检漏收集室充气密封圈设计研究

　　充气密封圈是实现检漏收集室密封的关键，研究其密封性的设计具有重要的工程意义。旧检漏收集室采用的无棱充气密封圈的密封效果不佳，且密封可靠性也较差，因此，针对某收集室的新建要求，有必要对充气密封圈进行重新的设计，以提高检漏收集室的密封性及可靠性。本文首先根据充气密封圈的密封机理，设计出一种新型截面型式的充气密封圈;其次，通过有限元仿真的对比分析，得到了新旧两种不同截面型式充气密封圈密封面上的应力分布规律，并以此为基础，确定了新型截面型式充气密封圈的优越性；最后，通过对新建收集室的密封性测试试验，进一步验证了新型截面型式充气密封圈密封性和可靠性。本文的结论可以为航天器用检漏收集室充气密封圈的设计提供重要的技术支撑。

　　目前，国内外的航天机构主要采用氦质谱非真空累积检漏法对航天器的总漏率进行测试，如美国先后采用该方法完成了ISS( 国际空间站) Node1、Node3 的总漏率测试，国内的大型航天器( 如卫星、飞船等) 也几乎均是采用该方法。而该方法需要的核心设备之一，即是检漏收集室。检漏收集室的本质作用是在试验周期内，累积被检航天器所泄漏的微量示漏气体( 约在10^-6量级) ，故检漏收集室的密封性是收集室的核心技术指标。收集室一般为刚性结构，主要由钢室、大门、风机循环系统、控制台等组成，如图1 所示。收集室主体通常由钢材焊接而成，焊接后，所有焊缝均需要经过严格的漏率测试，因此，焊缝的密封性是有保证的。但检漏收集室的大门为活动机构，需要经常开关操作。为方便使用，收集室大门一般采用纵向密封设计型式，如图2 所示，以使收集室无门槛，方便被检航天器的进出。

　　目前，国内外通常采用充气密封圈的方案来实现收集室大门的密封，主要过程是：充气密封圈内部被抽真空，则充气密封圈整体缩至密封槽内，大门可以正常开关；当充气密封圈充气至规定压力，则充气密封圈遇压膨胀，填充大门和门框间的间歇，进而实现了密封。由此可见，收集室充气密封圈的设计对确保收集室整体密封性是至关重要的。

图1 检漏收集室的系统组成

图2 大门的双重纵向密封设计

　　检漏收集室在检漏测试过程中处于常压状态，但由于环境温度和压力的变化，会造成检漏收集室的内外压力形成约几千帕的压差，进而使得检漏收集室内外气体发生交换。目前，国内外检漏收集室往往采用无棱充气密封圈的设计，如图3 所示，但密封效果不佳。究其原因，主要有两点：

 　　①密封面上的最大接触应力不够，从而不能形成更加有效的密封；

　　②只能形成单级密封，密封的可靠性不高。通常检漏收集室大门的密封长度较长。

　　目前，国内检漏收集室最长的密封长度已近30 m。采用无棱充气密封圈，只要密封长度上的密封面有些许损伤或多余物，就会造成密封的整体失效。

　　针对国家某重大专项工程的需求，需要研制一个有效空间尺寸为5 m(L) × 5 m(W) × 6 m(H) 的新收集室，因此，有必要对充气密封圈进行重新的设计，以克服旧检漏收集室的密封性不佳及可靠性较差的问题。

　　本文首先根据充气密封圈的密封机理，设计出一种新型截面型式的充气密封圈；其次，通过有限元仿真的对比分析，得到了新旧两种不同截面型式充气密封圈密封面上的应力分布规律，并以此为基础，确定了新型截面型式充气密封圈的优越性;最后，通过对新建收集室的密封性测试试验，进一步验证了新型截面型式充气密封圈密封性和可靠性。

图3 无棱充气密封圈的截面

　　结论

　　本文通过有限元仿真的对比分析，得到了新旧两种不同截面型式充气密封圈密封面上的应力分布规律，并以最大接触应力准则为基础，确定了新型截面型式充气密封圈；随后，通过对新建收集室的密封性测试试验，进一步验证了新型截面型式充气密封圈的密封性和可靠性。研究结果表明：采用有棱充气密封圈的密封面在同等充压压力的情形下，可以形成更高的密封接触应力，且可以有效地形成多重密封，从而产生更可靠的密封效果，因此，建议以后研制的检漏收集室均采用有棱充气密封圈。