载人航天器不同系统用密封材料研究

王 江，宋 丹，庞爱民，李 洋

(航天科技集团公司四院四十二所，湖北襄阳441003)

1 引言

密封技术是载人航天系统的关键技术之一。载人航天系统主要包括天地往返运输系统、空间站系统、运载火箭系统、发射场系统以及航天员系统等［1］，每个系统又有许多复杂的机构组件构成，为了保证空间环境不对系统内部的人员、仪器设备造成不良影响，各组件之间及其内部的成千上万个连接处都必须采用密封技术，以保证各连接处的泄漏控制在安全界限内［2］。

2 国内外研究现状

俄罗斯和美国已经多次发射空间站和航天飞机，进行了大量的载人航天试验，航天技术业比较成熟。俄罗斯的“和平”号空间站在轨运行十多年，据资料介绍，其空间密封一般采用O型圈，压缩率在30% ～50%之间［3］。美国在“挑战者”号发射失败后，对航天飞机的密封系统进行了大量研究工作，从密封寿命、密封检测等方面考虑，对O形密封圈的泄漏量、载荷衰减、永久变形等进行了研究［3］。随着我国载人航天研究和试验的开展，各个系统的密封技术的研究也在进行，一些科研院所和高校，如中国空间技术研究院［4］、航天材料及工艺研究所［5］、航天 42 所［6］等，在载人航天系统密封结构的设计、可靠性验证、密封材料的制备、密封材料性能检测等方面进行了大量的研究工作，研究成果已经成功应用在我国的“神舟”系列飞船、运载火箭、航天服等载人航天系统，为我国载人工程的顺利发展做出了巨大贡献。

3 密封材料的空间使用性能要求分析

3.1 使用环境

密封材料使用的外部空间环境为［7-8］:高真空(1.3×10-4～10-7Pa)，高、低温循环(-90～ +125℃)，每90 min左右交变一次，太阳射线辐射，带电粒子辐射，微陨石和人造轨道碎片撞击以及原子氧侵蚀等。

对于不同密封介质，有些是空气、水等普通介质，有些是液氧、液氮、无水肼等特殊介质，对密封材料有不同的性能要求。

3.2 性能要求分析

3.2.1 耐辐照

对于载人飞船、空间站等航天器，外辐照环境要求其所用的有机密封材料必须具有良好的抗辐照性。空间飞行器的主要辐射环境有:捕获电子、捕获质子和太阳质子。长时间的辐射会使有机密封材料降解或交联，出气加速，从而改变其物理机械性能，甚至丧失密封能力［8］。

3.2.2 耐真空

在高真空环境下，密封材料的出气会带来材料成分上的变化［9］，进而引起密封材料性能的改变和尺寸的变化，最终影响密封效果。同时，材料的出产物还会严重降低光学系统和遥感系统的敏感器件的使用性能［10］。因此，航天器密封材料必须具有较好的耐真空性能，要能在真空环境中保持性能稳定。

3.2.3 无毒无气味

载人航天器密封舱内气体成份及其含量对航天员的安全、健康及工效有着极大的影响［11］。非金属材料是密封舱内空气的重要污染源，具有潜在的毒性危害，因此密封材料不仅要求出气少，而且要求出气产物无毒无气味，对有害成份的量要求严格控制，如舱外航天服要求密封件材料的气味等级不大于1.5级，并对脱出的气体成份如一氧化碳、总有机物的量有严格的要求。

3.2.4 不易燃烧

载人航天始终把安全性放在首位，舱内材料意外着火，不仅损坏设备，而且燃烧产生的有毒气体及烟雾将直接威胁航天员的生命安全，因此对用于航天器上的材料应进行可燃性评估，美国宇航局与欧空局均制订了相应的标准［12-13］。

3.2.5 耐高温和低温

空间环境大范围的温度变化(-90～+125℃)要求某些部位的密封材料不仅要经受得住长时间交变的高温，而且在低温下弹性要好，在飞行器返回再入大气层过程中，还要能满足瞬时的热密封、动密封，保证整个温度范围内可靠密封［14］。

