一種快速堵漏膠修補(bǔ)方式在空間環(huán)境下的應(yīng)用研究

陶 濤，陳 靜，陳 浩，李田鑫，季 平，李健龍

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100000）

載人航天器、空間站和其他航天器一樣，都要經(jīng)受真空、大溫差等嚴(yán)酷空間環(huán)境的長(zhǎng)時(shí)間考驗(yàn)。此外，為了保證航天器的正常運(yùn)行和航天員的生命安全，空間站中航天員生活和工作的艙段要求有可靠的密封性能，一方面要求密封艙在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上選用高可靠的密封結(jié)構(gòu)和密封材料，另一方面要求在地面上進(jìn)行充分的密封檢漏測(cè)試[1-3]。

載人航天器在發(fā)射入軌和運(yùn)行過程中將受到振動(dòng)、真空、高低溫交變、微流星和空間碎片、原子氧、太陽輻射以及宇宙射線的相互作用，同時(shí)，由于空間站是供航天員生活和進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的密封艙體，勢(shì)必會(huì)造成艙內(nèi)環(huán)境潮濕和腐蝕，導(dǎo)致艙體和密封結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)松動(dòng)、變形、表面氧化、腐蝕、損傷甚至穿孔等問題，對(duì)空間站和航天員的生命安全造成潛在的威脅甚至是慘重后果[4-6]。例如20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)“聯(lián)盟-11號(hào)”飛船因密封艙漏氣，艙內(nèi)壓力降低，導(dǎo)致3名宇航員喪生；國(guó)際空間站在2004年1月和2007年11月先后發(fā)生了兩次艙體泄漏故障，航天員利用檢漏儀成功找到了漏點(diǎn)，并采取了相應(yīng)的堵漏措施，使艙內(nèi)壓力恢復(fù)到正常水平。因此，泄漏是影響航天器正常運(yùn)行的一個(gè)重要因素，更是對(duì)載人航天器的重大威脅，空間站應(yīng)具備艙體泄漏和密封結(jié)構(gòu)失效情況下的泄漏定位和快速堵漏技術(shù)，以減少和避免惡性事故[7-8]。

本研究主要分析了空間站用快速堵漏膠，驗(yàn)證了堵漏膠在不同壓差條件下的堵漏性能，確保航天員利用該材料能在短時(shí)間內(nèi)將漏孔封堵住，并降低較航天器密封結(jié)構(gòu)漏率，為空間站的在軌安全運(yùn)行和航天員的人身安全提供保障。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料及儀器設(shè)備

“創(chuàng)可貼式”快速堵漏膠（纖維增強(qiáng)、鋁箔增強(qiáng)，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所）；真空平板試驗(yàn)工裝（Φ5 mm、Φ3 mm、Φ1 mm，自制）；加壓腔體試驗(yàn)工裝（Φ5 mm、Φ3 mm、Φ1 mm，自制）；氦質(zhì)譜真空檢漏儀（UL1000，德國(guó)INFICON）。

1.2 試樣準(zhǔn)備與測(cè)試

1.2.1 真空試驗(yàn)件

用酒精將30件真空平板試驗(yàn)工裝的粘貼面擦拭干凈并晾干，分別將尺寸為100 mm×80 mm、94 mm×74 mm、82 mm×62 mm的纖維增強(qiáng)和鋁箔增強(qiáng)兩種型號(hào)“創(chuàng)可貼式”快速堵漏膠粘貼在漏孔尺寸為Φ5 mm、Φ3 mm、Φ1 mm的真空平板試驗(yàn)工裝粘貼面上。在真空試驗(yàn)件的非粘貼面，采用專用密封泥，將氦質(zhì)譜真空檢漏儀的接口與真空試驗(yàn)件進(jìn)行密封連接。參照QJ 3123—2000《氦質(zhì)譜真空檢漏方法》，對(duì)準(zhǔn)備好的真空試驗(yàn)件（見圖1）進(jìn)行檢漏測(cè)試。

圖1 粘貼堵漏膠前后的真空試驗(yàn)件

1.2.2 加壓試驗(yàn)件

用酒精將18件加壓腔體試驗(yàn)工裝的粘貼面擦拭干凈并晾干，分別將尺寸為100 mm×80 mm、94 mm×74 mm、82 mm×62 mm的纖維增強(qiáng)和鋁箔增強(qiáng)兩種型號(hào)“創(chuàng)可貼式”快速堵漏膠粘貼在漏孔尺寸為Φ5 mm、Φ3 mm、Φ1 mm的加壓腔體試驗(yàn)工裝粘貼面上。對(duì)加壓腔體試驗(yàn)工裝進(jìn)行密封裝配，再將加壓設(shè)備與腔體試驗(yàn)工裝連接。參照QJ 3089—1999《氦質(zhì)譜正壓檢漏方法》對(duì)準(zhǔn)備好的加壓試驗(yàn)件（見圖2）進(jìn)行檢漏測(cè)試。

