进一步发展。一方面，高质量的管阀密封技术必须在工作条件下满足必备的密封无泄漏、结构可靠、互换性好等特点，另一方面，管阀整个工作周期内的高可行性、不失效、零泄漏的良好工作状态始终是航天飞行器高密封结构的最重要要求。对科研工作者提出了更高的技术水平要求。密封失效所导致的发动机性能降低会伴随着着火甚至爆炸的危险。确保阀门研制过程中的零泄漏是确保航天发动机系统、航空、航天等国防装备运送系统工作安全可靠的难点和关键。在各类型的航天飞行器中，空间实验室和空间站等对特高压密封技术有着特殊的要求，一方面，工作时间长将造成密封材料的老化;另一方面，出于航天飞行器对飞行时间的进一步要求，如轻量化和优化设计等方面技术要求的不断提高对零泄漏标准提出了更高的要求。显然，我国航空、航天飞行技术已经进入了飞速发展的工程研发阶段，但是与国际先进水平还具有一定差距，开展在特高压环境下的管阀密封技术具有重要的工程实际意义。

1  航天管阀密封机理

航天管阀密封机理和影响寿命的因素是制约低泄漏管阀密封结构研究的关键。航天飞行器用管阀结构绝大多部分采用橡胶作为密封环[2-3]。通过螺栓、法兰系统产生的眼里将超弹性橡胶在挤压过程中的变形填满金属表面的不平和微小间隙是橡胶密封技术的关键，其缺点是超弹性橡胶在使用过程中难以满足外太空高压要求，易损坏，尤其是在超高压工作环境下，橡胶的破坏将直接导致管阀系统的泄漏。

1.1 密封表面形状

密封界面的多样性同样是制约管阀密封技术发展的一大难点，针对典型的光滑表面、表面局部凸起、表面局部凹槽、凸棱和凹槽相间等复杂表面尤其制约着技术的发展。这其中除第一种外，后三种形式被科研工作者称为“封严槽”。凸棱和凹槽的存在可以很大程度上增加局部接触应力，迫使软金属产生局部塑性变形从而达到阻止流体介质通过的目的[4-5]。密封結构的密封性好坏主要取决于各密封表面结构接触应力的大小，现有密封器其内部结构局部应力相对难控制，并且只能一次性使用，经济性较差。常用的橡胶密封结构其缺点在于其密封表面凸棱聚集度无论如何减小，也很难收获理想的密封效果，即使在静密封状态下也很难满足零泄漏的要求，虽然在其密封初期能够收到很好的密封效果，但是随着工作时间的增加，密封件就会逐渐被破坏，难以满足长时间工作需求，严重制约了深空探索的发展。

1.2 不同结构密封类型

对于不同的密封形式，其安装方式有所不同，静密封是一种常见的密封方式，其安装方式主要包括两种，一种是在密闭或者半密闭状态下，通过螺栓将密封件压紧，其安装条件表苛刻，针对航天飞行器机构的安装时，密封圈通常采用矩形、O形和蕾形等三种形式;另一种是利用矩形密封垫，通过螺栓压紧将密圈和密圈垫片安装在开敞的法兰面之间，这种密封形式对安装条件要求较低。

矩形密封件的安装形式为开敞式安装，其密封性能由作用在密封件上的法兰载荷Fz、接触面上作用的密封件的接触应力σ0和介质压力共同决定。设橡胶垫圈和密封金属表面的摩擦系数为μ，则初始摩擦阻力为Fμ=μ×σ0，作用在密封件上的接触应力为σ。基于此结构的特殊性，只有当摩擦阻力大于介质推力时，才能够保证密封结构的稳定性，从而达到零泄漏的要求[6]。

O形密封件安装在半封闭密封槽中。其上下表面所受到的流体介质初始接触应力为σ0，沿槽宽方向分布的接触应力分布不均匀。O形密封圈与密封槽之间有3种可能的尺寸链配合：密封圈外径大于密封槽外壁尺寸、密封圈外径等于密封槽外径尺寸、密封圈外径小于密封槽外壁尺寸。由于装配比较困难，在实际应用中除特殊工艺要求外，很少采用第一种配合方式;第三种配合方式因其安装方便，密封性能好，常被用于批量生产。但是出于对密封槽和密封圈的制造公差考虑，3种装配间隙在各种生产条件下都有出现的可能。针对O形密封结构而言，除了通过降低密封槽的表面粗糙度外，常采用在密封圈装配时涂抹密封脂的装配方式，不仅能够方便装配，还能够降低密封圈和密封面之间的摩擦系数，同是能够降低临界压力来延缓摩擦磨损并提高自密封的性能，另外，密封脂有利于减小密封面的微观不平度，有利于阻止流体流动。

1.3 航天管阀密封介质种类

由于气体的渗透率远高于液体，在密封结构使用过程中，其密封表面任何的微小间隙和不平度都会使气体极易发生泄漏，同时密封材料的扩散渗透作用也是造成气体泄漏的原因，因此，一般情况下，在相同的连接条件下，气体的泄漏率远大于液体的渗透率。

相反，液体介质具有一定的粘度，并且粘度越高越不易通过密封面，同时，液体介质对金属表面的润滑作用，使得在密封面中形成的液膜具有胶黏层的作用，密封介质不易造成泄漏。在一些密封槽式的密封结构中，密封槽内部压力是制约其密封效果的最重要影响因素，密封槽内部压力越大，密封接触应力就越大，相应的密封效果就会越好。相对于气体密封技术的发展，液体密封技术较易控制，在零泄漏控制方面有足够的技术优势[7-9]。