3.2.6 耐介质

用于航天器流体贮存与输送系统的密封材料需要耐介质。如用于液体推进系统的密封材料，需要耐液氧、四氧化二氮的强氧化性，耐肼类的强腐蚀性［14］。

3.2.7 长寿命

长期在轨的飞行器和深空探测飞行器均对其密封材料提出长寿命的要求。

4 密封材料空间环境适应性研究及应用

4.1 密封材料空间环境适应性研究

4.1.1 低温性能研究

随着载人航天技术和空间站技术的发展，对直接暴露在恶劣空间环境中的密封材料而言，其低温条件下的密封性能成为考察的关键因素。欧空局对空间密封橡胶材料使用温度范围要求的典型值为-80～+200℃，美国宇航材料标准要求脆性温度达到-75℃［8］。目前耐低温性能比较好的为苯基硅橡胶，以苯基硅橡胶为主体材料研制的耐低温硅橡胶配方S42-1，其玻璃化温度低于-100℃;运用纳米材料对其进行改性，研制出了玻璃化温度更低的密封材料N1-Ⅰ-1和N1-Ⅰ-2［6］。将三种配方制成相同规格的密封圈，分别装入同一密封试验工装，进行材料的低温密封性能试验，在不同的温度点进行氦检漏试验检测泄漏率。表1为三种材料的不同温度的泄漏率，可以看出，所研制的N1-Ⅰ-1配方在-90℃的泄漏率为5.0×10-10，其低温密封失效温度点为-115℃，低温性能优于S42-1。

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

4.1.2 真空环境下材料性能研究

在真空环境下，空间材料的性能变化一直是人们关注的问题，对研制的硅橡胶材料进行了耐真空试验和真空拉伸试验，存放样品室真空度为1.33×10-3Pa，真空拉伸时真空度为7.33×10-2Pa，材料性能变化见表2。可以看出，材料在真空环境作用下仍可保持优异的力学性能，达到国外同类产品的技术要求。

表2 材料在真空环境下的性能试验结果Table 2 The performance of the materials in vacuum

4.1.3 耐辐照及原子氧性能研究

模拟轨道为300～400 km处的空间环境，对研制的硅橡胶材料进行了耐辐照和原子氧性能研究，试验结果见表3。结果表明，经过空间的辐照环境后(模拟大于5年辐照总量)，材料仍保持较高的压缩耐寒系数，质量损失比较小。

4.1.4 寿命研究

由于载人航天工程的特殊性，其所用的密封材料大多不可更换，长寿命、高可靠性是对密封材料的基本要求，密封材料的使用寿命必须大于航天产品的设计寿命。因此，课题组对自研的载人飞船用S42空间密封材料和舱外航天服用FTBNR-1Y采用加速老化试验进行了常温贮存寿命的评估。

表3 材料耐辐照及原子氧试验结果Table 3 The results of the materials resistant to radiation and atomic oxygen tests

S42作为空间静密封材料使用，橡胶材料的压缩永久变形性能是关系到密封寿命的主要性能。因此，以压缩永久变形作为失效判据，预估材料在装配状态下的贮存寿命。试验采用加速老化的方法，选取 100、110、120、130、150 ℃ 共五个老化温度点，老化时间约6个月。在每一个温度点上，放置采用30%压缩率压缩下的标准压缩件，以此来考察密封材料的压缩永久变形受温度和老化时间影响的情况，用以评估密封件在装配状态下的寿命。试验表明，随着老化时间的增长，材料压缩永久变形逐渐增大。依据标准方法可推算S42空间密封材料在25℃下贮存寿命大于30年。

FTBNR-1Y是课题组为舱外航天服密封橡胶件研制的一种材料，该材料制成的橡胶件产品在处于拉伸状态使用，因此以扯断伸长率作为失效判据，预估材料的贮存寿命。试验采用加速老化的方法，选取100、90、80、70 ℃共四个老化温度点，老化时间约6个月。同样采用标准方法，可推算FTBNR-1Y材料在25℃下贮存寿命为16.5年。

4.2 密封材料在载人航天上的应用

4.2.1 载人飞船及天宫目标飞行器

S42空间密封材料是课题组为载人飞船、空间站等载人航天器研制的，材料不仅能满足空间环境对结构和机构密封件的各种要求，而且达到了载人航天任务在卫生学方面的各项性能要求。材料的综合性能见表4，材料成功应用于神舟系列载人飞船和天宫一号飞行器密封。

表4 S42空间密封材料的综合性能Table 4 The comprehensive performance of the S42 space sealing material

