基于PTFE 軟管的尿液收集軟管組件設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

張 榮， 白 燕， 劉 鑫， 于 震， 苑 博， 李海歐

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司， 北京100094）

0 引言

環(huán)控生保系統(tǒng)（ECLSS），是載人航天器最具載人航天特征的一個(gè)重要系統(tǒng)， 是直接關(guān)系到航天員生命安全的不可缺少的保障條件。 它的基本功能是對航天器密閉艙環(huán)境進(jìn)行控制，為航天員提供水、氧、食物等必需物質(zhì)和其它的生活保障[1]。尿液處理是空間站環(huán)控生保系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)之一。 環(huán)控生保系統(tǒng)各個(gè)單機(jī)產(chǎn)品和組件之間通過軟管連接。 其中尿液收集軟管組件用于空間站環(huán)控生保分系統(tǒng)（ECLSS）中的大小便收集子系統(tǒng)，尿液收集的意義在于將空間站中航天員排泄的尿液收集后進(jìn)行處理和凈化， 將尿液中提取水分用于電解水制氧或航天員生活用水，從而實(shí)現(xiàn)空間站用水的回收再利用[2]。

針對空間站環(huán)控生保軟管的特殊工況需求， 本文提出了一種基于聚四氟乙烯（PTFE）軟管的尿液收集軟管組件設(shè)計(jì)方案。

1 尿液收集軟管組件方案設(shè)計(jì)

1.1 尿液收集軟管組件性能要求分析

空間站大小便收集子系統(tǒng)的尿液收集軟管組件，與地面常用軟管組件相比， 其性能要求有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1.1.1 工作介質(zhì)特殊且不便于在軌更換

尿液收集軟管的工作介質(zhì)為航天員尿液、 尿預(yù)處理劑、尿液和尿預(yù)處理劑混合液、含銀離子飲用水、飲用水與尿預(yù)處理劑混合液、空氣等。軟管組件一經(jīng)使用，存在軟管內(nèi)有殘存相應(yīng)工質(zhì)并長期儲(chǔ)存的工況。由于軟管組件應(yīng)用于空間站， 故軟管與內(nèi)部工質(zhì)的相容性需滿足15 年要求。

表1 尿液收集軟管性能指標(biāo)約束

1.1.2 性能指標(biāo)約束復(fù)雜

性能指標(biāo)約束詳見表1。

1.1.3 使用的非金屬管材需要滿足空間站非金屬材料試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)要求

為了保證空間站密封艙有害氣體濃度控制、 防火以及微生物控制，需對艙內(nèi)非金屬材料的阻燃特性、燃燒產(chǎn)物等指標(biāo)進(jìn)行控制。由于尿液收集軟管組件為艙內(nèi)產(chǎn)品，若采用非金屬管材且總重超過0.5kg，則管材必須通過地面狀態(tài)阻燃、燃燒產(chǎn)物試驗(yàn)檢測。

1.2 尿液收集軟管組件設(shè)計(jì)

聚四氟乙烯軟管組件通常由聚四氟乙烯（PTFE）內(nèi)管、不銹鋼絲增強(qiáng)層和金屬接頭（包括螺母、套筒、接頭）等組成[3]。尿液收集軟管采用不銹鋼絲鎧裝聚四氟乙烯軟管的設(shè)計(jì)方案， 具體結(jié)構(gòu)由聚四氟乙烯內(nèi)管、 不銹鋼絲增強(qiáng)層、接頭組件與扣壓套筒組成，如圖1 所示。

圖1 尿液收集軟管產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

1.2.1 內(nèi)管選材

由于尿液收集軟管的工作介質(zhì)具有較強(qiáng)的腐蝕性，主要成分如表2～表4 所示。 管體材料與工質(zhì)直接接觸，因此管材既要滿足較強(qiáng)的抗強(qiáng)酸、抗腐蝕性能，同時(shí)具有長壽命、質(zhì)量輕、彎曲半徑小、氣密性好等優(yōu)良特性。 由于工質(zhì)中含有濃硫酸，常見金屬波紋管管材均不滿足此工況。 通過對可制作軟管的常用非金屬材料的調(diào)研和分析， 聚四氟乙烯（PTFE）滿足尿液收集軟管的使用工況。

表2 尿液主要成分

表3 尿預(yù)處理劑主要成分

表4 排便氣體成分及濃度表

聚四氟乙烯具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，能耐所有強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑，還原劑和各類有機(jī)溶劑的腐蝕；聚四氟乙烯具有寬廣的使用溫度范圍，常壓下可以長期應(yīng)用于-180℃～+250℃的溫度區(qū)域， 在250℃高溫下處理1000h后，其力學(xué)性能變化很小；聚四氟乙烯具有優(yōu)異的耐老化性能和抗輻射性能，不僅在低溫與高溫條件下尺寸穩(wěn)定，而且在潮濕狀態(tài)下不受微生物侵襲， 對各種射線輻射也具有極高的防護(hù)能力[4]。

通過1.1.3 可知，需對聚四氟乙烯（PTFE）管材進(jìn)行空間站非金屬材料試驗(yàn)。

燃燒產(chǎn)物測定結(jié)果為：樣品燃燒產(chǎn)物中CO 的濃度為227ppm，NOX 的濃度為2.5ppm，HF 的濃度為90ppm，未檢出HCl、SO2、HCN 等氣體。

垂直燃燒試驗(yàn)結(jié)果為：平均焰燃時(shí)間0s、平均燒焦長度14mm，沒有滴落物。

水平燃燒試驗(yàn)結(jié)果為：評(píng)價(jià)燃燒速率=0mm/min。

通過對比空間站非金屬材料試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)， 管材滿足空間站對非金屬材料的試驗(yàn)要求。 故選用此聚四氟乙烯（PTFE）管材作為尿液收集軟管的內(nèi)管管材。

