載人航天器不同系統用密封材料研究

王 江，宋 丹，龐愛民，李 洋

(航天科技集團公司四院四十二所，湖北襄陽441003)

1 引言

密封技術是載人航天系統的關鍵技術之一。載人航天系統主要包括天地往返運輸系統、空間站系統、運載火箭系統、發射場系統以及航天員系統等［1］，每個系統又有許多復雜的機構組件構成，為了保證空間環境不對系統內部的人員、儀器設備造成不良影響，各組件之間及其內部的成千上萬個連接處都必須采用密封技術，以保證各連接處的泄漏控制在安全界限內［2］。

2 國內外研究現狀

俄羅斯和美國已經多次發射空間站和航天飛機，進行了大量的載人航天試驗，航天技術業比較成熟。俄羅斯的“和平”號空間站在軌運行十多年，據資料介紹，其空間密封一般采用O型圈，壓縮率在30% ～50%之間［3］。美國在“挑戰者”號發射失敗后，對航天飛機的密封系統進行了大量研究工作，從密封壽命、密封檢測等方面考慮，對O形密封圈的泄漏量、載荷衰減、永久變形等進行了研究［3］。隨著我國載人航天研究和試驗的開展，各個系統的密封技術的研究也在進行，一些科研院所和高校，如中國空間技術研究院［4］、航天材料及工藝研究所［5］、航天 42 所［6］等，在載人航天系統密封結構的設計、可靠性驗證、密封材料的制備、密封材料性能檢測等方面進行了大量的研究工作，研究成果已經成功應用在我國的“神舟”系列飛船、運載火箭、航天服等載人航天系統，為我國載人工程的順利發展做出了巨大貢獻。

3 密封材料的空間使用性能要求分析

3.1 使用環境

密封材料使用的外部空間環境為［7-8］:高真空(1.3×10-4～10-7Pa)，高、低溫循環(-90～ +125℃)，每90 min左右交變一次，太陽射線輻射，帶電粒子輻射，微隕石和人造軌道碎片撞擊以及原子氧侵蝕等。

對于不同密封介質，有些是空氣、水等普通介質，有些是液氧、液氮、無水肼等特殊介質，對密封材料有不同的性能要求。

3.2 性能要求分析

3.2.1 耐輻照

對于載人飛船、空間站等航天器，外輻照環境要求其所用的有機密封材料必須具有良好的抗輻照性。空間飛行器的主要輻射環境有:捕獲電子、捕獲質子和太陽質子。長時間的輻射會使有機密封材料降解或交聯，出氣加速，從而改變其物理機械性能，甚至喪失密封能力［8］。

3.2.2 耐真空

在高真空環境下，密封材料的出氣會帶來材料成分上的變化［9］，進而引起密封材料性能的改變和尺寸的變化，最終影響密封效果。同時，材料的出產物還會嚴重降低光學系統和遙感系統的敏感器件的使用性能［10］。因此，航天器密封材料必須具有較好的耐真空性能，要能在真空環境中保持性能穩定。

3.2.3 無毒無氣味

載人航天器密封艙內氣體成份及其含量對航天員的安全、健康及工效有著極大的影響［11］。非金屬材料是密封艙內空氣的重要污染源，具有潛在的毒性危害，因此密封材料不僅要求出氣少，而且要求出氣產物無毒無氣味，對有害成份的量要求嚴格控制，如艙外航天服要求密封件材料的氣味等級不大于1.5級，并對脫出的氣體成份如一氧化碳、總有機物的量有嚴格的要求。

3.2.4 不易燃燒

載人航天始終把安全性放在首位，艙內材料意外著火，不僅損壞設備，而且燃燒產生的有毒氣體及煙霧將直接威脅航天員的生命安全，因此對用于航天器上的材料應進行可燃性評估，美國宇航局與歐空局均制訂了相應的標準［12-13］。

3.2.5 耐高溫和低溫

空間環境大范圍的溫度變化(-90～+125℃)要求某些部位的密封材料不僅要經受得住長時間交變的高溫，而且在低溫下彈性要好，在飛行器返回再入大氣層過程中，還要能滿足瞬時的熱密封、動密封，保證整個溫度范圍內可靠密封［14］。

