基于FM-1密封材料低温性能研究

刘媛媛 庄宇 陈劲 蔡文健

(北京空间机电研究所，北京 100076)

1 引言

火工技术是航天飞行器的关键技术之一，几乎每个航天飞行器均需要几个到几十个火工装置完成关键程序动作与任务。由于包含爆炸产物，火工装置的密封设计是非常重要的。

火工装置的密封主要有两个作用，一是保证装置不受外界环境的影响 ，防止湿气和尘土进入作动装置内部; 二是减少燃气的泄漏和污染，提高火药能量的利用率，保证产品性能稳定一致。“O”形橡胶圈常用于火工装置的端面密封和活动表面密封。密封圈的失效会影响产品的工作性能和可靠性，甚至影响整个系统的安全性。航天器在太空面临的严酷环境对配套产品密封性有更高的要求，密封圈在低温下失效曾造成美国“挑战者”号航天飞机失事等重大事故。因此针对火工装置密封圈在低温下的性能进行研究具有重要的意义。

2 密封圈的工作原理

2.1 “O”形圈密封原理

“O”形圈是靠压力密封，作用于密封圈一侧的压力将密封圈压紧在活塞和内孔间的环形槽内，橡胶弹性材料受压缩后产生自动的压紧效应，形成接触面间的接触应力来实现密封。“O”形密封圈安装在密封槽中，前后有相同的挡肩，见图1。图中，P0为接触压力，P为被密封介质内压。

图1 “O”形圈密封原理示意图Fig.1 “O”-ring seal schematic diagram

在火工装置工作时，药盒位置压力上升很快，腔内各处的压力最初是不平衡的。在密封圈被压紧前，燃气通过活塞与内壁的小间隙进入密封槽，在气流的作用下，密封圈与内壁接触部位可能会被挤开，导致燃气流过密封圈喷射出去。这样可能导致短时的泄漏。一旦密封圈一侧被挤压到位后，密封圈才恢复密封。

2.2 “O”形圈密封结构设计参数

“O”形密封圈是典型的挤压型密封。O形圈截面直径的压缩率和拉伸量是密封设计的主要内容，对密封性能和使用寿命有重要意义。O形密封圈有良好的密封效果很大程度上取决于O形圈尺寸与沟槽尺寸的正确匹配，形成合理的密封圈压缩量与拉伸量。

密封圈结构设计为密封圈选取的首要环节，也是保证产品可靠密封的关键环节。图2为“O”形圈结构设计图。主要设计参数为压缩率、拉伸率。图中，d1为“O”形圈内径(对活塞杆密封为外径); d2为“O”形橡胶圈截面直径。

图2 “O”形圈结构设计图Fig. 2 “O”-ring seal structure design

压缩率反映密封圈装入沟槽后压缩量，计算公式如下:

式中 k 为“O”形橡胶圈压缩率; D0为沟槽外直径; d0为沟槽内直径。

实际计算时按沟槽和“O”形圈的上下极限尺寸分别计算压缩率，动密封的压缩值一般取10%～25%，静密封取15%～30%。

拉伸率反映密封圈装入沟槽后拉伸量，计算公式如下:

拉伸率一般在0～8%。

3 密封圈的低温性能研究

3.1 常用密封圈材料低温性能

氟醚橡胶以其优异性能广泛应用于航天器密封领域。以常用FM-1橡胶圈为例，FM-1的胶料性能如表1所示，其性能数据见表2。

表1 FM-1胶料性能Tab. 1 Rubber performance of FM-1

表2 FM-1材料低温性能数据Tab.2 Low temperature properties data of FM-1

通过表中数据可以看到，反映密封材料低温性能的两个关键指标分别是脆性温度和压缩耐寒系数。脆性温度表示胶料的低温性能，是指试样在低温受一定冲击力时出现破裂的最高温度。由于火工装置为瞬时工作，一般认为可以在脆性温度下完成工作。