1.2.2 不銹鋼絲增強(qiáng)層設(shè)計(jì)

考慮到聚四氟乙烯內(nèi)管材質(zhì)相對較硬， 在遭受過度彎曲時(shí)易發(fā)生“折癟”的風(fēng)險(xiǎn)且不可恢復(fù)，以及為防止外表面磕碰與劃傷影響其壽命等隱患，聚四氟乙烯內(nèi)管通常不能直接作為外管直接使用。 根據(jù)產(chǎn)品承壓能力的不同， 增強(qiáng)層主要可以分為兩種結(jié)構(gòu)：“編織” 結(jié)構(gòu)和 “纏繞+編織”結(jié)構(gòu)，各層結(jié)構(gòu)不銹鋼絲材質(zhì)均相同[5]。 “編織”結(jié)構(gòu)具有固定性好、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于小規(guī)格高壓力等級(jí)或大規(guī)格低壓力等級(jí)的軟管組件。 而“纏繞+編織”結(jié)構(gòu)與內(nèi)管外表面緊貼性好、鋼絲排列均勻的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于高壓力等級(jí)的軟管組件。 因此增強(qiáng)層的設(shè)計(jì)原則是在滿足軟管技術(shù)指標(biāo)的前提下，采用層數(shù)最少、結(jié)構(gòu)最合理的增強(qiáng)層。 考慮到空間站產(chǎn)品的減重需求，尿液收集軟管的不銹鋼增強(qiáng)層采用中低壓軟管中最輕便的編織方式。增強(qiáng)層采用不銹鋼絲編織的方式進(jìn)行，鋼絲增強(qiáng)層結(jié)構(gòu)見圖2，其編織工藝參數(shù)見表5。編織后性能滿足GJB2837 中低壓軟管工作壓力的要求，也完全滿足尿液收集軟管所需的性能要求。

圖2 內(nèi)管結(jié)構(gòu)示意圖

表5 不銹鋼絲增強(qiáng)層編織參數(shù)

1.2.3 金屬連接件設(shè)計(jì)

軟管兩端的金屬連接件與軟管通過零件變形達(dá)到固定連接的效果，即所謂的扣壓[6]。金屬接頭結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。其中扣壓端接口形式選用倒刺式接頭。金屬接頭與軟管連接的扣壓結(jié)構(gòu)主要起到兩方面的作用： 一是防止金屬接頭與軟管管體之間在使用中脫落； 二是保證軟管組件在長期壓力情況下的使用中保持密封， 防止介質(zhì)在接頭與管體連接部位泄漏[7]。通過與工質(zhì)的相容性試驗(yàn)結(jié)果，與工質(zhì)接觸的接頭材料選用鈦合金TA2，外套螺母材料選用TC4。

圖3 柱塞接頭組件結(jié)構(gòu)示意圖

2 尿液收集軟管組件主要驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 性能試驗(yàn)情況

對尿液收集軟管開展所需性能試驗(yàn)， 試驗(yàn)項(xiàng)目及其試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 尿液收集軟管性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 環(huán)境試驗(yàn)情況

依據(jù)空間站產(chǎn)品設(shè)計(jì)和建造規(guī)范， 對尿液收集軟管的鑒定件產(chǎn)品進(jìn)行鑒定級(jí)振動(dòng)、沖擊、加速度、地面貯存與運(yùn)輸溫度及交變濕熱等環(huán)境試驗(yàn)。 其中以振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)為例介紹一下試驗(yàn)過程。 尿液收集軟管的振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)按照X 方向→Y 方向→Z 方向的順序進(jìn)行， 每方向均按照驗(yàn)收級(jí)正弦振動(dòng)（30%）→鑒定級(jí)正弦振動(dòng)→驗(yàn)收級(jí)隨機(jī)振動(dòng)（30%）→鑒定級(jí)隨機(jī)振動(dòng)→沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)順序進(jìn)行應(yīng)力加載。

表7 正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件

表8 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

表9 沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)條件

振動(dòng)共安裝4 個(gè)加速度傳感器 1#、2#、3# 和4#，其中1# 和2#作為控制點(diǎn)位于專用工裝上，3#和4#作為測量點(diǎn)位于軟管產(chǎn)品表面。 試驗(yàn)安裝狀態(tài)如圖4 所示。 沖擊試驗(yàn)共安裝兩個(gè)加速度傳感器1# 和2#， 其中1# 作為控制點(diǎn)位于專用工裝上，2#作為測量點(diǎn)位于軟管產(chǎn)品與工裝連接處。 試驗(yàn)安裝狀態(tài)如圖5 所示。

環(huán)境試驗(yàn)所有項(xiàng)目結(jié)束后軟管漏率均滿足設(shè)計(jì)要求，即尿液收集軟管組件通過鑒定級(jí)環(huán)境試驗(yàn)。

圖4 尿液收集軟管正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)安裝狀態(tài)

圖5 尿液收集軟管正沖擊試驗(yàn)安裝狀態(tài)

圖6 正弦鑒定試驗(yàn)加載的控制、測量記錄曲線

圖7 隨機(jī)鑒定試驗(yàn)加載的控制、測量記錄曲線

圖8 沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)加載的控制記錄曲線

3 結(jié)論

本文提出的基于聚四氟乙烯（PTFE）軟管的尿液收集軟管組件設(shè)計(jì)方案， 通過了性能試驗(yàn)和空間站產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)， 能夠滿足空間站大小便收集子系統(tǒng)對軟管組件的使用需要。 本設(shè)計(jì)方案對空間站及其他長期飛行任務(wù)的載人航天器的環(huán)控生保系統(tǒng)（ECLSS）軟管組件的設(shè)計(jì)具有參考借鑒意義。