3.2.6 耐介質

用于航天器流體貯存與輸送系統的密封材料需要耐介質。如用于液體推進系統的密封材料，需要耐液氧、四氧化二氮的強氧化性，耐肼類的強腐蝕性［14］。

3.2.7 長壽命

長期在軌的飛行器和深空探測飛行器均對其密封材料提出長壽命的要求。

4 密封材料空間環境適應性研究及應用

4.1 密封材料空間環境適應性研究

4.1.1 低溫性能研究

隨著載人航天技術和空間站技術的發展，對直接暴露在惡劣空間環境中的密封材料而言，其低溫條件下的密封性能成為考察的關鍵因素。歐空局對空間密封橡膠材料使用溫度范圍要求的典型值為-80～+200℃，美國宇航材料標準要求脆性溫度達到-75℃［8］。目前耐低溫性能比較好的為苯基硅橡膠，以苯基硅橡膠為主體材料研制的耐低溫硅橡膠配方S42-1，其玻璃化溫度低于-100℃;運用納米材料對其進行改性，研制出了玻璃化溫度更低的密封材料N1-Ⅰ-1和N1-Ⅰ-2［6］。將三種配方制成相同規格的密封圈，分別裝入同一密封試驗工裝，進行材料的低溫密封性能試驗，在不同的溫度點進行氦檢漏試驗檢測泄漏率。表1為三種材料的不同溫度的泄漏率，可以看出，所研制的N1-Ⅰ-1配方在-90℃的泄漏率為5.0×10-10，其低溫密封失效溫度點為-115℃，低溫性能優于S42-1。

表1 不同材料不同溫度下的泄漏率Table 1 The leakage rate of different materials under different temperatures

4.1.2 真空環境下材料性能研究

在真空環境下，空間材料的性能變化一直是人們關注的問題，對研制的硅橡膠材料進行了耐真空試驗和真空拉伸試驗，存放樣品室真空度為1.33×10-3Pa，真空拉伸時真空度為7.33×10-2Pa，材料性能變化見表2。可以看出，材料在真空環境作用下仍可保持優異的力學性能，達到國外同類產品的技術要求。

表2 材料在真空環境下的性能試驗結果Table 2 The performance of the materials in vacuum

4.1.3 耐輻照及原子氧性能研究

模擬軌道為300～400 km處的空間環境，對研制的硅橡膠材料進行了耐輻照和原子氧性能研究，試驗結果見表3。結果表明，經過空間的輻照環境后(模擬大于5年輻照總量)，材料仍保持較高的壓縮耐寒系數，質量損失比較小。

4.1.4 壽命研究

由于載人航天工程的特殊性，其所用的密封材料大多不可更換，長壽命、高可靠性是對密封材料的基本要求，密封材料的使用壽命必須大于航天產品的設計壽命。因此，課題組對自研的載人飛船用S42空間密封材料和艙外航天服用FTBNR-1Y采用加速老化試驗進行了常溫貯存壽命的評估。

表3 材料耐輻照及原子氧試驗結果Table 3 The results of the materials resistant to radiation and atomic oxygen tests

S42作為空間靜密封材料使用，橡膠材料的壓縮永久變形性能是關系到密封壽命的主要性能。因此，以壓縮永久變形作為失效判據，預估材料在裝配狀態下的貯存壽命。試驗采用加速老化的方法，選取 100、110、120、130、150 ℃ 共五個老化溫度點，老化時間約6個月。在每一個溫度點上，放置采用30%壓縮率壓縮下的標準壓縮件，以此來考察密封材料的壓縮永久變形受溫度和老化時間影響的情況，用以評估密封件在裝配狀態下的壽命。試驗表明，隨著老化時間的增長，材料壓縮永久變形逐漸增大。依據標準方法可推算S42空間密封材料在25℃下貯存壽命大于30年。

