第41卷第5期2021年5月
真空科学与技术学报
CHINESE JOURNAL OF VACUUM SCIF：NCE AND TKCIINOLOGY437
常洁*陈同祥周志勇成志忠脱蜡
(北京空间飞行器总体设计部北京100094)
Research on the Performance of Rubber Seal Structure at
Low Temperature for Manned Spacecraft
工程仿真CHANG J ie*，CHEN Tongxiang，ZHOU Zhiyong，CHENG Zliizhong
(Beijing Institute oj Spacecraft System Engineering, Beijing \00094, China)
Abstract Manned spacecraft has stringent requirements on sealing performance, and the leakage char
acteristics of the sealing structure are affected by temperature. In this paper,a leakage mode of a silicone rubber seal structure is studied. The gas permeability of mhher at low temperature is tested,and the results show that when the tem- perature drops from 50Tl to 5X^,the gas permeability decreases by an order of magnitude. The stress-strain relationship and shrinkage characteristics of the material at low temperature are tested, the finite element model of sealing structure is established by ABAQUS,the variation of seal stress at low temperature is obtained,and the results of interface leakage are obtained. At low temperatures, the leakage at the interface of the sealing struc ture increases slightly. The quantified data of gas permeability and interface leakage of the rubber seal structure at low temperature can be used for reliability assessment. The research findings can provide some references to similar seal design for manned spacecraft.
Keywords Rubber seal, Low temperature, Leakage, Quantified data
摘要载人航天器对密封性能要求极为严苛，密封结构的泄漏特性与温度相关。本文研究了一种典迆的砘橡胶密封结 构的泄漏方式，通过对低温下橡胶材料的透气性能的测试，结果表明：从50T下降到5^1：时、气体通过材料的渗透量降低约一 个数量级本文还通过实测材料在低温下的应力-应变关系、低温下材料的收缩特性，借助ABAQUS分析软件建立了该结构 的压缩状态的有限元模型，得到了低温下密封应力变化情况，并据此计算了界面泄漏结果：低温下，密封结构的界面泄漏量略 有所增大，本 文研究的某典型橡胶密封结构在低温下的气体渗透泄漏和界面泄漏的量化数据，为产品在低温下的使用可靠 性评估打下基础，也为类似结构设计提供参考。
关键词橡胶密封低温泄漏量化
中图分类号：V423. 5 文献标识码：A doi ： 10. 13922/j. cnki. cjvst. 202007037
密封技术在航天T.程中起到了至关重要的作用，据相关资料统计，航天史上约有50%的重大故 障与真空环境泄漏有关。1971年，前苏联的“联盟 1丨号”飞船完成了返回时因密封失效，导致航天员 牺牲;1986年，美国“挑战者”号航天飞机发射失利，是由于火箭发动机的一个密封环节产生泄漏导致; 最近的一次发生在2019年4月，美国“载人龙”飞船在地面进行静态点火测试时发生爆炸，经查是…于推进系统中的一个阀门泄漏导致。由此可见，密 封既是一个基础技术，又是一个始终贯穿航天发展史的关键技术。
随着中国载人航天技术近年来快速发展，对航 天器密封结构的性能要求也越来越高，一个可靠、低 泄漏的密封结构必不可少：载人航天器密封结构的
收稿日期:20204)7-21
* 联系人：E-mail :(，****************
438真空科学与技术学报第41卷
特点是：（1)密封舱外始终是真空状态，密封结构需 要保证0. 1M P a压差下的密封，属于真空低压密封;
(2)在轨工作时，其遭受的温度环境也始终处于变化之中，空间环境复杂；（3)对泄漏指标要求要求高，对整个载人航天器密封结构的泄漏M要求一般 要小于 0.01 Pa . m V.s.
