火箭管路对接密封结构的气密性分析与性能提升

一、火箭管路对接密封结构气密性问题分析

1.1 对接结构设计缺陷引发漏气问题

造成气密问题的核心诱因之一，就是火箭管路对接密封结构这一块存在设计缺陷。由于某些密封结构在工况条件下没有充分考虑动态载荷和热变形效应，使密封面接触应力分布不均，因而在局部形成气体泄漏通道，一旦法兰密封面平行度误差超过 0.05mm. 。还有就是密封槽几何参数设计不合理也是一个典型的问题，就拿 O 型圈槽来说，当它的深度偏离宽度比值 1.4 ：1 的最优范围时，就会让密封圈出现压缩量不足或过度挤压的情况，压缩量不足会使密封临界值低于 0.8MPa 的接触应力，过度挤压会造成材料的塑性变形。再加上在火箭发射阶段的剧烈震动下，金属垫片与橡胶密封圈刚度梯度突变、容易产生界面微位移进而形成微米级泄漏间隙等组合密封结构的界面匹配性设计存在缺陷。

1.2 密封材料老化导致气密性下降

密封材料的劣化是导致密封性衰减的关键，如氟橡胶密封件在高温 ( 超过 200^∘C ) 和强氧化环境下，分子链会发生热氧降解，1000 小时后硬度可提高15-20HA，弹性模量提高 40% ，从而使密封比压力降至初始值 60% 以下；在空间辐射环境下，高能粒子的轰击会使表面粗糙度由 Ra0.8 微米提高到 Ra3.2 微米的聚四氟乙烯材料产生晶格缺陷，使气体渗透系数提高 3-5 倍；至于机械疲劳损伤，在火箭多次试车时，密封件在交变压力 ( (0-30MPa) ) 作用下会产生微小的裂纹，一旦裂纹扩大到临界长度 (0.2mm 左右)，就会使漏出率突增超过10 倍；此外，还有如液压油中的添加剂与丁腈橡胶发生溶胀反应，使密封结构预紧状态在体积膨胀率超过 15% 时被破坏等介质腐蚀引起的材料溶胀现象。

1.3 装配与使用环节存在漏气隐患

装配工艺偏差的隐蔽性和累积性对气密性影响的体现是：在螺栓预紧力矩不均匀度超过 10% 的情况下，可使法兰密封皮的翘曲变形量达到 0.1mm ，从而形成一条贯穿性的渗漏通道；如果在安装密封件时出现划痕( 深度 $0 . 1 \mathrm { m m } \dot $ ) 或扭曲 ( 角度 5^∘ ) 等现象，就会造成局部密封失效。使用阶段动态工况危害显著，当密封圈与沟槽配合间隙增大，气体泄漏量与振动加速度呈指数关系 ( 泄漏率a^1.8) 时，当火箭飞行中高频振动 (50-2000Hz ) 引发密封结构共振响应，振幅超过 0.05mm 时。热循环效应 ) 使材料的热胀冷缩产生差异，使金属与橡胶界面产生周期性的微滑移，使界面渗漏间隙增加到 0.03mm ，经过50 次的累计循环量。另外，在使用过程中，密封面嵌入异物侵入( 如金属碎屑、氧化皮 ) 形成直径 0.1-0.5mm 的漏孔，而氦质谱检漏表明，这种缺陷的漏失率通常在 以上。

二、提升火箭管路对接密封结构气密性的实践策略

2.1 优化密封结构设计

从总装实际操作角度而言，密封结构优化需同时兼顾装配便利性及密封可靠性。如某型号火箭液氧管路原采用平面法兰结构，在做管路试验时，环境温度从 25^∘C 降至 - 183℃时，因金属法兰与橡胶密封圈热膨胀差异，致使密封面出现 0.12mm 间隙，氦质谱检测漏率达 Pa·m³/s。对此改进时，结合现场实际情况与设计团队共同设计出“阶梯式密封槽 + 弹性补偿凸台”结构：加工出深度分别为 3.2mm 、3.5mm、3.8mm 三级阶梯槽的法兰密封面且增添 0.5mm厚铍青铜弹性凸台，借助观察密封圈在阶梯槽当中正常情况下应为槽深 20% -25% 的压缩量。工人进行安装工作时可快速作出装配状态判断，低温环境下该弹性凸台能对金属收缩起补偿作用。某次寒区开展的发射试验中按此结构装配后，经 - 40℃到 120^∘C 热循环测试，密封面间隙始终控制在 0.02mm 以内且漏率下降到 3×10^--8Pa∙m³/s ，相较于原有结构提升两个数量级。

