何 君，李 穎，余 瑞，張 路，余 劍，吳 敏，鄧康清

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北襄陽(yáng) 441003)

0 引言

隨著航天技術(shù)和導(dǎo)彈武器裝備的不斷發(fā)展，固體火箭推進(jìn)劑的能量要求越來(lái)越高，隨之而來(lái)的是發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)要求也越來(lái)越高。某型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，由于噴管部位空間有限，噴管熱防護(hù)設(shè)計(jì)余量較小，如圖1所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)研制初期，發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑燃燒溫度高達(dá)3 200 K以上，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管密封失效，導(dǎo)致喉部發(fā)生穿火，噴管結(jié)構(gòu)被破壞，如圖2所示。經(jīng)熱試車試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中殼體噴管位置外壁溫度達(dá)到1 073 K，O型橡膠密封圈、密封銅墊等傳統(tǒng)的密封手段都無(wú)法滿足使用要求。

圖1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)噴管結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車后噴管喉部穿火

柔性石墨，也稱為膨脹石墨，不僅兼具普通石墨耐高溫、自潤(rùn)滑、抗腐蝕等特性外，還具備獨(dú)有的柔軟性、良好的壓縮與回彈特性[1-4]。柔性石墨對(duì)密封面結(jié)構(gòu)和密封介質(zhì)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，機(jī)械性能不隨環(huán)境溫度的變化而變化。它的高溫密封性能尤其突出，是一種綜合性能優(yōu)異的密封材料。文獻(xiàn)[5]針對(duì)柔性石墨的密封性能、制造工藝、密封機(jī)理等方面進(jìn)行了研究，指出柔性石墨是一種新型可靠的高溫密封材料。李嵩等[6]對(duì)金屬?zèng)_齒板增強(qiáng)柔性石墨墊片的密封性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)其在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用情況展開了研究。目前，柔性石墨已廣泛應(yīng)用于石油、化工、核能發(fā)電、冶金、航空等高溫密封領(lǐng)域[7-8]，且效果顯著。但是石墨墊片在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高溫密封上的應(yīng)用研究較少。文中通過(guò)建立柔性石墨墊片的緊固力矩模型計(jì)算得到了石墨墊片實(shí)現(xiàn)可靠密封的最小緊固力矩。并對(duì)柔性石墨墊片的壓縮力學(xué)特性、外部壓力和交變溫度作用下的密封特性及其在某型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用展開了實(shí)驗(yàn)研究。

1 柔性石墨墊片密封的緊固力矩計(jì)算

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管高溫密封結(jié)構(gòu)如圖3所示。利用噴管擴(kuò)張段處的螺紋緊固力對(duì)柔性石墨墊片施加一軸向的壓力Py，柔性石墨墊片在軸向壓力Py的作用下發(fā)生徑向變形，從而與喉襯組件緊密貼合在一起，起到密封作用。該處噴管結(jié)構(gòu)的密封機(jī)理和填料密封類似[9]，對(duì)于密封介質(zhì)壓強(qiáng)為P的高溫高壓燃?xì)?，?dāng)密封腔底部的徑向壓緊力Ph大于或等于介質(zhì)的壓力，即Ph≥P時(shí)，可以保證結(jié)構(gòu)可靠密封。

圖3 柔性石墨墊片受力示意圖

參考填料的密封機(jī)理，可知該處石墨密封墊片對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯組件的壓緊力沿軸向成指數(shù)分布[10-12]，如圖3所示，即：

可得到螺紋緊固力的最小值為：

(3)

式中：ξ為填料壓力側(cè)傳系數(shù)，一般取ξ=0.5；P為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓強(qiáng)；μ1為柔性石墨的摩擦系數(shù)，一般取μ1=0.15；h為柔性石墨的厚度；d′為柔性石墨墊片的內(nèi)外半徑之差，d′=(D-d)/2。

在實(shí)際的應(yīng)用中，一般通過(guò)力矩扳手來(lái)控制柔性石墨密封墊片的壓緊程度。因此，需要將螺紋的軸向壓力換成螺紋的緊固力矩。當(dāng)噴管擴(kuò)張段螺紋擰緊時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)殼體對(duì)擴(kuò)張段螺紋的摩擦力矩為：

柔性石墨墊片與金屬接觸后的端面摩擦力矩為：

式中：d2為螺紋中徑；λ為螺紋升角；s′為螺距；ρ′為當(dāng)量摩擦角；μ2為柔性石墨與喉襯組件之間的摩擦系數(shù)，一般μ2=0.15；A為柔性石墨墊片的端面積，A=π(D2-d2)/4。

故螺紋的緊固力矩為：

將式(3)代入式(7)中可得螺紋的最小緊固力矩為：

(8)

根據(jù)式(8)即可估算出噴管擴(kuò)張段螺紋的最小緊固力矩，確保噴管結(jié)構(gòu)的密封。該噴管密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng)為12 MPa，柔性石墨墊片的厚度h=2.6 mm，外徑D=23 mm，內(nèi)徑d=19.6 mm，則柔性石墨墊片的端面積A=113.75 mm2，噴管擴(kuò)張段螺紋為M25×1.25 mm，中徑d2=24.026 mm，螺距s′=1.5 mm，螺紋當(dāng)量摩擦角ρ′=9.8°。