橡胶密封结构具有安装便利、稳定可靠、可设计 性强的优点，在载人航天器密封结构中普遍采用，如舱门与密封舱之间的密封、电连接器穿舱法兰密封、管路连接密封等等。在室温下丨：作时，橡胶密封材 料的性能较为稳定，密封性能不受影响，但是一旦丨: 作环境温度发生变化时，材料性能也会随之改变：高 温时，材料在温度作用下热氧老化效应将更加明；低温时，橡胶材料的内部分子结构运动能力降低，材 料弹性降低。这两种情况下，均会对橡胶密封结构 的性能产生一定的影响。
目前高温下橡胶材料的老化机理较为清楚，研 究成果也很多，李咏今、夏洪花等研究了不同橡胶材 料的老化特性，得到了材料性能随老化时间和温度变化的关系曲线D但是在低温下，材料性能的变化 对密封结构的影响尚没有全面的定量分析结果。工 丹等利用有限元软件计算了在环境温度变化时，0形橡胶密封圈Von Mises应力随着温度的降低而减 小的关系，未考虑材料应力应变关系在低温下的变 化情况。刘云猛采用有限元分析与实验研究相结合 的方法，总结出高温时主密封的接触应力比低温时
小，但未考虑到低温下橡胶材料收缩的影响；王波建 立了硅橡胶材料密封系数的数值计算模型，并得到 在高温和低温状态下该种橡胶材料的密封系数，未 提及低温下材料对气体渗透性能的变化影响。
本文从密封结构的泄漏方式出发，通过测试目 前载人航天器中一种常用的硅橡胶密封材料在低温 下的性能数据和气体渗透的关系，同时结合有限元 法分析了该结构与密封相关的结构力学参数在低温 下的变化情况，并结合经典泄漏公式对密封结构的泄漏进行了定量分析，对航天器密封结构设计有一定指导意义。
1橡胶材料特性与密封结构泄漏方式
1. 1橡胶材料的超弹特性
橡胶属于高分子聚合物，其分子是由千万个结 构相同的链节通过化学反应聚合而成。如航天中常 用的硅橡胶，它是以线性聚硅氧烷生胶为基础，加丨•.
交联剂、增强填料及其它配合剂，经过混炼与硫化而 生成。橡胶的大分子之间借助硫化剂产生交联键，结果使橡胶形成三维的网状结构，各分子链段有很好的挠性以及相互之间的活动性，因而使橡胶能做很大的可逆变形，也即超弹性，该特殊性质决定了它 能J H作结构件之间的密封。需要说明的是，橡胶材 料超弹性特性是在一定的温度范围内，也即材料的 作温度。在环境温度高于工作温度时，
材料表现 为粘流态，且极易老化；当环境温度低于工作温度时，材料呈现玻璃态，此时材料完全是脆性材料，无 法起到密封作用。
1.2橡胶密封结构泄漏方式
在真空系统中，绝大部分密封接口通过橡胶密封件进行密封，这类密封结构通常由密封件、密封法 兰组成，也称之为“密封接口”，典型连接方式如罔1所示。
^//////
K\\\\w
图1典型的密封接U与泄漏方式
Fig.l Typical sealing interface and leakage mode
密封接口处的气体泄漏共有三种方式。
第一种泄漏是“材料放气”，由于橡胶材料自身 会吸附一定的气体，在真空下，这些气体会逐渐释放 出来。
对载人密封舱结构而言，材料放气只是将橡胶密封圈内部吸附的气体释放到真空中，并不会对密 封结构内部产生影响，因此，此种情况的泄漏可不予 考虑。
第二种泄漏是“气体渗透”，在两侧压差作用下，气体分子穿过相对并不致密的橡胶内部结构往真空一侧泄漏。对于密封要求不高的结构而言，一 般不用考虑气体渗透的影响，但是对于载人航天器、尤其是像空间站这种有长寿命要求的载人航天器而 言，气体通过密封橡胶材料的渗透量也必须考虑第三种泄漏是“界面泄漏”，在两侧压差作州下，气体通过密封件与被密封对象（法兰）之间的缝 隙进行泄漏。载人航天器的密封结构中，界面泄漏
第5期常洁等：载人航天器中橡胶密封结构低温性能研究439
量占据主导，气体绝大部分从两个被连接件之间泄 漏。界面泄漏量可以通过设计手段加以控制。为了 解决密封件与被密封对象（法兰）之间的“微小缝 隙”问题，利用通过在两个被连接件之间的橡胶密 封圈受挤压后发生弹性变形，填满相互接触的两个 金属表面之间的微小间隙，并形成一定的接触应力， 从而达到密封效果。因此，如果密封件与被连接件 之间的密封接触应力越大、接触面宽度越宽，气体通 过界面泄漏越闲难，密封效果也越好。
从上述分析得出，密封结构的泄漏主要与橡 胶材料的透气性和密封结构接触界面的物理特性 和形貌相关，而环境温度也将影响这些W 素产生 变化。
2低温对密封结构气体渗透的影响
2.1低温下材料透气性变化
橡胶材料对气体的渗透特性主要取决于分子链 的活动性，分子链活动性越差、其对气体的渗透性指 标就越低。当环境温度降低时，分子链的热运动将 会降低，相应的透气性也会降低。本文测试了某橡 胶材料在不同温度下气体的渗透性能：采用压差法 进行测试，测试材料相对氮气透气性，每种试样做三 个不同的温度T 况:50t 、25丈和5丈：
表1某硅橡胶材料在不同温度下的透气性测试结果Tab. 1
涡旋振荡器r Pest results of air permeability of £ different temperatures
i silicone rubber at 序号
测试温度
/X .