2  特高压密封管阀技术

2.1 软刀口密封技术

在提高密封装置可靠性方面，诸如深空采样密封容器等对零泄漏的要求中，其轻量化和安全可靠性等亟需密封结构工艺性能的更新。其中，作为一次密封的O形橡胶圈和软刀口金属在满足其轻量化和可靠性要求方面有着不可替代的优势[7]。其中，橡胶密封槽和O形橡胶防护裙等能够满足其高性能要求，另外，在盖体上安装铟银合金板，将容器口部加工成刀口，能够有效降低泄漏率满足特高压密封要求。该结构的特点在于，防护裙和铟银合金板能够保持一定距离，在密封结构运行过程中减少硬接触，从而保护了密封内部刀口结构和相邻的内部密封面，有效地解决了一次密封结构中的介质泄漏问题。在此基础上，密封器内部锁紧结构所产生的压紧力使密封防护裙产生变形，迫使刀口结构内嵌至防护裙使其产生变形，达到二次密封的目的。

相对于一般密封要求，金属材料在特殊环境要求下的密封过程中起到了决定性作用，在面对深空探索工作环境下的极高真空、高、低温辐射等极恶劣环境时，金属材料密封更是起着决定性作用。用于制作密封材料的金属材料比较广泛，软金属材料和硬金属材料都能够在不同要求的密封场合起到不同的作用，比较普遍的有铟、铝、银合金等和硬金属材料无氧铜等。密封基体和密封材料的相互匹配性和润滑性能制约着密封器工作的可靠性和使用寿命，不同的工作环境对密封材料的要求不同，条件相对苛刻。

2.2 金属波纹管动密封技术

由盖体、盖体连接件和金属波纹管等主要结构组成的金属波纹管密封是当下比较流行的一种高效动密封技术，正是通过这些组合件实现的动密封功能。在零泄漏保护过程中，通过弹性薄板材料的高强度和高弹性在组合件中与阀瓣一起移动使其进行拉伸和壓缩以达到阻隔介质流动的目的，在零泄漏密封器中该结构有着优良的特高压密封性能，并且在保证零泄漏功能的同时能够承受介质腔和控制腔之间的高压力差[10]。U形金属波纹管通过连接件与阀门壳体连为一体、阀瓣与盖连接件直接或者间接相连的形式，利用气控腔介质压力驱动，使阀瓣移动从而达到开、关和调节的作用。该结构优良的控制性能和高效的灵敏度使其成为金属波纹管连接件中的佼佼者，在特高压密封结构中经常出现并且性能优良（见表1）。

3  特高压密封管阀理想要素

区别于一般密封技术，特高压密封技术伴随着深空探索应运而生，满足特高压工作环境下零泄漏、零失误的性能要求。其中值得一提的是北京航天动力研究所在20世纪80年代所研发的“双曲肋式波纹管”，并且在此基础上成功研发了肋式波纹管稳压器。与U形波纹管在性能上相比，新式的双曲肋式波纹管在稳定性、刚性、承压能力等方面都达到了一个更高的研究水准，能够代替膜片工作，作为调节稳压器的压力敏感元件使用[11-12]。随着航空、航天技术的发展和对外太空更深层次的探寻，以及航天推进器技术的发展，为克服特高压工作环境的流体密封技术的困难，对特殊环境下流体特高压密封管阀技术提出了更高要求。

对特高压工作环境下的管阀密封技术，应考虑以下方面要求[13-14]：

（1）密封结构内部相对位置关系多变，常将顶盖置于法兰内部并与其顶部齐平，以此来满足密封结构轻量化要求，在生产过程中将法兰高度设计最小。此结构的特点是，顶盖置于法兰内部并与法兰底部相齐平，作为特高压密封技术中最重要的两个零件，法兰和顶盖相对位置安排的是否妥当，关系着其密封结构性能是否达到要求。

（2）密封结构中的载荷多种多样，并且由不同的构件相互承担。内压作用所产生的轴向载荷与密封比压所产生的载荷分布于不同的密封构件中，并且采用高强度的轴向抗剪螺栓;在众多承力构件中，轴向抗剪螺栓的设计最为合理，使得密封拆装能够达到拆装方便、受力合理的作用，这在特高压密封技术中有着深远影响。因为其制造简单、有效承力面积大，且对筒体端部法兰强度削弱小。

（3）弹性线接触密封在减小密封面宽度、减小密封顶紧作用力方面起到了很好的效果，能够单独实现初始密封和顶紧程度调解。通过将承力构件与密封元件分开的方式，可以减轻螺栓载荷，消除承力构件的加工精度带来的影响。

（4）在众多的密封方式中，内压自紧作用是伴随着特高压密封技术产生的一条简单有效的途径。但是依靠密封元件在内压作用下的变形而产生的自紧作用是有限的，且对其刚度和柔度的要求往往相矛盾。在这方面，布里奇曼密封结构处理的较合理，将作用在顶盖上的轴向力都传递到密封面上，密封力很大，密封相当可靠。

4  结语

特高压密封技术是随着航天技术的发展而产生的一种特种密封技术，在航天器流体管阀密封技术中得到了广泛发展。该技术在恶劣的特高压外太空环境下可以为航天器关键部位管阀提供可靠的密封。由于较小的轴向压紧力就可以达到满意的密封，使用较小的螺栓等零件即可达到预期效果，在降低泄漏率的同时降低零件重量。现代先进的特高压管阀密封技术的应用使得航天技术得到了更深远的发展。

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