液體火箭發動機薄膜式電加熱器裝配工藝試驗

張華龍，閆明輝，李小剛，楊 華

(西安航天發動機有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

薄膜電加熱器是空間飛行器熱控分系統實施主動加熱控制的器件，廣泛應用于航空航天熱管理領域。電加熱器通過使用不同阻值和尺寸的加熱片，為設備相關部位提供所需熱量，使其運行在一定的溫度條件下，維持其工作性能。某液體火箭發動機存在低溫工作環境，需采用薄膜式電加熱器對發動機上貯箱、氣瓶、推力裝置、管路等關鍵零組件進行加熱，保證發動機能夠正常工作。發動機的電加熱器裝配工藝過程為純手工操作，結構、形式多樣，裝配質量穩定性差，裝配效率低，存在回路斷路、絕緣故障、粘貼膠液厚度不均勻、膠液氣孔較多等問題。筆者通過對薄膜式電加熱器粘貼工藝試驗的研究，總結出適應發動機復雜結構的薄膜電加熱器裝配工藝方法，指導發動機電加熱器的裝配，解決薄膜電加熱器裝配過程中出現的裝配質量不穩定的問題，提高發動機電加熱器裝配質量可靠性。

1 研究內容及要求

某液體火箭發動機的薄膜式電加熱器主要用于推力室、閥門、貯箱、通、氣瓶等部位加熱。根據不同零件外形，電加熱器粘貼形式主要分為圓柱面、平面、球面粘貼3種形式。電加熱器通過GD414硅橡膠粘在產品上，GD414硅橡膠固化機理為通過接觸空氣中微量水分(濕氣)發生縮合反應，在室溫下自行脫醇硫化形成三維網絡結構的彈性體[1]。GD414膠液使用方便，具有優良的耐高低溫性能(可在-60 ℃～200 ℃長期使用)，對多種金屬和非金屬材料有良好的粘接性[2]。薄膜型電加熱器的裝配流程如圖1所示，將電加熱器表面擦拭干凈，在電加熱器上涂抹GD414膠液，將其粘貼至被加熱產品上，用膠帶或線繩等方式綁扎固定，待膠液固化后清理殘余膠液，對粘貼后電加熱器進行檢查測試，保證電加熱器通電加熱正常工作。

圖1 電加熱器的裝配流程圖

硫化硅橡膠GD414膠液存在其特定的固化特性，由于發動機裝配薄膜型電加熱器粘接空間位置、環境條件、粘接面的材料等存在較大的差異，同時為保證粘接固化質量，需進行加壓固定，針對不同的結構，需開展加壓固定方式的研究，針對不同組件(如通、推力室、氣瓶、導管等)的外形尺寸、空間結構和操作方便性等特點，制作不同尺寸、型面的模板工裝，研究適用于不同結構特點的零組件電加熱器粘貼固化方法。

2 工藝試驗及分析

影響電加熱器裝配質量的因素較多，主要有GD414硫化硅橡膠的涂覆厚度及其均勻性、氣孔趕出方法、綁扎固定方法等，因此在薄膜型電加熱器的粘接工藝進行研究時，需開展涂膠厚度對加熱效果影響、氣孔趕出方法、適應發動機結構特點的電加熱器粘貼固化工藝方法三個方面的工藝研究。

根據研究內容，開展薄膜式電加熱器粘接試驗、加熱試驗，記錄試驗數據并進行分析總結。

2.1 制作工裝模板

電加熱器的GD414膠液為手工涂抹，且具有一定的厚度，為保證GD414膠液涂抹均勻性，根據各電加熱器外形，制作了工裝模板，如圖2所示。涂抹GD414膠液時，將電加熱器放置于工裝模板上壓緊，涂抹膠液后用塑料板片將GD414膠液表面平整均勻，再將電加熱器從模板內取出進行粘貼。粘貼固化后厚度均勻，能夠有效排除φ2 mm以上大氣孔。

圖2 電加熱器工裝模板圖

2.2 膠液固化時間試驗

在被粘貼產品金屬表面、牛皮紙、聚酰亞胺薄膜表面(模擬電加熱器表面)上涂GD414硅橡膠對比，檢查膠液固化時間，膠液粘貼情況見表1。

表1 膠液粘貼情況

經過試驗分析，0.5 mm、0.8 mm厚度時， GD414硅橡膠與空氣充分接觸約20 min時，表面開始凝固，30 min后表面已形成凝固層，此時不宜進行粘貼。因此GD414硅橡膠應在涂抹后20 min內進行粘貼，效果最好。0.1 mm厚度時，膠液較薄，能夠與空氣中水分充分接觸，固化更快。