透气系数值/m2/P a • s( x 10-丨6)
均值/m 2/P a . s
/ x l 〇-16
1. 6. 39
2.3.50
6. 13
7.99 6. 83
4.0. 80
5.250. 800.77
6.0. 70
7.0.59
8.50. 630. 58
9.
0. 53
从测试结果看出：(1) 该种材料常温下对氮气的透气系数为〇. 77 x 10 16 m'/Pa • s〇
(2)
橡胶材料透气性能随着温度的降低而降 低。从50丈到51时，透气量约降低1个数量级。
移动消防泵2.2结构渗透泄漏影响分析
气体通过密封结构的渗透M 取决于几个因素， 首先是材料的渗透系数A '，这个在丨：节中已经测试， 其次是渗透面的面积，根据气体通过材料的渗透 公式
L = k x A x ^
do
式中，l 为标准状态下、单位时间内的气体泄漏体积
流速;.4为气体通过密封件渗透的及面积;t i p / d 5为 沿着气体渗透方向的压力下降梯度值。
以一个在载人密封舱上常见的航天员观察用舷 窗开口密封法兰为例，用到密封仲圈径0200 m m ， 截面直径6 m m ，不考虑密封件压缩变形情况下（压 缩变形对气体渗透影响很小），汁算得到该密封接 口的气体渗透量为
= I ,. 105 Pa • m V s = 4. 9 x 10 Pa • m 3/s 同时，由气体通过材料的渗透公式可知，气体通 过橡胶材料的泄漏量与渗透系数成正比，也即温度 从50丈降低至25T 时，气体的泄漏M 将降低一个数量级。
3
低温对密封结构界面泄漏的影响
3.1低温下材料“模量”变化
如前一章节所述，随着温度降低时，橡胶内部分 子的热运动将会降低，材料的硬度增大，对橡胶的宏 观表现为“模量”增加，因此，橡胶材料从常温到低 温是弹性逐渐降低、模量逐渐上升的过程。
离子风机aryang本义测试了某硅橡胶材料在常温和低温两种工 况下的材料压缩性能，压缩量从0-30%左右。
从图中的材料压缩应力-应变关系曲线看出，(3)
无论是常温还是低温，随着应变增加，应力
增加的幅度越来越大，说明材料随着压缩程度地增 加，刚度增大，材料模量增大。
(4) 在小应变情况下，低温和常温的应力-应变
特性相差不大，随着应变的增加，尤其在>20%压缩 量时，两种温度下表现出来的弹性特性差异越来越
明显。
(5) 在相同的压缩应变下，低温时对应的压缩
应力要大于常温，也即在低温时，材料的模量高于常
温数据
3.2低温时材料的收缩特性
与其它材料类似，橡胶材料也有“热胀冷缩”的 效应，而且橡胶材料独特的=维网状分子结构形式
使得材料的“热胀冷缩”效应更为明®
440真空科学与技术学报第41卷
P 文测试了某硅橡胶材料的热膨胀系数，如下 图所示。
10 15 20 25
丨冬12高低温下某橡胶材料压缩成力-应变数据
Fig.2 Compression s t r e s s -s t r a i n data of a s i l i c o n e rubber a t high and low temperatures
20304050 60 70 80 90 100 110 120图3某硅橡胶材料热膨胀系数测试数据
Fig.3 Test data of thermal expansion c o e f f i c i e n t of a s i l i c o n e rubber
130140 min
从测试结果看出：(1)
该硅橡胶材料的热膨胀系数一般为248 x K T V t ，比一般的铝合金材料的热膨胀系数要高一 个数量级。
(2)
随着温度的降低，在低温区间内橡胶材料
的热膨胀系数会有一定程度减小，但变化不明显，这 个趋势与传统的金属材料是一致的。3.3密封结构界面应力分析