2.2 改进密封材料性能

针对总装过程中反馈的密封圈安装易划伤、耐低温性不足问题，材料改进聚焦可操作性与环境适应性。如长征某型号火箭液氢管路原用氟橡胶密封圈，在液氢加注前 -253℃预冷时发现其硬度骤增且安装时易产生 0.1mm 以上裂纹。改进方案采用“橡胶 - 金属复合层”设计，即在丁腈橡胶圈内侧嵌入 0.15mm 厚的镍钛记忆合金网且外侧喷涂 0.05mm 厚的 7804 润滑层，工人装配时，可通过手感判断合金网的弹性形变程度（正常压缩量应使合金网产生 5% 的塑性变形）且润滑层能使安装摩擦力降低 40% 。某火箭发射场工人使用该密封圈后，在 -269^∘C 液氦介质测试中，密封圈邵氏硬度仅从70HA 增至78HA 且未出现裂纹，氦气检测显示漏率从 8×10^--7Pa∙m³/s 降至 5×10^--9Pa∙m³/s 。此外，针对氧化剂管路密封面易嵌入金属碎屑问题，技术人员研发出表面织构化的石墨密封圈，操作工人安装前只需用硬度 60HA 的专用毛刷轻刷表面即可清除 0.1mm 以下异物且漏率控制在 1×10^∘-8Pa∙m³/s 以下。

2.3 完善装配工艺与质量控制

以总装实际操作作为关键要点打造“可视化装配、实时监控、迅速校验”工艺系统，曾某重型火箭增压输送系统管路人工拧紧螺栓时力矩偏差多达±15% ，操作者精确控制极为困难。经改良采用精度达 ±1% 且具备扭矩反馈功能的智能扳手，并搭配 AR 眼镜可实时展示螺栓预紧力和转角曲线，一旦力矩超设定数值 5% 眼镜即闪烁红光发出警报。且在密封面安装 0.2mm 厚压电薄膜传感器，操作工人连接管路后用手持终端就能读取分辨率为 0.01MPa 的界面应力分布云图。在某次地面管路试验，依据此工艺对 30 组管路进行装配操作过程中，发现有 2 组法兰出现 0.03mm 平行度偏差后随即通过垫片予以调整，经氦质谱检测表明所有管路漏率均低于 1×10^--9Pa∙m³/s 且相较于原来工艺提升 3 倍。针对液体检测时肥皂泡法效率不高状况研发出荧光示踪剂检测工艺，工人在密封面涂抹 0.01mm 厚激发波长为 365nm 的荧光液，于紫外灯照射下可迅速定位 0.05mm 以上漏点，使每组检测时间从原本30 分钟缩短至5 分钟。

结语

本文立足于总装工人操作实践，借助阶梯式密封结构设计、复合密封材料研制以及智能装配工艺搭建，达成火箭管路气密性全方位提升。有着某型火箭液氧管路改进后漏率下降两个数量级、液氦介质密封件耐低温性能明显增强。后续研究工作可重点放在工人操作与智能监测深度结合方面，通过开发基于数字孪生的实时辅助系统，为航天管路密封技术在实际工程中的应用提供更为稳固支持。

参考文献

[1] 金辉等 .“基于逾渗理论的液体火箭发动机管路接头密封性能研究 .”强度与环境 49.6(2022)÷1-10 .

[2]王少锋等 .“运载火箭管道微泄漏声发射检测仪 .”现代制造工程4(2020):6.