2.3 電加熱器粘貼加熱試驗

根據電加熱器的圓柱面、平面、球面3種粘貼形式，進行電加熱器粘貼工藝試驗。通過工裝模板控制GD414硅橡膠膠液厚度，涂膠后靜置5～15 min，讓膠液充滿電加熱器表面，粘貼時將一端先粘貼平整，依次向前輕壓，邊粘貼邊趕氣孔，可有效避免涂抹膠液時夾雜空氣形成氣孔。

2.3.1 圓柱面電加熱器粘貼試驗

選取發動機上的10 N電磁閥圓柱面，進行粘貼試驗。按涂膠厚度(0.5 mm、0.8 mm、1.0 mm)、膠液靜置時間(5 min、10 min、15 min)、綁扎固定方式(布帶綁扎、3M膠帶、線繩固定方式)選擇不同的工藝參數要求，共粘貼了9件電加熱器，粘貼后目視檢查外觀無氣孔。通過對比，采用線繩固定方式，10 N電磁閥的電加熱器固定牢固，受力均勻，而布帶固定由于產品尺寸小容易造成電加熱器滑動錯位，3 M膠帶固定則在引線處容易起翹。粘貼后，涂膠厚度為選擇0.5 mm和1.0 mm的電加熱器進行加熱試驗，檢查溫度上升速率，試驗情況見表2。

表2 加熱溫度變化記錄表 /℃

經檢查測試，電加熱器正常工作，無短路、斷路現象。0.5 mm和1.0 mm粘貼厚度，通電加熱后溫度-時間曲線變化一致，隨著加熱時間溫度上升，在15 min左右，溫度基本達到平衡。在相同加熱功率下，GD414膠液薄，加熱溫度相對較高，通過加熱溫度對比，0.5 mm厚度GD414的電加熱器溫度比1.0 mm高約2.5 ℃。

2.3.2 平面電加熱器粘貼試驗

選取發動機上的通平面，進行粘貼試驗。綁扎固定方式為3 M膠帶固定方式，按涂膠厚度(0.1 mm、0.5 mm)、膠液靜置時間(5 min、10 min、15 min)選擇不同的工藝參數要求，粘貼6件電加熱器。

粘貼固化后，對電加熱器外觀進行檢查，0.1mm厚度的電加熱器在引線周圍及邊緣存在約10個小氣孔，其余部位無氣孔， 0.5mm厚度的電加熱器外觀目視檢查無氣孔。

選取粘貼厚度0.1 mm和0.5 mm各選取1件撕開后檢查，粘貼厚度0.5 mm的電加熱器在膠液內存在約20個氣孔(氣孔尺寸約為φ0.5 mm)，0.1 mm厚度的電加熱器在引線及邊緣存在約10個小氣孔(氣孔尺寸約為φ0.5 mm)，其余部位無氣孔，如圖3所示。

圖3 平面粘貼后氣孔情況

經粘貼后外觀檢查，膠液厚度太薄，電加熱器膠液厚度越薄，在引線周圍及邊緣存在氣孔，并且氣孔明顯，容易發現。對膠液內部氣孔，撕開電加熱器后檢查，膠液厚度越薄，氣孔尺寸越小，且數量有所減少。但正式電加熱器兩端焊接導線，焊接部位與電加熱聚酰亞胺面有約0.5 mm的凸起，并且導線具有φ3 mm絕緣包覆層。若按0.1 mm粘貼厚度，電加熱器兩端在引線處極易起翹，不利于電加熱器粘貼和固化。

2.3.3 球面電加熱器粘貼試驗

選取發動機上的氣瓶球面，進行粘貼試驗。綁扎固定方式為3 M膠帶固定方式，按涂膠厚度(0.5 mm、0.8 mm、1.0 mm)、膠液靜置時間(5 min、10 min、15 min)選擇不同的工藝參數要求，粘貼了6件電加熱器。粘貼后進行外觀檢查，由于氣瓶為球面，粘貼時，涂膠厚度0.5 mm的電加熱器側邊翹起較嚴重，粘貼后貼合不好，存在間隙。涂膠厚度0.8 mm、1.0 mm粘貼工藝性較好。