以载人航天器某典型穿舱接口为例，通过有限
元软件定量分析该密封结构在低温下的力学特性。 该结构形式由0形橡胶密封圈、上下金属法兰组
成，其中〇形圈圈径伽nim，内径0200 m m 。
(1)模型简化
考虑到橡胶材料的弹性模量比铝合金金属法兰 的弹性模量小四个数量级，因此在建模时，将金属法 兰设置为刚体，这样的简化不会对分析结果有影响。 同时，根据密封结构、边界条件的中心对称性，为提 高计算准确性，建立二维轴对称有限元模型进行分
c a
d I A 1/W S 3J
C /
3
第5期常洁等：载人航天器中橡胶密封结构低温性能研究441
析计算。如图4所示。
metal flange
污水填料
图4有限元建模
Fig.4 Finite element model
(2)材料属性
在有限元分析时，橡胶的力学性能通过应变能函 数来表达，每种不同的本构模型都是应变能函数的某 种特殊形式，本文采用常用的“Mooney-Rivlin ”模型。材料压缩性能数据采用根据前一章节得到的橡胶材 料的应力应变关系数据。根据上节中的测试结果，橡胶材料的热膨胀系数选取为248 x K T V t：。
(3) 边界条件与载荷
在A B A Q U S进行分析时，设置两个分析步：先 定义一个小位移量的载荷分析步，同时设置预设的 环境温度值23丈；第二个分析步中施加实际需要的 压缩位移，并设置环境温度值，常温T.况保持23T
不变，低温工况时设置为-551。
(4) 计算结果分析
A B A Q U S自带有后处理模块，它能将有限元分析出来的结果以各种直观的形式展示出来。本文只 讨论几个直接影响密封效果的关键参数值：密封面之间的（最大）接触应力、密封接触宽度和密封件内 部Mises应力，如图5-图6所示。
为了便于比较，一共完成了三个工况的分析：常温丁.况、低温工况1和低温工况2。其中低温工 况1只
考虑材料在低温下“模量”增大、不考虑密封圈收缩情况下的密封件力学性能情况。低温工 况2既考虑了低温下“模量”、同时又考虑材料在低温收缩这两种因素共同作用下的密封件力学性能情况。
表2不同温度下的密封件力学分析结果
Tab. 2 Mechanical analysis results of seals at different temperatures
最大接触应力/MPa接触面宽度/mm Mises 应力/MPa总压缩力/N平均接触应力/MPa备注
常温丁.况 2.494 3.67 2.3244634 2.01
低温丁况1 2.687 3.67 2.486//不考虑收缩
低温T.况2 2.387 3.59 2. 1864002 1.78暫虑收缩后2e~4
阉5密封件接触应力
Fig.5 Contact stress of the seal
从表中的计算结果看出：
(i)随着温度的降低，由于材料“弹性模量”的 增加，相同压缩率下、密封件被压缩后接触应力会有 所增加；
maximum stress(Mises)
width of contact surface
丨冬丨6密封件接触面宽度和内部Mis〜应力分布 Fig.6 Width of contact surface and Mises stress of the seal
(2) 密封件在温度降低后产生收缩效应，密封 件的压缩率会降低，导致密封件被压缩后应力和接
触面宽度减小；
(3) 综合考虑两种因素后，最终密封件的最大接触应力和Mises基本变化不大。
3.4结构界面泄漏影响分析
根据R O T H基于分子流假设提出的单橡胶
密
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议