长线列红外探测器真空密封结构设计

刘 伟,王 冠,闫 杰,张 磊,李雪梨

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

随着军事领域卫星侦察及预警等国防需求的日益提升,长线列红外探测器组件的研制投入也进一步加大,其发展水平也在迅速提高。此类红外探测器一般具备大规模视场、集成多谱段、高分辨率、数字化电路处理功能等,可极大提高预警判别、捕捉目标的能力,满足国防建设需求。

长线列红外探测器冷箱结构是红外探测器研制的关键部件,其结构设计需采用合理的密封结构,保证冷箱高漏率的腔体可通过抽气形成真空腔,使传导、对流、辐射三种热交换大幅度减小,提高制冷效率,有效地为光敏芯片提供一个洁净、绝热的工作空间,为地面验证的实现及空间宇航工作寿命需求提供保障[1]。

2 探测器密封结构

目前长线列红外探测器结构采用全金属结构形式,其常规的密封工艺一般包含激光焊接、真空钎焊、电子束焊和胶粘粘接等。随着长线列红外探测器体积的不断增大,同时考虑地面试验承制任务及返修安全便捷等研制需求,常规真空密封实现手段已不完全适用,在这个过程中,我们引入了适用于宇航探测器使用的金属密封及胶圈密封结构并开展了相关试验验证工作。

探测器密封结构的设计重点为降低真空漏气速率和保证其长期可靠性,主要影响因素为气体渗透漏气和内部材料放气,密封结构设计需同时兼顾适应探测器的宇航工作环境,保证工况条件密封结构的可靠性。

探测器的真空密封结构设计有以下考量:

(1)密封材料的甄别,包括热胀系数匹配、密封介质及环境、抗拉强度、压缩应力、材料渗透率、抗辐照水平等；

(2)密封结构及密封面的形位公差设计；

(3)密封压接螺钉的规格及排布；

(4)结构操作简单方便。

3 金属密封

有些金属材料具备一定的弹性,在它受外部挤压出现形变情况下,会产生反作用填充密封间隙的效果,达到密封的作用。

铟的莫氏硬度只有1.2[2],较好的延展性使其非常有利于真空密封连接,它放气量小、渗透率低、耐低温等特点与宇航环境应用需求一致,且超高真空要求的应用结构多选取铟作为密封材料。

表1 铟丝密封设计主要参数

采纳铟作为密封材料的真空结构设计(如图1所示)时,应考虑以下因素:

(1)铟的填充截面积应大于设计密封凹槽的截面积,且标准配合面上铟膜厚度不大于0.05 mm；

(2)实施铟丝密封操作时,选取的铟丝长度满足重合富余量刚好接缝处理即可,根据密封面尺寸大小铟丝直径可选取为1～2 mm之间值；

(3)铟丝被压后容易流动,密封结构需要做成台阶或者凹槽型防止铟丝流入真空腔体,且密封表面粗糙度设计值应小于等于Ra 0.8。

铟丝密封的工艺实施(如图2所示),使用力矩扳手保证密封面铟膜分布均匀；力矩应达到5 N·m[3],可保证漏率小于3×10-10atmcc/s；密封前,使用丙酮、酒精超声清洗密封面、螺钉和密封铟材料,吹干后压封。

图1 铟丝密封状态

图2 铟丝密封结构设计及实物图

对于铟丝密封结构,也有一些不足,首先,铟丝密封弹性差,只能使用一次；同时这种密封形式对密封面的表面粗糙度和配合精度要求较高,对于密封接触面的热膨胀系数也有适配的要求；根据实际的宇航应用工程试验数据,在密封面直径在100 mm范围内的结构,可以选择铟丝密封,再大尺寸的密封结构,密封面的加工实现难度提高,且由于探测器结构尺寸加大,质量会增大很多,增加了探测器组件安装固定因相位调整带来密封面变形造成铟丝密封失效的风险；同时大的探测器组件振动,容易引起压封预警力不足及压封面应力释放引起微小变形造成铟丝密封失效。

4 胶圈密封

在真空密封结构中,最常用材料为胶圈形式(如图3所示),主要因为它具有高回弹性、不易磨损、较高的抗压和抗拉强度,密封使用可靠性高,可多次拆卸安装,方便加工。但缺点是,对比金属密封,出气率和渗透率较大,多数不适合应用于航天类高真空结构。

探测器的密封工况主要是静密封,因探测器内部为高真空,外部常压,胶圈密封考虑因素主要包括材料温度范围、材料渗透率、接触渗透速率及压缩率等。

图3 胶圈密封状态

探测器的工作温区在-30～60 ℃范围,此时,一般氟类及硅类橡胶的温度均可满足；材料渗透率,氟类胶圈更低,对空气为0.88 cm3(STP)cm/cm2·s；在此工作温区,主要考虑胶圈压缩率及密封结构设计,应尽可能选取胶圈合适备选材料及其截面结构对应压缩性能较好作为最终密封方案,这样可以减小密封间隙高度,从而降低密封面渗透的速率,保证高真空需求的密封结构可靠性。