压缩耐寒系数表征材料低温下的回弹性。通过表2中数据可知FM-1氟醚橡胶在–30℃～–45℃下压缩耐寒系数仅为 0.09～0.12，在橡胶材料中居于中等。一般认为，当耐寒系数大于 0.2时，橡胶具有足够的密封性能。

有相关研究测量了低温下通用氟橡胶F246(国产)、氟醚橡胶Viton GLT(美国Du Pont公司)、氟醚橡胶CKФ-260MnAH(俄罗斯)的压缩耐寒系数，性能如下:

表3 低温下不同材料的压缩耐寒系数Tab.3 Compression coefficient of cold-resistant of different materials in low temperatures

经对比发现，氟醚橡胶的低温性能优于传统氟橡胶，但是同为氟醚橡胶的 FM-I材料相对 Viton GLT(美国)、CKФ-260MnAH(俄罗斯)低温性能较差。

3.2 FM-1材料“O”形圈低温性能研究

为进一步验证FM-1材料“O”形圈在低温下的性能，使用内径(18± 0.16)mm，截面直径(2±0.09)mm的“O”形圈和配合活塞，其槽底直径为(18.3±0.05)mm，进行了低温条件下压缩后的密封圈弹性回复量测试和脆性测试。

3.2.1 试验方法

密封圈弹性回复量测试的试验方法是，将“O”形圈装入后，活塞与筒壳对接，放入低温环境中，在预定温度下保温2h后，取出试件，迅速拔出活塞，对安装于其上的“O”形圈目测外形，并用卡尺进行最大直径测量。根据火工装置低温工作温度要求，试验设置了–40℃、–50℃、–60℃、–70℃、–80℃5个温度梯度。为保证试验数据准确性，排除测量误差，试验采用了6组相同尺寸的密封圈与活塞作为样本。

密封圈脆性测试的方法是，在温箱内放置了2个“O”形圈，直接观察低温脆断情况。

3.2.2 试验数据与分析

3.2.2.1 密封圈弹性回复量测试

常温下测量6个活塞上密封圈外径尺寸见下表。

表4 常温时活塞上密封圈外径Tab.4 Outside diameter of piston seals in normal temperature

由表中数据分析，常温时活塞上密封圈外径差最大为0.33，如排除测量误差，这个差异应该由活塞和密封圈的尺寸公差引起。取平均值后计算密封圈压缩率为19.4% 。

在预定温度下保温2h后，于80s内用卡尺测量活塞上密封圈外径变化(部分样本因测量时间短未完全记录)。试验曲线见图3～图7所示:

图3 –40℃时活塞上密封圈外径Fig. 3 –40 ℃ the outside diameter of the seal

图4 –50℃时活塞上密封圈外径变化Fig. 4 –50 ℃ the outside diameter of the seal

图5 –60℃时活塞上密封圈外径Fig. 5 –60 ℃ the outside diameter of the seal

图6 –70℃时活塞上密封圈外径变化Fig. 6 –70 ℃ the outside diameter of the seal

图7 –80℃时活塞上密封圈外径Fig. 7 –80 ℃ the outside diameter of the seal

观察图3～图7中密封圈回弹数据，发现在同一温度下不同样本密封圈的回弹曲线基本保持一致。随测试时间的推移，密封圈回复量越大，回弹曲线趋于平稳。

对比不同温度下的回弹数据，发现试验温度越低，相同时间内密封圈回弹量越小，回弹越慢。

计算80s回弹时间内，不同温度下样本密封圈的平均压缩率, 见表5。

表5 低温下密封圈压缩率Tab.5 Compression ratio of seal ring in low temperatures

从表5中可以看到，随温度降低密封圈的压缩率逐渐减小，环境温度低于–70℃时，密封圈的回复性下降尤其明显，70s～80s内测量时压缩率小于10% 。由于火工品作用时间很快，在几毫秒到几百毫秒之间，所以关注10s～20s内密封圈回弹性可以看到密封圈压缩率基本为0，与初始设计值19.4%存在极大差距，会对火工装置密封效果造成影响。

