一种快速堵漏胶修补方式在空间环境下的应用研究

陶 涛，陈 静，陈 浩，李田鑫，季 平，李健龙

（北京卫星制造厂有限公司，北京 100000）

载人航天器、空间站和其他航天器一样，都要经受真空、大温差等严酷空间环境的长时间考验。此外，为了保证航天器的正常运行和航天员的生命安全，空间站中航天员生活和工作的舱段要求有可靠的密封性能，一方面要求密封舱在结构设计上选用高可靠的密封结构和密封材料，另一方面要求在地面上进行充分的密封检漏测试[1-3]。

载人航天器在发射入轨和运行过程中将受到振动、真空、高低温交变、微流星和空间碎片、原子氧、太阳辐射以及宇宙射线的相互作用，同时，由于空间站是供航天员生活和进行科学实验的密封舱体，势必会造成舱内环境潮湿和腐蚀，导致舱体和密封结构可能出现松动、变形、表面氧化、腐蚀、损伤甚至穿孔等问题，对空间站和航天员的生命安全造成潜在的威胁甚至是惨重后果[4-6]。例如20世纪60年代，苏联“联盟-11号”飞船因密封舱漏气，舱内压力降低，导致3名宇航员丧生；国际空间站在2004年1月和2007年11月先后发生了两次舱体泄漏故障，航天员利用检漏仪成功找到了漏点，并采取了相应的堵漏措施，使舱内压力恢复到正常水平。因此，泄漏是影响航天器正常运行的一个重要因素，更是对载人航天器的重大威胁，空间站应具备舱体泄漏和密封结构失效情况下的泄漏定位和快速堵漏技术，以减少和避免恶性事故[7-8]。

本研究主要分析了空间站用快速堵漏胶，验证了堵漏胶在不同压差条件下的堵漏性能，确保航天员利用该材料能在短时间内将漏孔封堵住，并降低较航天器密封结构漏率，为空间站的在轨安全运行和航天员的人身安全提供保障。

1 实验

1.1 材料及仪器设备

“创可贴式”快速堵漏胶（纤维增强、铝箔增强，中国科学院长春应用化学研究所）；真空平板试验工装（Φ5 mm、Φ3 mm、Φ1 mm，自制）；加压腔体试验工装（Φ5 mm、Φ3 mm、Φ1 mm，自制）；氦质谱真空检漏仪（UL1000，德国INFICON）。

1.2 试样准备与测试

1.2.1 真空试验件

用酒精将30件真空平板试验工装的粘贴面擦拭干净并晾干，分别将尺寸为100 mm×80 mm、94 mm×74 mm、82 mm×62 mm的纤维增强和铝箔增强两种型号“创可贴式”快速堵漏胶粘贴在漏孔尺寸为Φ5 mm、Φ3 mm、Φ1 mm的真空平板试验工装粘贴面上。在真空试验件的非粘贴面，采用专用密封泥，将氦质谱真空检漏仪的接口与真空试验件进行密封连接。参照QJ 3123—2000《氦质谱真空检漏方法》，对准备好的真空试验件（见图1）进行检漏测试。

图1 粘贴堵漏胶前后的真空试验件

1.2.2 加压试验件

用酒精将18件加压腔体试验工装的粘贴面擦拭干净并晾干，分别将尺寸为100 mm×80 mm、94 mm×74 mm、82 mm×62 mm的纤维增强和铝箔增强两种型号“创可贴式”快速堵漏胶粘贴在漏孔尺寸为Φ5 mm、Φ3 mm、Φ1 mm的加压腔体试验工装粘贴面上。对加压腔体试验工装进行密封装配，再将加压设备与腔体试验工装连接。参照QJ 3089—1999《氦质谱正压检漏方法》对准备好的加压试验件（见图2）进行检漏测试。

图2 粘贴堵漏胶前后的加压试验件

2 结果与讨论

2.1 单点真空漏率检测试验

为验证空间站创可贴式专用堵漏胶的堵漏效果，本研究采用氦质谱真空检漏仪模拟堵漏胶的空间使用环境，对堵漏后的孔洞区域漏率进行检测。按照《空间站在轨舱压监测及快速堵漏方案论证技术要求》，堵漏后漏率应小于1×10-7Pa·m3/s。采用氦质谱真空检漏仪对采用不同规格堵漏胶堵漏后的平板试验件进行真空漏率检测，图3为氦质谱真空检漏仪单点真空检漏试验过程。

图3 氦质谱真空检漏仪单点真空检漏试验过程

图3显示，铝箔增强型“创可贴式”堵漏胶较好地满足了真空漏率指标要求，漏率远低于1×10-7Pa·m3/s，表现出良好的堵漏效果。值得注意的是，当孔洞尺寸增大到Φ5 mm时，不同于铝箔增强型堵漏胶的真空漏率仍满足漏率指标要求，碳布增强型堵漏胶的真空漏率显著增加且超出漏率指标。由此可见，铝箔增强型堵漏胶的堵漏效果更好。

2.2 单点加压漏率检测试验

为了进一步验证空间站创可贴式专用堵漏胶在更大压差下的堵漏效果，本试验设计了带有孔洞的可加压腔体试验件，采用空间站创可贴式专用堵漏胶对腔体孔洞堵漏后进行加压，利用氦质谱真空检漏仪对堵漏后腔体外面的孔洞区漏率进行检测，漏率要小于1×10-7Pa·m3/s。

对试验件组件的腔体内进行加压，保证堵漏胶所受压差为0.3 MPa并保持1 h，采用氦质谱真空检漏仪对加压后的试验件外部孔洞区域进行漏率检测，试验件腔体加压以及氦质谱真空检漏仪正压检漏试验过程如图4所示，检测数据如表1所示。

图4 试验件腔体加压及氦质谱真空检漏仪正压检漏试验过程

由表1数据可知，铝箔增强型空间站创可贴式专用堵漏胶可以满足加压漏率要求，表现出良好的堵漏效果。相比之下，碳布增强型空间站创可贴式专用堵漏胶的堵漏效果不太理想，当孔洞尺寸增大到Φ3 mm或更大时，出现了堵漏胶损坏的情况（见图4）。因此，就堵漏胶的增强体而言，铝箔的增强效果优于碳布，在《空间站在轨舱压监测及快速堵漏方案论证技术要求》中，该结论与2.1部分的试验结果一致。

表1 腔体试验件单点加压漏率测试结果

续表1

3 结语

铝箔增强型“创可贴式”快速堵漏胶在真空和更大压差的条件下，均可满足对孔洞“≤Φ5 mm”的堵漏要求，有望对载人空间站和载人航天器在轨运行过程中产生的孔洞进行快速堵漏，为载人空间站和载人航天器的安全运行提供保障。