考虑到铟丝密封缺陷,我们根据部分外文资料,结合上诉一些分析,与国内某研究机构开展了联合设计,最综获得了符合航天应用标准的定制材料,真空挥发、质量损失、可凝挥发物含量小于1 %,紫外辐照总量可实现1.17 kcal/cm2,辐射总剂量0.6 krad[Si],原子氧积分通量5×1024atoms/m2,试验如图4所示。

图4 胶圈拉伸、回弹力及放气性试验

我们选用O形橡胶圈进行密封结构设计,O形胶圈的密封结构总漏率影响因素很多:①环境温度,因为它能影响密封介质的流动性、改变胶圈截面状态和橡胶材料的弹性模量、泊松比等性能参数,造成接触应力的变化,从而影响密封结构的总漏率；②密封气体,分子质量会影响其渗漏或泄露的可能性；③金属的表面状态,O形密封结构的泄漏,因周向的不平整可能直接造成内外部的贯通,所以相较于径向平整度,密封结构对周向平整度要求更高,同时密封结构表面粗糙度本身也会造成直接泄露,使密封效果大打折扣；④密封面单位面积作用力的大小,作用力变大,可减小密封间隙高度,保证密封效果,同时需平衡橡胶的压缩状态,过大会加速橡胶的弹性应变向塑性应变的转变,影响结构的可靠性；⑤密封材料,橡胶材料不同,回填力也不同,性能及在温度变化的反应也不同；⑥密封装置内外压差,它可产生分子流动的势能,大的压差将会加速气体介质的泄漏。

密封结构设计根据真空密封手册查询,首先,根据密封直径确定橡胶圈的规格,如表2；然后根据QJ1035.1-86《O形橡胶密封圈》及QJ1035.2-86《O形橡胶密封圈的选用和密封腔设计规范》选取及设计密封槽的尺寸,在密封槽的设计中,胶圈的压缩率选取在25 %～35 %,最后在密封槽加工时,对槽底及槽边缘进行0.3～0.5的圆角处理,保证胶圈的密封可靠性,胶圈一定要经过橡胶硫化处理,保证探测器寿命末期的可靠性要求。

表2 密封直径与胶圈尺寸表

考虑O形密封胶圈的一些参数,开展了胶圈材料设计选型及密封结构设计,图5为最终密封结构样品图,其真空漏率可实现3×10-10atmcc/s,密封结构真空度可实现1×10-4Pa。

图5 密封结构样品

5 螺钉紧固分布与密封结构可靠性

胶圈密封结构,螺钉预紧力及胶圈压缩回弹力会直接影响密封结构面的接触力,从而影响密封效果,所以开展以下内容,单独对真空密封结构的螺钉分布设计进行研究。

对作用密封结构接触面压力分布进行分析研究,如图6所示,力矩扳手施加作用力,螺钉与工件表面接触,并对工件接触面添加向下作用压力Pa,此作用力通过接触工件向下传递并作用于胶圈固定工件表面,通过L长螺纹端向上反向施加反向作用力Pb,并在密封面产生接触作用力Pc、Pd。

图6 密封结构接触面应力分布效果图

将上述接触作用力模型结合胶圈应变应力曲线一同带入建立有限元模型,对螺钉与工件接触表面的压强及其分布进行求解。建模并划分网格,在法兰与连接座,螺钉头部与法兰接触面,采用接触单元模拟法兰与螺钉的接触行为。据拧紧力矩与预紧力的关系计算出添加力矩,将密封胶圈所在工件下表面做固定约束,进行仿真分析。

根据图7胶圈回弹力曲线,将胶圈压缩变形回弹力作用于胶圈密封接触面,分析螺钉应力分布,如图8所示,具体可查看每个螺钉应力值,如图9所示。根据具体螺钉应力值及分布值,可以调整计算螺钉分布是否合理,获得螺钉分布合理分布密封结构后,再计算螺钉安全系数,如图10所示,可判断载荷分布及作用螺钉材料是否合理,如铸铁螺钉,安全系数应控制在3及以上,不锈钢、TC4等螺钉安全系数应控制在2.5及以上。

图7 胶圈压缩回弹力试验曲线

图8 螺钉应力分布

图9 具体单个螺钉应力

图10 螺钉安全系数

6 总结与展望

宇航探测器采用上述方法进行密封结构设计,极大地方便了地面试验验证及开展各项组件性能分析判断,同时可实现漏率优于3×10-10atmcc/s,密封真空度优于1×10-4Pa控温环境要求,其结构可靠性已通过航天试验得到验证。

目前研究密封介质为空气,结合工况分析,主要定位为静密封设计,后续将开展铟丝及O形橡胶圈共同作用的冗余密封结构研究,因这种密封结构设计合理的话具有更高的可靠性,为探测器制冷组件提供更好的工作环境,尤其是对冷量需求严苛的甚长波组件还是很有实现必要的,相信随着宇航红外的进一步推进,冗余密封结构的设计将很快推进实现。