3.2.2.2 密封圈低温脆性测试

将放置在–80℃环境下的密封圈保温2h后取出，使用镊子夹住密封圈，在桌子上对其进行扭曲试验。2个密封圈均在出箱20s内进行扭曲，未出现脆断情况。

由试验数据分析，低温条件下 FM-1材料密封圈的回弹性随温度降低显著下降，由计算得到了低温下的FM-1材料密封圈压缩率远低于设计值，这会对密封性造成较大影响，有可能引发火工装置失效和污染物泄露等问题。从–80℃环境下取出的“O”形圈试验情况看，在此温度下，“O”形圈虽然出现硬化现象，但尚未达到受外力即脆断的程度。由于以往航天火工装置密封设计中过于强调压缩率指标，本次试验据为密封圈低温使用设计提出了新要求。

4 低温下密封圈性能对火工装置的影响

低温下密封失效会直接影响火工装置的发火性能，造成泄漏和污染，严重时会影响整个系统的可靠性和安全性。下面将结合实际产品分析低温下密封圈性能对火工装置工作性能的影响。

以几种典型火工装置为例，产品用“O”形橡胶圈(FM-1材料)密封高温高压燃气。各产品配套使用的“O”形圈规格及使用温度要求见表6。表7为几种典型火工装置高温、常温、低温状态下性能试验数据。

表6 各产品配套使用的“O”形圈规格及使用温度Tab.6 Specifications and use temperature of "O"-ring supporting products

表7 火工装置高、低温性能试验数据Tab.7 High and low temperature performance test data of pyrotechnic devices

由表7中数据可知，产品的低温工作性能与高温、常温组产品存在微小差异。表现在工作压力峰值下降以及工作时间变长。由于低温环境对药剂燃烧、运动部件的磨擦系数等多种因素均有影响，尚不能将工作性能的差异单一归结于低温橡胶圈密封性能下降。

由于XX弹射器工作时间均小于3ms，燃气泄漏量相应地处于较低范畴，理论上讲，对产品的工作性能影响较小。

XX作动筒、XX分离弹射器两种产品工作时间长，“O”形圈密封性能下降对产品工作性能影响程度要大一些，因此，针对XX作动筒、XX弹射器I两种产品进行专项试验验证。

4.1 无“O”形圈产品的发火试验

选择XX作动筒、XX分离弹射器各1发进行了无密封圈条件下的低温点火试验。试验加载工况和试验测量方法与表7中批验收试验时保持一致。实测结果见表8。

表8 无“O”形圈产品的低温发火试验结果Tab.8 Cryogenic ignition test results w ithout "O"-ring

与表 7中有“O”形圈产品低温发火试验对比，低温无密封圈情况下两种产品的工作性能均受到一定程度的影响。表现为两种产品的工作时间均变长: XX作动筒的工作时间延长约30ms、XX分离弹射器工作时间延长约10ms。XX分离弹射器的弹射速度有所下降。

此项试验能充分说明低温下密封圈失效对产品工作性能的影响。事实上，虽然“O”形圈在低温下密封性能会下降，但其仍存在于密封圈环面的缝隙中，起到一定的封堵燃气的作用，此时产品的密封性能相对于取消“O”形圈的产品要好得多。

4.2 产品在低温环境下进行高压检漏试验

为模拟密封圈低温工作环境，挑选2种产品各3件进行高压检漏试验。将产品在低温环境下保温2h以上，然后按照表9所列的检漏压力进行高压检漏。表9中检漏压力考虑到设备能力与操作安全因素，最高检漏压力不超过60MPa。

表9 两种产品低温环境及检漏压力条件Tab.9 Low-temperature environment and leak detection pressure condition of two products

依据QJ3253-2005《气泡检漏试验方法》，使用浸泡法，对参检产品进行密封性能检查，试验浸泡液体为无水乙醇，示漏气体为压缩空气，保压时间1m in。根据产品在低温环境下的高压检漏试验结果，对产品用密封圈的低温密封性能给出结论。

