柔性石墨在固體發動機高溫密封上的應用研究*

何 君，李 穎，余 瑞，張 路，余 劍，吳 敏，鄧康清

(湖北航天化學技術研究所，湖北襄陽 441003)

0 引言

隨著航天技術和導彈武器裝備的不斷發展，固體火箭推進劑的能量要求越來越高，隨之而來的是發動機熱防護要求也越來越高。某型號固體火箭發動機，由于噴管部位空間有限，噴管熱防護設計余量較小，如圖1所示。在發動機研制初期，發動機推進劑燃燒溫度高達3 200 K以上，發動機噴管密封失效，導致喉部發生穿火，噴管結構被破壞，如圖2所示。經熱試車試驗驗證，發動機工作過程中殼體噴管位置外壁溫度達到1 073 K，O型橡膠密封圈、密封銅墊等傳統的密封手段都無法滿足使用要求。

圖1 某型發動機噴管結構示意圖

圖2 發動機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、自潤滑、抗腐蝕等特性外，還具備獨有的柔軟性、良好的壓縮與回彈特性[1-4]。柔性石墨對密封面結構和密封介質具有很強的適應性，機械性能不隨環境溫度的變化而變化。它的高溫密封性能尤其突出，是一種綜合性能優異的密封材料。文獻[5]針對柔性石墨的密封性能、制造工藝、密封機理等方面進行了研究，指出柔性石墨是一種新型可靠的高溫密封材料。李嵩等[6]對金屬沖齒板增強柔性石墨墊片的密封性能進行了實驗研究，并對其在沖壓發動機上的實驗及應用情況展開了研究。目前，柔性石墨已廣泛應用于石油、化工、核能發電、冶金、航空等高溫密封領域[7-8]，且效果顯著。但是石墨墊片在固體火箭發動機高溫密封上的應用研究較少。文中通過建立柔性石墨墊片的緊固力矩模型計算得到了石墨墊片實現可靠密封的最小緊固力矩。并對柔性石墨墊片的壓縮力學特性、外部壓力和交變溫度作用下的密封特性及其在某型號固體火箭發動機上的應用展開了實驗研究。

1 柔性石墨墊片密封的緊固力矩計算

固體火箭發動機的噴管高溫密封結構如圖3所示。利用噴管擴張段處的螺紋緊固力對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。該處噴管結構的密封機理和填料密封類似[9]，對于密封介質壓強為P的高溫高壓燃氣，當密封腔底部的徑向壓緊力Ph大于或等于介質的壓力，即Ph≥P時，可以保證結構可靠密封。

圖3 柔性石墨墊片受力示意圖

參考填料的密封機理，可知該處石墨密封墊片對發動機喉襯組件的壓緊力沿軸向成指數分布[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為填料壓力側傳系數，一般取ξ=0.5；P為固體火箭發動機的工作壓強；μ1為柔性石墨的摩擦系數，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外半徑之差，d′=(D-d)/2。

在實際的應用中，一般通過力矩扳手來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。當噴管擴張段螺紋擰緊時，發動機殼體對擴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′為當量摩擦角；μ2為柔性石墨與喉襯組件之間的摩擦系數，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)

根據式(8)即可估算出噴管擴張段螺紋的最小緊固力矩，確保噴管結構的密封。該噴管密封結構的設計參數如下：發動機工作壓強為12 MPa，柔性石墨墊片的厚度h=2.6 mm，外徑D=23 mm，內徑d=19.6 mm，則柔性石墨墊片的端面積A=113.75 mm2，噴管擴張段螺紋為M25×1.25 mm，中徑d2=24.026 mm，螺距s′=1.5 mm，螺紋當量摩擦角ρ′=9.8°。

螺紋升角為：

λ=arctan(s′/(πd2))=1.14°

將上述各參數代入式(8)中，可得該噴管擴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研究

2.1 壓縮力學性能試驗

試驗用的柔性石墨密封墊片如圖4所示。其性能參數如表1所示。

表1 柔性石墨墊片的材料性能參數

為了研究柔性石墨墊片的壓縮量隨緊固力矩的變化關系[13-14]，對柔性石墨墊片進行了壓縮性能試驗，試驗結果如表2所示。

表2 柔性石墨墊片的壓縮性能試驗結果

為提高發動機噴管處高溫密封的可靠性，取噴管連接處的安全系數為1.5，即緊固力矩值為1.5Mmin≈21 N·m。

2.2 密封性能試驗

為了驗證噴管擴張段螺紋最小緊固力矩的正確性，根據實際的噴管密封結構設計了試驗工裝，并通過試驗對柔性石墨墊片的密封性能進行研究，如圖5所示。

圖5 柔性石墨墊片的密封性能試驗工裝

本次氣密性試驗采用的是自動水壓/氣壓爆破試驗機，出于試驗安全性考慮，首先采用液壓介質，試驗的入口壓力由5 MPa逐漸增至12 MPa，升壓速率設置為0.5 MPa/s，保壓時間設置為20 s，柔性石墨墊片的緊固力矩分別設置為10 N·m、 14 N·m和21 N·m，通過對比試驗來驗證柔性石墨墊片的密封性能，試驗結果如表3所示。

表3 柔性石墨墊片的液壓密封性能試驗結果

試驗過程如圖6所示，根據上述試驗結果可知，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，說明了柔性石墨最小緊固力矩理論計算結果的正確性。

圖6 不同條件下工裝密封性能試驗結果

2.3 在高、低溫貯存條件下密封性能試驗

由于固體火箭發動機貯存溫度條件多變，這就要求柔性石墨墊片在經歷不同的高、低溫貯存條件下都能保證密封。為此，需要對柔性石墨墊片在高低溫交變貯存條件下的密封性能進行研究。

將柔性石墨墊片按緊固力矩21 N·m進行裝配。將裝配好的3個狀態一致的試驗工裝放入溫濕度調節控制箱內進行溫度循環試驗。本次高低溫交變試驗條件為：高溫+60 ℃，低溫-40 ℃，一個溫度循環時間歷程為320 min，共進行3次循環，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試驗溫度曲線

將經過高低溫循環試驗的3個試驗工裝進行氣密性能試驗，壓力介質采用壓縮空氣，試驗過程與前述一致。試驗結果如圖8所示。3個試驗工裝均通過氣密性試驗考核，表明柔性石墨墊片在高、低溫交變條件下，密封穩定可靠。

圖8 不同氣體壓強下工裝密封性能試驗

3 固體火箭發動機熱試車與飛行試驗驗證

在完成上述性能試驗的情況下，通過固體火箭發動機熱試車試驗對柔性石墨墊片在高溫、高壓、高速氣流環境下的密封可靠性進行驗證。

對使用柔性石墨墊片的發動機進行地面熱試車和飛行試驗，噴管結構在發動機工作過程中密封正常，推力曲線平穩，如圖9所示。將試車后的發動機進行拆解后發現柔性石墨墊片密封結構完整，僅僅只是局部發生氧化；發動機噴管結構完整，噴管處的螺紋清晰可見。試驗結果表明柔性石墨墊片高溫密封性能能夠滿足固體火箭發動機的高溫密封。

圖9 發動機熱試車推力曲線(試驗溫度20 ℃)

4 結論

通過試驗對柔性石墨墊片的密封性能進行研究，證明柔性石墨墊片的密封可靠性。通過某型固體火箭發動機地面熱試車和飛行試驗驗證了柔性石墨墊片在高溫高壓工況下的密封可靠性，解決了某型號固體火箭發動機工作過程中的高溫密封問題。為后續同類產品的研制以及工程上的高溫密封問題提供了參考與借鑒。