航天航空发动机工艺孔封堵工艺调研分析

一、引言

航天航空发动机是高端装备的 “核心”，其结构复杂，工作环境恶劣要么长期扛高温振动，要么短时受极端高压，对制造技术的要求极高[1][2]。

工艺孔就是发动机造、装、修的时候，专门留的临时孔，其作用为给零件定位、装配件对接，或者后期检查维护都得用它。

航天和航空发动机的工作环境不同，所以封工艺孔的方法也不一样：

航空发动机，长时间在高温、高压下工作，还要经受 十多倍重力的振动，所以封孔不仅要能保证可靠耐用，还得方便后续维修；

航天火箭发动机，工作时间短但环境极端，所以其着重点在于短时间能扛住这种极端环境；

SpaceX 梅林能重复使用的航天发动机，因为要反复启动和停用，既要保证每次用都能封严实，还得保证其损害最小[6]。

基于需求的不同，本文研究现在常用的封孔方法，希望能给不同类型发动机选合适的封孔方案提供参考。

二、 航天航空发动机工艺孔封堵的性能指标

2.1 关键性能指标

密封性能：常温高压下泄漏率需 <2% ，高温工况下泄漏率增幅不超过1 个数量级；

结构强度：封堵件需承受发动机运行时的振动、冲击载荷，无松动或脱落风险，如航空发动机封堵件需通过 10次循环振动试验；

操作效率：航空发动机生产线单孔封堵时间需 <20min ，航天发动机因单次使用特性，需保证一次合格率 >95% ；

三、主流工艺孔封堵工艺技术分析

当前航天航空发动机工艺孔封堵工艺可分为四大类，各类工艺的技术特点与应用场景存在显著差异。

3.1 机械封堵工艺

机械封堵通过机械结构实现工艺孔密封，是航空发动机最主流的封堵方式，按结构可分为三类：

3.1.1 销钉式封堵

原理：采用过盈配合或间隙配合销钉，结合密封环压入工艺孔，通过机械预紧力实现密封。为适配多规格孔，部分方案设计快换卡爪，更换时间 <5min ，可覆盖不同直径的孔。

3.1.2 堵盖式封堵

原理：采用金属或复合材料堵盖，通过螺栓紧固或翻边限位覆盖工艺孔，适用于大孔径场景。

3.1.3 螺纹密封式封堵

原理：采用带密封槽的螺纹塞，拧入带内螺纹的工艺孔，通过螺纹配合与密封材料双重密封。

3.2 焊接封堵工艺

焊接封堵通过高温熔合将工艺孔与封堵件连接，形成永久密封，是航天火箭发动机极端工况区域的首选方案。

3.2.1 激光焊封堵

原理：采用高能量密度激光，将工艺孔边缘与金属补丁熔合，焊缝宽度 <2mm ，热影响区小。

3.2.2 钎焊封堵

原理：采用低熔点钎料，通过加热使钎料填充工艺孔间隙，形成密封；

3.3 胶接封堵工艺

胶接封堵通过高温密封胶填充工艺孔间隙，结合机械压装实现密封，适用于中低压、中温区域。主流密封胶类型包括：硅酮类密封胶：耐温 -50～260^∘C ，航空发动机风扇段轻量化部件适用，但 200^∘C 以上老化快，寿命 <3000h ；陶瓷基密封胶：耐温 >1000^∘C ，航天发动机短时高温区域适用，但脆性大，振动工况下易开裂。

四、 典型应用案例对比

为进一步验证不同封堵工艺的实际效果，选取航空、航天及重复使用三类典型场景的应用案例，对比其技术参数与应用效果，如表 1 所示。

五、现存问题

5.1 现存问题

通过调研发现，当前航天航空发动机工艺孔封堵工艺仍存在三方面关键问题：

多工况适配性不足：单一工艺难以覆盖宽温域与宽压力域，如机械封堵无法耐受航天极端高温，焊接封堵无法满足航空维护需求；

自动化程度低：航空发动机生产线仍依赖人工对准，航天发动机焊接封堵需人工调整焊缝位置，效率低且一致性差；

重复使用场景技术空白：重复使用航天发动机需 10~20 次启停后的密封重置，现有工艺中，机械封堵易因磨损失效，胶接封堵需频繁更换，难以满足需求[4][5]。

六、结论

航天航空发动机的工艺孔封孔方法，必须严格跟着发动机的工作环境和性能要求来选：航空发动机，大多用机械堵孔，既要其可靠性好，还要方便后续维修拆开；航天火箭发动机，更常用焊接堵孔，重点能扛住极端高温高压等情况；可重复使用的发动机，还须研究新方案。

现在的封孔方法短板在于：一方面很难适应各种不同的工作环境，另一方面自动化程度也不够高。有三方面改进方法：一是研发更好的材料，二是让设备更智能，三是研发出能灵活换配件的设计，最终让封孔方法能适应更多环境，既能提升发动机性能，也能让发动机批量生产更顺利。

参考文献

[1]中国航空工业集团公司。航空发动机制造工艺手册 [M]. 北京：航空工业出版社，2022：456-468.

[2] 航天科技集团一院。液体火箭发动机结构设计规范 [Q/CASC120-2023][S]. 2023.

[3] 王磊，张勇，李刚。航空发动机工艺孔销钉封堵密封性能试验研究[J]. 航空制造技术，2022，65（12）：78-84.

[4] Smith J，Williams R. Precision Assembly Technology for Aero-EngineComponent[J]. Journal of Manufacturing Processes，2021，65：890-902.

[5] 刘畅，陈明，赵亮。基于视觉定位的航空发动机工艺孔自动封堵系统设计 [J]. 中国机械工程，2023，34（5）：543-550.

[6] SpaceX. Merlin Engine Maintenance Manual[R]. Hawthorne：SpaceX，2022.