试验时，产品与无水乙醇都放进温箱内进行保温，保温时间不少于 2.5h; 满足保温时间要求后将产品及无水乙醇取出，产品从温箱取出至检漏开始时间约半分钟。

产品试验情况如下，XX作动筒及XX分离弹射器在低温–60℃下保温2.5h后，分别进行高压检漏，保压1min，2种产品各3件均无气泡冒出，在该条件下密封圈的性能几乎没有损失。

通过以上试验说明低温下密封圈的性能不只与初始压缩率有关，虽然低温对密封圈回弹性有较大影响，但整体密封性下降幅度有限。

该检漏试验在设计实验条件时也存在几点不足，不能充分验证低温环境下密封圈对火工装置性能的影响。 最高检漏压力值不能覆盖火工装置内部燃气高压范围; 最低温度为–60℃，未进行更严格条件下的试验，从表5中数据分析可知，FM-1材料在–70℃时的低温性能比–60℃下降很多; 并且低温高压检漏试验中加压过程非常缓慢，不能模拟火工品内部高压气体瞬时作用情况。

5 结束语

本文通过试验研究了低温下 FM-1密封圈性能，测量了低温下密封圈的回弹性数据和回弹量随时间变化的曲线，并通过进一步计算得出了低温下的FM-1材料密封圈压缩率远低于设计值的结论，这会对密封性造成较大影响。

结合火工装置实例对低温下密封圈对产品性能造成的影响进行试验验证，发现低温下火工产品的密封性不会因为密封圈回弹性降低而下降很多。由于试验条件限制，本文对FM-1密封材料低温性能的研究还不够充分，可以通过改进试验方法展开深入研究。

References)

[1]李国新.火工试验品与测试技术[M].北京:北京理工大学出版社, 1998.LI Guoxin.The Pyrotechnics Test Products and Test Technology [M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 1998. ( in Chinese)

[2]蔡瑞娇. 火工品设计原理[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1999.CAI Ruijiao. Pyrotechnics Design Principles [M].Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 1999. ( in Chinese)

[3]王珍. 氟醚橡胶的结构和高低温性能研究[J]. 世界橡胶工业, 2005, 39(5): 22–25.WANG Zhen. The Desflurane Rubber Structure, and High and Low Temperature Performance Research [J]. The World the Rubber Industry, 2005, 39(5): 22–25.( in Chinese).

[4]高滨. 火工作动装置设计参数的敏感性分析[J]. 航天返回与遥感, 2006, 27(3): 57–60.GAO Bin. The Pyrotechnic Device Design Parameter Sensitivity Analysis[J]. Spacecraft Recovery and Remote Sensing, 2006,27(3): 57–60. (in Chinese)

[5]卢黎明. O形密封圈的压缩率对其密封性能的影响[J]. 华东交通大学学报, 2003, 20(2): 9–11.LU Liming. Compression Rate of the O-ring Sealing Performance Impact [J]. East China Jiaotong University, 2003, 20(2):9–11. (in Chinese)

[6]冯连胜. 固体发动机O形橡胶圈密封性能试验研究[J]. 固体火箭技术, 1993, 20(3): 90–96.FENG Liansheng. Solid Engine Rubber O-ring Seal Performance Test Study [J].Solid Rocket Technology, 1993, 20(3): 90–96.(in Chinese)

[7]王广振. 空间O型固密封泄漏率实验研究[J]. 空间科学学报, 2001, 21(4): 45–48.WANG Guangzhen. Space O-ring Sealing Leakage Rate of Experimental Research of Space Science[J]. Chinese Journal of Space Science, 2001, 21(4): 45–48. (in Chinese)

[8]Scott R S. Seat Material Selection, Design and Performance-advancements from the Space Shuttle Booster Redesign[R]. AIAA 89-2774 198931 .

[9]Lach C L. Effect of Temperature and O-ring Gland Finish on Sealing Ability of Vitom, V747-75[R]. NASATP-3391, 1993.

[10]Rodriguez P L, Markovitch R. Space Station Greedom Deal Leakage Rate Analysis and Testing Summary: Air Leaks in Ambient Versus Vacuum Exit Condition[R]. NASA TM-103604, 1992.