FTBNR-1Y是課題組為艙外航天服密封橡膠件研制的一種材料，該材料制成的橡膠件產品在處于拉伸狀態使用，因此以扯斷伸長率作為失效判據，預估材料的貯存壽命。試驗采用加速老化的方法，選取100、90、80、70 ℃共四個老化溫度點，老化時間約6個月。同樣采用標準方法，可推算FTBNR-1Y材料在25℃下貯存壽命為16.5年。

4.2 密封材料在載人航天上的應用

4.2.1 載人飛船及天宮目標飛行器

S42空間密封材料是課題組為載人飛船、空間站等載人航天器研制的，材料不僅能滿足空間環境對結構和機構密封件的各種要求，而且達到了載人航天任務在衛生學方面的各項性能要求。材料的綜合性能見表4，材料成功應用于神舟系列載人飛船和天宮一號飛行器密封。

表4 S42空間密封材料的綜合性能Table 4 The comprehensive performance of the S42 space sealing material

4.2.2 艙外航天服

FTB橡膠件是艙外航天服的關鍵產品之一，用于國產艙外航天服的結構密封、管路連接、減震、構件保護等。四十二所以天然橡膠和硅橡膠為主體材料，研制出八種適用于不同部位的密封材料。材料不僅具有良好的力學性能、老化性能、低溫性能等，而且具有無毒無污染、使用壽命長的特性，完全滿足飛船座艙非金屬材料的衛生學評價標準要求，具有較好的空間環境適應性。該產品應用于艙外航天服的關節軸承、背包門、機構連接等部位的密封，確保了“神七”航天員出艙活動的圓滿成功。

4.2.3 醫監生化檢測實驗袋

醫監生化檢測實驗袋是醫監生化檢測裝置的重要部件，用于航天員生物數據的采集，為航天員醫監醫保提供依據。課題組以氯化丁基橡膠主體材料，為實驗袋研制出了專用材料。該材料具有無毒無污染、氣密性好的特點，并具有一定的透明性，對檢測試劑內分子活性無影響。采用自研材料制作的醫監生化檢測實驗袋通過了長時間地面聯試的考核和“神九”任務的試驗驗證，性能滿足任務的設計要求。

5 材料耐介質技術研究進展

5.1 耐N2O4介質

N2O4是火箭液體推進系統常見的一種氧化劑，該氧化劑具有強烈的腐蝕性。載人航天器的推進系統需要耐該介質的密封材料。橡膠具有獨特的高彈性能，是最理想的密封材料，但是絕大多數品種橡膠與N2O4相容性差［16］，使得該項密封技術存在較大難點，尤其是長期密封。

全氟醚氟橡膠和羧基亞硝基氟橡膠是公認的最理想的耐N2O4密封材料。俄羅斯、美國和日本均有工業化生產的該種氟橡膠，其牌號分別是俄羅斯的CKφ-460、美國杜邦的Kalrez和日本大金公司的GTA［15］，上述生膠對我國均限制出口。國內晨光研究上世紀70年代開展了相關方面的研究工作，合成出了相關產品，課題組曾購置了當年合成的材料開展了配方研究。由于材料硫化存在問題為進一步開展研究。受原材料所限，本文針對密封件結構設計開展研究，試圖通過復合結構的密封件來解決耐N2O4介質密封問題。研究思路為:里層采用橡膠材料，保持較好的彈性，外層包覆薄層耐N2O4介質的材料，抵抗N2O4介質腐蝕，結構示意圖見圖1。

圖1 耐N2O4復合結構密封材料Fig.1 The composite sealing materials for N2O4-resisting

包覆層主要為與N2O4相容性較好的材料，且滲透性要低。可選用的材料主要是一些惰性強的金屬，如鎳﹑銅﹑鋁﹑銀﹑錫﹑金等［17］。包覆工藝要求包覆層完整無裂紋，具有一定的延伸率，厚度要薄且均勻。這存在一定的技術難度。試驗選用了電鍍﹑貼裹﹑等離子注射生長包覆等多種包覆工藝。圖2為包覆了銀的橡膠密封圈。用銀包覆密封圈進行了長期密封泄漏試驗，140天的密封試驗發現，雖然N2O4沒有發生泄漏，但密封圈已發生了嚴重破壞。包覆材料在一定程度上緩解了N2O4介質對橡膠的腐蝕，可適用于短期的介質密封，但在長時間的壓縮密封狀態下，包覆材料會產生局部的破損，使N2O4介質滲入腐蝕橡膠，對橡膠件產生較嚴重的破壞，隨著時間的推移最終導致密封失效，適用于長期介質密封的產品尚待進一步研究。