4.2.2 舱外航天服

FTB橡胶件是舱外航天服的关键产品之一，用于国产舱外航天服的结构密封、管路连接、减震、构件保护等。四十二所以天然橡胶和硅橡胶为主体材料，研制出八种适用于不同部位的密封材料。材料不仅具有良好的力学性能、老化性能、低温性能等，而且具有无毒无污染、使用寿命长的特性，完全满足飞船座舱非金属材料的卫生学评价标准要求，具有较好的空间环境适应性。该产品应用于舱外航天服的关节轴承、背包门、机构连接等部位的密封，确保了“神七”航天员出舱活动的圆满成功。

4.2.3 医监生化检测实验袋

医监生化检测实验袋是医监生化检测装置的重要部件，用于航天员生物数据的采集，为航天员医监医保提供依据。课题组以氯化丁基橡胶主体材料，为实验袋研制出了专用材料。该材料具有无毒无污染、气密性好的特点，并具有一定的透明性，对检测试剂内分子活性无影响。采用自研材料制作的医监生化检测实验袋通过了长时间地面联试的考核和“神九”任务的试验验证，性能满足任务的设计要求。

5 材料耐介质技术研究进展

5.1 耐N2O4介质

N2O4是火箭液体推进系统常见的一种氧化剂，该氧化剂具有强烈的腐蚀性。载人航天器的推进系统需要耐该介质的密封材料。橡胶具有独特的高弹性能，是最理想的密封材料，但是绝大多数品种橡胶与N2O4相容性差［16］，使得该项密封技术存在较大难点，尤其是长期密封。

全氟醚氟橡胶和羧基亚硝基氟橡胶是公认的最理想的耐N2O4密封材料。俄罗斯、美国和日本均有工业化生产的该种氟橡胶，其牌号分别是俄罗斯的CKφ-460、美国杜邦的Kalrez和日本大金公司的GTA［15］，上述生胶对我国均限制出口。国内晨光研究上世纪70年代开展了相关方面的研究工作，合成出了相关产品，课题组曾购置了当年合成的材料开展了配方研究。由于材料硫化存在问题为进一步开展研究。受原材料所限，本文针对密封件结构设计开展研究，试图通过复合结构的密封件来解决耐N2O4介质密封问题。研究思路为:里层采用橡胶材料，保持较好的弹性，外层包覆薄层耐N2O4介质的材料，抵抗N2O4介质腐蚀，结构示意图见图1。

图1 耐N2O4复合结构密封材料Fig.1 The composite sealing materials for N2O4-resisting

包覆层主要为与N2O4相容性较好的材料，且渗透性要低。可选用的材料主要是一些惰性强的金属，如镍﹑铜﹑铝﹑银﹑锡﹑金等［17］。包覆工艺要求包覆层完整无裂纹，具有一定的延伸率，厚度要薄且均匀。这存在一定的技术难度。试验选用了电镀﹑贴裹﹑等离子注射生长包覆等多种包覆工艺。图2为包覆了银的橡胶密封圈。用银包覆密封圈进行了长期密封泄漏试验，140天的密封试验发现，虽然N2O4没有发生泄漏，但密封圈已发生了严重破坏。包覆材料在一定程度上缓解了N2O4介质对橡胶的腐蚀，可适用于短期的介质密封，但在长时间的压缩密封状态下，包覆材料会产生局部的破损，使N2O4介质渗入腐蚀橡胶，对橡胶件产生较严重的破坏，随着时间的推移最终导致密封失效，适用于长期介质密封的产品尚待进一步研究。

图2 银包覆橡胶密封圈Fig.2 Silver coated rubber sealing ring

5.2 耐H2O2介质

H2O2也是液体推进剂用氧化剂的一个品种。它具有较强的氧化性［14］。该种介质的密封材料必需和H2O2有较好相容性，使材料长期浸于其中，性能变化率应较小，满足长期密封使用要求。试验选用耐介质性能和低温性能都比较好的氟硅橡胶［15］作为主体胶料，在配方设计时尽量少用有还原特性的填料。试验配方SF42-1的质量配比为氟硅胶 SF-3:100，SiO2:40，DCP:1，其它:5。配方性能见表5。

同时，对SF42-1配方进行了长期密封泄漏试验。经过140天的密封泄漏试验，密封圈仍保持完好，也未发生介质泄漏。试验结果表明所研制的材料耐H2O2介质性能优良，可用于H2O2介质的密封。

6 结论

1)运用纳米材料进行改性，可以改善材料的低温性能;

2)通过空间环境模拟试验，S42材料性能变化较小，表明S42材料有较好的环境适应性;

3)加速老化试验结果表明S42和FTBNR-1Y有较长的常温贮存寿命;

4)通过包覆技术可改善材料耐介质性能。

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