航天產(chǎn)品一般采用橡膠O型圈作為密封材料，由于橡膠O型圈易受溫度、介質(zhì)氣體種類、壓緊力等多種因素影響，從而影響航天產(chǎn)品工作過程中的實(shí)際漏率。介紹了航天產(chǎn)品漏率的影響機(jī)制，氦質(zhì)譜真空壓力檢漏方法，重點(diǎn)介紹了氣體滲透、壓緊力、工作溫度以及充氣壓力對使用橡膠密封材料的航天產(chǎn)品漏率的影響，并進(jìn)行了測試及分析。結(jié)果表明，滲透性、工作溫度、充氣壓力是影響航天產(chǎn)品漏率的主要因素。
采用橡膠密封的航天產(chǎn)品在進(jìn)行氦質(zhì)譜真空壓力法檢漏時(shí)，會受到所用橡膠材料、工作溫度、氣體種類、壓緊力、氣體滲透等因素的影響，導(dǎo)致漏率值不準(zhǔn)確的情況。目前使用的檢漏工裝只能對航天產(chǎn)品進(jìn)行常溫、常壓狀態(tài)下的漏率檢測試驗(yàn)。本文研究的內(nèi)容是利用閥門部件漏率檢測新裝置，對使用典型橡膠材料的航天產(chǎn)品漏率的影響機(jī)制進(jìn)行分析，從而依據(jù)測試結(jié)果給出產(chǎn)品真實(shí)漏率指標(biāo),為具體檢漏工藝提供理論指導(dǎo),既保證檢漏結(jié)果的準(zhǔn)確性,又可以提高檢漏效率、降低成本。
1、氦質(zhì)譜真空壓力法介紹
氦質(zhì)譜真空壓力法-是在如圖1所示的真空系統(tǒng)中進(jìn)行的。
真空系統(tǒng)由氦氣源、充氣閥、壓力表、航天產(chǎn)品、真空密封室、標(biāo)準(zhǔn)漏孔、氦質(zhì)譜檢漏儀、截止閥、輔助抽氣機(jī)組等組成。航天產(chǎn)品漏率檢測時(shí),首先將產(chǎn)品整體放入真空密封室內(nèi)并進(jìn)行有效的密封,然后通過輔助抽真空機(jī)組對真空密封室抽真空，當(dāng)室內(nèi)壓力達(dá)到氦質(zhì)譜檢漏儀允許的啟動壓力后，關(guān)閉截止閥，在無分流狀態(tài)下啟動氦質(zhì)譜檢漏儀，然后打開充氣閥，觀察壓力表，通過氦氣源對航天產(chǎn)品充入氦氣至工作壓力。當(dāng)產(chǎn)品表面有漏孔時(shí)，氦氣就會通過漏孔進(jìn)入真空密封室，進(jìn)而被氦質(zhì)譜檢漏儀捕捉到氦的分壓力信號l，從而實(shí)現(xiàn)航天產(chǎn)品總漏率的測量。在未打開充氣閥對產(chǎn)品充氦氣的狀態(tài)下，打開標(biāo)準(zhǔn)漏孔閥門，將標(biāo)準(zhǔn)漏孔內(nèi)的氦氣引入真空密封室內(nèi)，被氦質(zhì)譜檢漏儀捕捉到氦的分壓信號，通過式（1）即可對航天產(chǎn)品的總漏率進(jìn)行標(biāo)定。氦質(zhì)譜真空壓力法的優(yōu)點(diǎn)是檢測靈敏度高，能實(shí)現(xiàn)任何工作壓力的漏率檢測，反映航天產(chǎn)品的真實(shí)漏率狀態(tài)。
采用氦質(zhì)譜真空壓力法檢漏獲得航天產(chǎn)品漏率的計(jì)算如式（1）：
式中：Q為被測航天產(chǎn)品漏率，Pa·㎡／s；L為檢漏儀輸出信號，Pa·m／s；la1為打開標(biāo)準(zhǔn)漏孔前檢漏儀本底信號，Pa·㎡／s；l為充氦前檢漏儀本底信號，Pa·㎡／s；／sp1為標(biāo)準(zhǔn)漏孔信號值，Pa·㎡／s；Qw為標(biāo)準(zhǔn)漏孔標(biāo)稱值，Pa·m／s；y為被測航天產(chǎn)品充氦濃度。