2.3.4 正式電加熱器粘貼試驗

由于正式電加熱器兩端焊接導線，焊接部位與電加熱聚酰亞胺面有約0.5 mm的凸起，并且導線具有φ3 mm絕緣包覆層。雖然按0.1 mm涂膠厚度粘貼，氣孔較小，但是電加熱器兩端在引線處極易起翹，不利于電加熱器粘貼和固化，因此，正式產品的電加熱器GD414涂膠粘貼厚度按0.5 mm進行，氣瓶和貯箱為球面結構，GD414涂膠厚度按0.8 mm，固化后在電加熱器引線根部點膠固定。如圖4所示。

對平面粘貼方式電加熱器，按0.5 mm涂膠厚度進行粘貼裝配，固化后進行檢查測試，外觀無氣孔及其他異常，通電加熱檢查30 min以上，無短路、短路等異常，加熱正常。

2.3.5 氣孔影響試驗

人為制造較大的電加熱器粘貼氣孔(氣孔實際尺寸為φ5、φ6)，粘貼在五通上，通電測試，檢查故障情況，并進行分析。將正式電加熱器粘貼在平面通上，GD414膠液厚度0.5 mm，靜置8 min后進行粘貼。共粘貼3件，分別為無氣孔正常產品(1#)，有φ6 mm氣孔1處產品(2#)，有φ5 mm氣孔3處產品(3#)。粘貼后對3件電加熱器進行加熱試驗，檢查溫度上升速率試驗情況見表3。

圖4 電加熱器外形及粘貼示意圖

表3 電加熱器加熱情況表 /℃

經過通電檢查，有氣孔的2#、3#電加熱器處均無短路、斷路等異常情況。2#和3#電加熱器，經連續14 h長時間通電檢查，溫度為穩定，與加熱30 min時溫度相當，電加熱器φ6 mm氣孔處無短路、斷路等異常情況。2#和3#電加熱器累計加熱24 h以上，未見短路、斷路等異常情況。

通過試驗可知，φ6 mm氣孔、φ5 mm氣孔對電加熱器加熱效果無明顯影響，長時間通電加熱，未發現氣孔對電加熱器有短路、短路等異常影響。分析認為發生的電加熱器回路斷路、絕緣故障問題，主要為電加熱器自身電阻絲存在缺陷或電加熱器受外力影響導致加熱線條出現異常，進而導致電加熱器加熱時出現短路、斷路等異常情況，電加熱器粘貼時氣孔對電加熱器加熱性能影響不顯著。

2.4 試驗驗證

通過工藝試驗，明確了粘貼膠液厚度、膠液靜置時間、加固方法，粘貼后膠層內氣孔可控，外觀目視檢查無明顯氣孔。在工藝試驗過程中，檢查發現粘貼后膠液內氣孔無法完全排除，膠液固化過程中，在膠液內部存在氣孔。對電加熱器通電加熱檢查，經多次通電加熱，均未發現電加熱器短路、斷路、變形等異常情況。人為制造φ6 mm氣孔1個，多次通電加熱檢查，累計加熱24 h以上，未發現短路、斷路、變形等異常情況。通過工藝試驗，確定某液體火箭發動機薄膜式電加熱器粘貼工藝要求，對推力室、閥門、貯箱、氣瓶、通等組件均明確了粘貼膠液厚度、膠液靜置時間、加固方法。發動機試驗完成后，對電加熱器進行了分解，對電加熱器的氣孔情況進行了檢查，電加熱器氣孔尺寸和數量均得到了有效控制，氣孔尺寸均不超過φ2 mm，大部分為φ1 mm以下，氣孔總面積遠遠小于進行故障試驗的φ6 mm氣孔。

3 結 語

通過制作專用涂膠模板工裝，對薄膜式電加熱器進行粘貼試驗和加熱試驗，獲得了準確的膠液靜置時間、膠液涂抹厚度、粘貼固定方式等工藝參數和要求，提高了電加熱器粘貼裝配質量，并得出以下結論：

(1) 對薄膜式電加熱器粘貼中涉及的粘貼膠液厚度、膠液靜置時間、加固方法等工藝參數進行了工藝試驗，對薄膜式電加熱器加熱效果、氣孔形成原因和故障機理等均能有效驗證。

(2) 結合產品結構特點，總結出了適應發動機復雜結構的薄膜電加熱器裝配工藝方法，確定了適用于發動機的薄膜式電加熱器粘貼的工藝參數。

(3) 通過明確的工藝參數以及專用的涂膠模板工裝，保證了粘貼膠液厚度均勻，減少了膠液內氣孔尺寸和數量，電加熱器粘貼裝配的一致性和可靠性得到保證，提高了薄膜式電加熱器裝配質量，降低了產品生產的質量風險，大幅提升了發動機薄膜式電加熱器裝配效率。