圖2 粘貼堵漏膠前后的加壓試驗(yàn)件

2 結(jié)果與討論

2.1 單點(diǎn)真空漏率檢測(cè)試驗(yàn)

為驗(yàn)證空間站創(chuàng)可貼式專用堵漏膠的堵漏效果，本研究采用氦質(zhì)譜真空檢漏儀模擬堵漏膠的空間使用環(huán)境，對(duì)堵漏后的孔洞區(qū)域漏率進(jìn)行檢測(cè)。按照《空間站在軌艙壓監(jiān)測(cè)及快速堵漏方案論證技術(shù)要求》，堵漏后漏率應(yīng)小于1×10-7Pa·m3/s。采用氦質(zhì)譜真空檢漏儀對(duì)采用不同規(guī)格堵漏膠堵漏后的平板試驗(yàn)件進(jìn)行真空漏率檢測(cè)，圖3為氦質(zhì)譜真空檢漏儀單點(diǎn)真空檢漏試驗(yàn)過程。

圖3 氦質(zhì)譜真空檢漏儀單點(diǎn)真空檢漏試驗(yàn)過程

圖3顯示，鋁箔增強(qiáng)型“創(chuàng)可貼式”堵漏膠較好地滿足了真空漏率指標(biāo)要求，漏率遠(yuǎn)低于1×10-7Pa·m3/s，表現(xiàn)出良好的堵漏效果。值得注意的是，當(dāng)孔洞尺寸增大到Φ5 mm時(shí)，不同于鋁箔增強(qiáng)型堵漏膠的真空漏率仍滿足漏率指標(biāo)要求，碳布增強(qiáng)型堵漏膠的真空漏率顯著增加且超出漏率指標(biāo)。由此可見，鋁箔增強(qiáng)型堵漏膠的堵漏效果更好。

2.2 單點(diǎn)加壓漏率檢測(cè)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證空間站創(chuàng)可貼式專用堵漏膠在更大壓差下的堵漏效果，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了帶有孔洞的可加壓腔體試驗(yàn)件，采用空間站創(chuàng)可貼式專用堵漏膠對(duì)腔體孔洞堵漏后進(jìn)行加壓，利用氦質(zhì)譜真空檢漏儀對(duì)堵漏后腔體外面的孔洞區(qū)漏率進(jìn)行檢測(cè)，漏率要小于1×10-7Pa·m3/s。

對(duì)試驗(yàn)件組件的腔體內(nèi)進(jìn)行加壓，保證堵漏膠所受壓差為0.3 MPa并保持1 h，采用氦質(zhì)譜真空檢漏儀對(duì)加壓后的試驗(yàn)件外部孔洞區(qū)域進(jìn)行漏率檢測(cè)，試驗(yàn)件腔體加壓以及氦質(zhì)譜真空檢漏儀正壓檢漏試驗(yàn)過程如圖4所示，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 試驗(yàn)件腔體加壓及氦質(zhì)譜真空檢漏儀正壓檢漏試驗(yàn)過程

由表1數(shù)據(jù)可知，鋁箔增強(qiáng)型空間站創(chuàng)可貼式專用堵漏膠可以滿足加壓漏率要求，表現(xiàn)出良好的堵漏效果。相比之下，碳布增強(qiáng)型空間站創(chuàng)可貼式專用堵漏膠的堵漏效果不太理想，當(dāng)孔洞尺寸增大到Φ3 mm或更大時(shí)，出現(xiàn)了堵漏膠損壞的情況（見圖4）。因此，就堵漏膠的增強(qiáng)體而言，鋁箔的增強(qiáng)效果優(yōu)于碳布，在《空間站在軌艙壓監(jiān)測(cè)及快速堵漏方案論證技術(shù)要求》中，該結(jié)論與2.1部分的試驗(yàn)結(jié)果一致。

表1 腔體試驗(yàn)件單點(diǎn)加壓漏率測(cè)試結(jié)果

續(xù)表1

3 結(jié)語

鋁箔增強(qiáng)型“創(chuàng)可貼式”快速堵漏膠在真空和更大壓差的條件下，均可滿足對(duì)孔洞“≤Φ5 mm”的堵漏要求，有望對(duì)載人空間站和載人航天器在軌運(yùn)行過程中產(chǎn)生的孔洞進(jìn)行快速堵漏，為載人空間站和載人航天器的安全運(yùn)行提供保障。