從式（1）可以看出，航天產(chǎn)品的漏率值取決于檢漏儀捕捉到的氦分壓信號和充氦濃度。氦分壓信號的大小又受產(chǎn)品所用的橡膠密封材料對氦氣的滲透情況、工作溫度、壓緊力等的影響，因此有必要對其影響機(jī)制進(jìn)行理論分析。
2、氣體滲透對使用橡膠密封的航天產(chǎn)品漏率的影響
金屬密封材料種類繁多，常用密封材料包括橡膠類，如天然橡膠、丁苯橡膠、丁基橡膠、丁腈橡膠、氯丁橡膠、乙丙橡膠、氟橡膠、硅橡膠等；塑料類，聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯等；陶瓷也可以被加工為陶瓷密封圈，具有耐磨損等特點(diǎn)。塑料具有一定的硬度和剛性，而橡膠則表現(xiàn)出明顯的柔軟性和回彈性，因此航天產(chǎn)品一般選擇塑料或橡膠材料做密封圈。聚四氟乙烯是航天產(chǎn)品常用的密封圈，密封性能一般。橡膠密封圈具有較好的密封性能，是航天產(chǎn)品首選的密封材料。陶瓷通常不被用作航天產(chǎn)品的密封圈。
真空室外壁吸附的氣體，可以通過室壁滲透到真空室內(nèi)壁進(jìn)入真空室。滲透過程包括溶解、擴(kuò)散以及吸附和解析等表面現(xiàn)象。這個(gè)過程可以描述為：入射到真空室外壁上的氣體分子被表面所吸附；吸附的粒子溶解在材料的表面層，如果是分子態(tài)的氣體，需要分解成原子態(tài)才能溶解；表面層溶解了氣體粒子后，材料中形成了氣體濃度梯度，因而氣體向真空側(cè)緩慢擴(kuò)散。到了真空側(cè)的表面層，分解的原子再結(jié)合成分子，由表面解析而釋放出來，完成了滲透全過程。航天產(chǎn)品外壁吸附的氣體，可以通過橡膠等密封材料滲透到航天產(chǎn)品內(nèi)壁，從而進(jìn)入航天產(chǎn)品的真空室內(nèi)。氣體開始滲透的速度快，經(jīng)一定時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定滲透值。在室溫條件下，空氣對部分橡膠的滲透系數(shù)如表1所列。
在航天產(chǎn)品一飛船天線中使用的0型密封圈材料為丁腈橡膠，筆者對其滲透性能進(jìn)行了研究，并結(jié)合天線在飛船上實(shí)際的安裝和使用條件，采用氦質(zhì)譜真空壓力法對其漏率進(jìn)行檢測，如圖3所示，天線一側(cè)處于檢測室，檢測室模擬天線在空間實(shí)際工作時(shí)所處的狀態(tài)，壓力為2x10Pa；天線密封面另一側(cè)處于充氣室，充氣室內(nèi)壓力模擬飛船艙內(nèi)壓力0.2MPa。通過對兩個(gè)批次飛船天線產(chǎn)品漏率進(jìn)行檢測，得到典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，如圖4、圖5所示。