螺紋升角為：

λ=arctan(s′/(πd2))=1.14°

將上述各參數(shù)代入式(8)中，可得該噴管擴(kuò)張段螺紋的最小緊固力矩Mmin=13.5 N·m。

2 柔性石墨密封墊片的性能試驗(yàn)研究

2.1 壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)

試驗(yàn)用的柔性石墨密封墊片如圖4所示。其性能參數(shù)如表1所示。

表1 柔性石墨墊片的材料性能參數(shù)

為了研究柔性石墨墊片的壓縮量隨緊固力矩的變化關(guān)系[13-14]，對(duì)柔性石墨墊片進(jìn)行了壓縮性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 柔性石墨墊片的壓縮性能試驗(yàn)結(jié)果

為提高發(fā)動(dòng)機(jī)噴管處高溫密封的可靠性，取噴管連接處的安全系數(shù)為1.5，即緊固力矩值為1.5Mmin≈21 N·m。

2.2 密封性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證噴管擴(kuò)張段螺紋最小緊固力矩的正確性，根據(jù)實(shí)際的噴管密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了試驗(yàn)工裝，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)柔性石墨墊片的密封性能進(jìn)行研究，如圖5所示。

圖5 柔性石墨墊片的密封性能試驗(yàn)工裝

本次氣密性試驗(yàn)采用的是自動(dòng)水壓/氣壓爆破試驗(yàn)機(jī)，出于試驗(yàn)安全性考慮，首先采用液壓介質(zhì)，試驗(yàn)的入口壓力由5 MPa逐漸增至12 MPa，升壓速率設(shè)置為0.5 MPa/s，保壓時(shí)間設(shè)置為20 s，柔性石墨墊片的緊固力矩分別設(shè)置為10 N·m、 14 N·m和21 N·m，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證柔性石墨墊片的密封性能，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 柔性石墨墊片的液壓密封性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程如圖6所示，根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，柔性石墨墊片在10 N·m的緊固力矩作用下不能起到密封作用，而在14 N·m以上的緊固力矩作用下能夠承受12 MPa的壓力，說(shuō)明了柔性石墨最小緊固力矩理論計(jì)算結(jié)果的正確性。

圖6 不同條件下工裝密封性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3 在高、低溫貯存條件下密封性能試驗(yàn)

由于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)貯存溫度條件多變，這就要求柔性石墨墊片在經(jīng)歷不同的高、低溫貯存條件下都能保證密封。為此，需要對(duì)柔性石墨墊片在高低溫交變貯存條件下的密封性能進(jìn)行研究。

將柔性石墨墊片按緊固力矩21 N·m進(jìn)行裝配。將裝配好的3個(gè)狀態(tài)一致的試驗(yàn)工裝放入溫濕度調(diào)節(jié)控制箱內(nèi)進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)。本次高低溫交變?cè)囼?yàn)條件為：高溫+60 ℃，低溫-40 ℃，一個(gè)溫度循環(huán)時(shí)間歷程為320 min，共進(jìn)行3次循環(huán)，其溫度交變變化曲線如圖7所示。

圖7 柔性石墨墊片高低溫交變?cè)囼?yàn)溫度曲線

將經(jīng)過(guò)高低溫循環(huán)試驗(yàn)的3個(gè)試驗(yàn)工裝進(jìn)行氣密性能試驗(yàn)，壓力介質(zhì)采用壓縮空氣，試驗(yàn)過(guò)程與前述一致。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。3個(gè)試驗(yàn)工裝均通過(guò)氣密性試驗(yàn)考核，表明柔性石墨墊片在高、低溫交變條件下，密封穩(wěn)定可靠。

圖8 不同氣體壓強(qiáng)下工裝密封性能試驗(yàn)

3 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車與飛行試驗(yàn)驗(yàn)證

在完成上述性能試驗(yàn)的情況下，通過(guò)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車試驗(yàn)對(duì)柔性石墨墊片在高溫、高壓、高速氣流環(huán)境下的密封可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)使用柔性石墨墊片的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行地面熱試車和飛行試驗(yàn)，噴管結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中密封正常，推力曲線平穩(wěn)，如圖9所示。將試車后的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解后發(fā)現(xiàn)柔性石墨墊片密封結(jié)構(gòu)完整，僅僅只是局部發(fā)生氧化；發(fā)動(dòng)機(jī)噴管結(jié)構(gòu)完整，噴管處的螺紋清晰可見。試驗(yàn)結(jié)果表明柔性石墨墊片高溫密封性能能夠滿足固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫密封。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車推力曲線(試驗(yàn)溫度20 ℃)

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)柔性石墨墊片的密封性能進(jìn)行研究，證明柔性石墨墊片的密封可靠性。通過(guò)某型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面熱試車和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了柔性石墨墊片在高溫高壓工況下的密封可靠性，解決了某型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中的高溫密封問(wèn)題。為后續(xù)同類產(chǎn)品的研制以及工程上的高溫密封問(wèn)題提供了參考與借鑒。