圖2 銀包覆橡膠密封圈Fig.2 Silver coated rubber sealing ring

5.2 耐H2O2介質

H2O2也是液體推進劑用氧化劑的一個品種。它具有較強的氧化性［14］。該種介質的密封材料必需和H2O2有較好相容性，使材料長期浸于其中，性能變化率應較小，滿足長期密封使用要求。試驗選用耐介質性能和低溫性能都比較好的氟硅橡膠［15］作為主體膠料，在配方設計時盡量少用有還原特性的填料。試驗配方SF42-1的質量配比為氟硅膠 SF-3:100，SiO2:40，DCP:1，其它:5。配方性能見表5。

同時，對SF42-1配方進行了長期密封泄漏試驗。經過140天的密封泄漏試驗，密封圈仍保持完好，也未發生介質泄漏。試驗結果表明所研制的材料耐H2O2介質性能優良，可用于H2O2介質的密封。

6 結論

1)運用納米材料進行改性，可以改善材料的低溫性能;

2)通過空間環境模擬試驗，S42材料性能變化較小，表明S42材料有較好的環境適應性;

3)加速老化試驗結果表明S42和FTBNR-1Y有較長的常溫貯存壽命;

4)通過包覆技術可改善材料耐介質性能。

［1］韓鴻碩.國外先進載人航天系統所用的新材料［J］.宇航材料工藝，1996(2):1-6.

［2］潘堅.航天飛機的密封［R］.航天部703研究所技術報告，1988.

［3］王廣振.空間站艙門動密封實驗研究［D］.北京:航空航天，2000.

［4］劉志全，夏祥東.載人航天器密封艙門的可靠性驗證試驗方法［J］.中國空間科學技術，2010，30(1):60-64.

［5］趙云峰.高性能橡膠密封材料及其在航天工業上的應用［J］.宇航材料工藝，2013，1:1-10.

［6］王江，馬國富.適用于空間站各系統的密封材料［J］.宇航材料工藝，2002，32(6):32-35.

［7］邱惠中，刑繼發.宇宙飛船用關鍵材料工藝的發展研究［R］.北京:航空航天部航天情報研究所，1993.

［8］李承受，刑繼發.低地球軌道環境條件下材料的行為特性［R］.北京:航空航天部航天情報研究所，1993.

［9］Muyler J P.Space environmental effects on everard polymeric and metallic materials［J］.The Effects of the Space Environment on Materials，Science of Advanced Materials and Process Engineering Proceeding，1967，11:55-62.

［10］Svhuttle P.Contamination evaluation a system level contamination model［J］.Optics in Adverse Environments，1980，216:37.

［11］余秉良.航天艙室內非金屬材料的兩重性毒性危險與衛生學評價［J］.航天醫學與醫學工程，1994，7(1):70-71.

［12］Flammability O.Offgassing，and Compatibility Requirements and Test Procedures for Materials in Environments that Support Combustion［J］.NASA NHB8060.C，1981，1.

［13］ESA pss-01-721.Flammability Testing for the Screening of Space Materials［S］.ESA，1992.

［14］戚發軔.載人航天器技術［M］.北京:國防工業出版社，1999，428-431.

［15］謝遂志.橡膠工業手冊第一分冊［M］.北京:化學工業出版社，1993，654-657.

［16］梁星宇.橡膠工業手冊第三分冊［M］.北京:化學工業出版社，1993，416.

［17］Moran C M，李忠林.四氧化二氮和金屬的長期相容性:十年試驗的結果［J］.控制工程 (北京)，1990(1):51-58.