從圖4和圖5可以得出，這兩個(gè)批次的飛船天線漏率軌跡基本一致，變化規(guī)律為：漏率值隨時(shí)間的延續(xù)緩慢升高，最終趨于平衡。從0時(shí)起到10min 時(shí)，漏率值升至5×10 to Pa.m'/s,變化不明顯，這是由于氦氣通過橡膠密封材料滲透進(jìn)入飛船天線內(nèi)部是一個(gè)緩慢的過程，開始時(shí)氦氣溶解于橡膠材料中，氫質(zhì)譜檢漏儀的抽速起主導(dǎo)作用，因此漏率上升不明顯，還有些下降趨勢。隨著時(shí)間的延長，10~20min 后，漏率值升至2×109Pa·m/s,這是由于溶解于橡膠材料中的氦氣由壓力高的一側(cè)向壓力低的一側(cè)滲透，進(jìn)入飛船天線真空室內(nèi)部的氦氣量越來越多，除了抵消氦質(zhì)譜檢漏儀抽除的氦氣之外，還有一定的氦氣累積在真空室內(nèi)部，這時(shí)滲透起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致檢漏儀捕捉到的氫分壓信號增加，漏率值隨之上升，20~30min時(shí)，漏率值升至4×109Pa·ms,這說明氦氣通過橡膠材料的滲透量與檢漏儀抽除的氦氣量達(dá)到動態(tài)平衡，漏率值趨于穩(wěn)定，漏率曲線趨于平緩。
從式(6)可知，通過丁腈橡膠0型圈滲透進(jìn)入飛船天線內(nèi)部的氦氣量為Q,氦氣滲透進(jìn)人飛船天線內(nèi)部的平衡時(shí)間即滯后時(shí)間為t,D、s、d、P,均為已知量，Q與t成正比。根據(jù)上述試驗(yàn)，得出平衡時(shí)間即滯后時(shí)間4-30 min,因此,在為使用丁腈橡膠作密封材料的航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)漏率指標(biāo)時(shí),必須考慮滲透的影響,實(shí)際檢漏時(shí)須記錄30 min后檢漏儀的漏率值作為計(jì)算漏率值。
3、工作溫度對使用橡膠密封的航天產(chǎn)品漏率的影響
如圖6所示,航天器閥門部件是一種比較通用的航天產(chǎn)品,其功能是隔離航天器上的有限空間,所以必須對其進(jìn)行密封性能檢測。閥門內(nèi)部用主、副兩道硅橡膠0型園進(jìn)行密封,外部靠法蘭安裝在航天器上,法蘭壓緊力施加在法蘭凹槽內(nèi)的密封圈上,起到密封作用?？梢钥闯?主密封圈須承受大氣壓力和彈簧力,法蘭密封圈須承受壓緊力,副密封圈須承受充氣壓力和彈簧力。工作溫度對橡膠性能影響很大,高溫容易使橡膠產(chǎn)生殘余變形,加速橡膠老化；低溫容易使橡膠發(fā)生結(jié)晶硬化，喪失彈性。因此，橡膠只能在一定的使用溫度范圍內(nèi)才能起到密封作用。普通橡膠的使用溫度為-30~90℃，氟橡膠的使用溫度為-40~250℃，丁睛橡膠的使用溫度為-25~150℃，硅橡膠的工作溫度為一100~350℃（7)。
4、壓緊力對使用橡膠密封的航天產(chǎn)品漏率的影響
為了保證真空密封,橡膠密封圈上要施加一定的壓緊力,使得橡膠密封圈有一定的壓縮率",才能起到密封作用。壓縮率Y是密封安裝截面壓縮后的高度與自然狀態(tài)下截面高度之比9,如式(7)所示:
r=d-x100%(7)式中:d為0型圈自由狀態(tài)下的截面直徑;h為密封槽槽底與被密封表面的距離。壓縮率還與橡膠的硬度有關(guān),試驗(yàn)結(jié)果表明,如果橡膠硬度大于50 HS 肖氏硬度),密封面沒有徑向擦傷,當(dāng)壓縮率為15%時(shí),不論密封圈形狀如何,其滲透量都小于10-10 Pa..
mi/s,但是,如果橡膠密封圈的溫度升高,其硬度和壓縮率就會急劇下降,滲透量將會增大。
對使用橡膠0型圈密封的航天產(chǎn)品,壓縮率選定為:5%、10%、15%、20%、25% ,施加力矩為6Nm,法蘭螺釘數(shù)為6個(gè),進(jìn)行試驗(yàn),研究不同硬度、不同壓縮率下的漏率。具體漏率數(shù)據(jù)如表2所列。從表中可以看出:(1)當(dāng)壓縮率大于15%時(shí),漏率基本不變;壓縮率小于10%,漏率有所增加;壓縮率為5%時(shí),密封圈未起到密封作用;(2)橡膠硬度影響不大,硬度大的密封圈,漏率略小。
5、充氣壓力對使用橡膠密封的航天產(chǎn)品漏率影響
如圖7所示,向航天器閥門部件下方內(nèi)腔充入一定壓力的氦氣,充氣壓力將作用在副密封圈上。首先將閥門部件下方內(nèi)腔抽真空，然后充入不同壓力的氦氣，測試閥門部件產(chǎn)品的反向漏率。根據(jù)航天器閥門部件產(chǎn)品在軌壓力要求，在室溫環(huán)境下，選取定型壓力點(diǎn)(0.04MPa、0.1MPa、0.2MPa),開展充氣壓力對漏率檢測結(jié)果影響的試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)獲得航天器閥門部件產(chǎn)品漏率隨壓力的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。
從圖9可以發(fā)現(xiàn)，在未充氦前，本底漏率為6.0×10-Pa.m/s;當(dāng)充氣壓力為20kPa時(shí)，漏率上升至2.5×10-?Pa·m/s;當(dāng)充氣壓力為1.013×10°Pa時(shí)，漏率達(dá)到最大值，為1.3×10°Pa·m/s;當(dāng)充氣壓力繼續(xù)增大時(shí)，漏率值趨于穩(wěn)定。這說明，一開始密封圈受到充氣壓力作用，減弱了施加在密封圈上的彈簧力，使得漏率值顯著增大；當(dāng)充氣壓力達(dá)到1.013×10Pa時(shí)，充氣壓力形成的作用力與彈簧作用力相互抵消達(dá)到動態(tài)平衡，漏率值達(dá)到最大并趨于穩(wěn)定；充氣壓力繼續(xù)升高，彈簧力也增大，繼續(xù)保持平衡狀態(tài)，所以漏率值不再有明顯變化。圖6的試驗(yàn)結(jié)果為：在溫度和彈簧力的作用下，閥門部件漏率值為1.2×10*Pa.m/s,圖7的試驗(yàn)結(jié)果為：在充氣壓力和彈簧力的作用下，閥門部件漏率最大值為1.3×10-Pa.m/s。這說明航天器閥門部件產(chǎn)品受溫度、壓力、彈簧力的共同作用，其漏率值穩(wěn)定維持在10-Pa.m/s量級，這個(gè)數(shù)值即為閥門部件產(chǎn)品的真實(shí)漏率值，也就是說應(yīng)該制航天器閥門部件漏率的設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)該在10%Pa·m'/s量級，而通常設(shè)計(jì)給出的漏率指標(biāo)為107Pa.m/s,提高了一個(gè)量級，這對航天產(chǎn)品來說增加了密封難度和設(shè)計(jì)成本，是不可取的。
6、結(jié)論
對使用橡膠密封材料的航天產(chǎn)品漏率從氣體滲透、壓緊力、工作溫度、充氣壓力四個(gè)方面進(jìn)行了分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,得出結(jié)論:
(1)一般情況下,橡膠密封圈的滲透性能在30 min后達(dá)到穩(wěn)定;
(2)充氣壓力達(dá)到1.013x10 Pa之后,漏率值不再有明顯變化;
(3)選用的橡膠密封材料必須在允許溫度范圍內(nèi)使用,否則橡膠材料將失去密封性;溫度升高對航天產(chǎn)品的漏率值影響不大,溫度降低(0℃以下),漏率值會有大幅度的上升,會使橡膠材料性能失效的風(fēng)險(xiǎn)加大。
對于航天產(chǎn)品,如果選擇用非金屬材料一橡膠作為密封材料,首先要考慮選取橡膠的種類,并充分考慮各種橡膠的滲透性能、滯后時(shí)間;產(chǎn)品的工作壓力、工作溫度等參數(shù),通過試驗(yàn)驗(yàn)證該種橡膠材料是否適合作為航天產(chǎn)品的密封材料,并確定產(chǎn)品的真實(shí)漏率指標(biāo),為設(shè)計(jì)和使用提供依據(jù),保證航天產(chǎn)品質(zhì)量可靠。
