長線列紅外探測器真空密封結構設計

劉 偉,王 冠,閆 杰,張 磊,李雪梨

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

隨著軍事領域衛星偵察及預警等國防需求的日益提升,長線列紅外探測器組件的研制投入也進一步加大,其發展水平也在迅速提高。此類紅外探測器一般具備大規模視場、集成多譜段、高分辨率、數字化電路處理功能等,可極大提高預警判別、捕捉目標的能力,滿足國防建設需求。

長線列紅外探測器冷箱結構是紅外探測器研制的關鍵部件,其結構設計需采用合理的密封結構,保證冷箱高漏率的腔體可通過抽氣形成真空腔,使傳導、對流、輻射三種熱交換大幅度減小,提高制冷效率,有效地為光敏芯片提供一個潔凈、絕熱的工作空間,為地面驗證的實現及空間宇航工作壽命需求提供保障[1]。

2 探測器密封結構

目前長線列紅外探測器結構采用全金屬結構形式,其常規的密封工藝一般包含激光焊接、真空釬焊、電子束焊和膠粘粘接等。隨著長線列紅外探測器體積的不斷增大,同時考慮地面試驗承制任務及返修安全便捷等研制需求,常規真空密封實現手段已不完全適用,在這個過程中,我們引入了適用于宇航探測器使用的金屬密封及膠圈密封結構并開展了相關試驗驗證工作。

探測器密封結構的設計重點為降低真空漏氣速率和保證其長期可靠性,主要影響因素為氣體滲透漏氣和內部材料放氣,密封結構設計需同時兼顧適應探測器的宇航工作環境,保證工況條件密封結構的可靠性。

探測器的真空密封結構設計有以下考量:

(1)密封材料的甄別,包括熱脹系數匹配、密封介質及環境、抗拉強度、壓縮應力、材料滲透率、抗輻照水平等；

(2)密封結構及密封面的形位公差設計；

(3)密封壓接螺釘的規格及排布；

(4)結構操作簡單方便。

3 金屬密封

有些金屬材料具備一定的彈性,在它受外部擠壓出現形變情況下,會產生反作用填充密封間隙的效果,達到密封的作用。

銦的莫氏硬度只有1.2[2],較好的延展性使其非常有利于真空密封連接,它放氣量小、滲透率低、耐低溫等特點與宇航環境應用需求一致,且超高真空要求的應用結構多選取銦作為密封材料。

表1 銦絲密封設計主要參數

采納銦作為密封材料的真空結構設計(如圖1所示)時,應考慮以下因素:

(1)銦的填充截面積應大于設計密封凹槽的截面積,且標準配合面上銦膜厚度不大于0.05 mm；

(2)實施銦絲密封操作時,選取的銦絲長度滿足重合富余量剛好接縫處理即可,根據密封面尺寸大小銦絲直徑可選取為1～2 mm之間值；

(3)銦絲被壓后容易流動,密封結構需要做成臺階或者凹槽型防止銦絲流入真空腔體,且密封表面粗糙度設計值應小于等于Ra 0.8。

銦絲密封的工藝實施(如圖2所示),使用力矩扳手保證密封面銦膜分布均勻；力矩應達到5 N·m[3],可保證漏率小于3×10-10atmcc/s；密封前,使用丙酮、酒精超聲清洗密封面、螺釘和密封銦材料,吹干后壓封。

圖1 銦絲密封狀態

圖2 銦絲密封結構設計及實物圖

對于銦絲密封結構,也有一些不足,首先,銦絲密封彈性差,只能使用一次；同時這種密封形式對密封面的表面粗糙度和配合精度要求較高,對于密封接觸面的熱膨脹系數也有適配的要求；根據實際的宇航應用工程試驗數據,在密封面直徑在100 mm范圍內的結構,可以選擇銦絲密封,再大尺寸的密封結構,密封面的加工實現難度提高,且由于探測器結構尺寸加大,質量會增大很多,增加了探測器組件安裝固定因相位調整帶來密封面變形造成銦絲密封失效的風險；同時大的探測器組件振動,容易引起壓封預警力不足及壓封面應力釋放引起微小變形造成銦絲密封失效。

4 膠圈密封

在真空密封結構中,最常用材料為膠圈形式(如圖3所示),主要因為它具有高回彈性、不易磨損、較高的抗壓和抗拉強度,密封使用可靠性高,可多次拆卸安裝,方便加工。但缺點是,對比金屬密封,出氣率和滲透率較大,多數不適合應用于航天類高真空結構。

探測器的密封工況主要是靜密封,因探測器內部為高真空,外部常壓,膠圈密封考慮因素主要包括材料溫度范圍、材料滲透率、接觸滲透速率及壓縮率等。

圖3 膠圈密封狀態

探測器的工作溫區在-30～60 ℃范圍,此時,一般氟類及硅類橡膠的溫度均可滿足；材料滲透率,氟類膠圈更低,對空氣為0.88 cm3(STP)cm/cm2·s；在此工作溫區,主要考慮膠圈壓縮率及密封結構設計,應盡可能選取膠圈合適備選材料及其截面結構對應壓縮性能較好作為最終密封方案,這樣可以減小密封間隙高度,從而降低密封面滲透的速率,保證高真空需求的密封結構可靠性。

考慮到銦絲密封缺陷,我們根據部分外文資料,結合上訴一些分析,與國內某研究機構開展了聯合設計,最綜獲得了符合航天應用標準的定制材料,真空揮發、質量損失、可凝揮發物含量小于1 %,紫外輻照總量可實現1.17 kcal/cm2,輻射總劑量0.6 krad[Si],原子氧積分通量5×1024atoms/m2,試驗如圖4所示。

圖4 膠圈拉伸、回彈力及放氣性試驗

我們選用O形橡膠圈進行密封結構設計,O形膠圈的密封結構總漏率影響因素很多:①環境溫度,因為它能影響密封介質的流動性、改變膠圈截面狀態和橡膠材料的彈性模量、泊松比等性能參數,造成接觸應力的變化,從而影響密封結構的總漏率；②密封氣體,分子質量會影響其滲漏或泄露的可能性；③金屬的表面狀態,O形密封結構的泄漏,因周向的不平整可能直接造成內外部的貫通,所以相較于徑向平整度,密封結構對周向平整度要求更高,同時密封結構表面粗糙度本身也會造成直接泄露,使密封效果大打折扣；④密封面單位面積作用力的大小,作用力變大,可減小密封間隙高度,保證密封效果,同時需平衡橡膠的壓縮狀態,過大會加速橡膠的彈性應變向塑性應變的轉變,影響結構的可靠性；⑤密封材料,橡膠材料不同,回填力也不同,性能及在溫度變化的反應也不同；⑥密封裝置內外壓差,它可產生分子流動的勢能,大的壓差將會加速氣體介質的泄漏。

密封結構設計根據真空密封手冊查詢,首先,根據密封直徑確定橡膠圈的規格,如表2；然后根據QJ1035.1-86《O形橡膠密封圈》及QJ1035.2-86《O形橡膠密封圈的選用和密封腔設計規范》選取及設計密封槽的尺寸,在密封槽的設計中,膠圈的壓縮率選取在25 %～35 %,最后在密封槽加工時,對槽底及槽邊緣進行0.3～0.5的圓角處理,保證膠圈的密封可靠性,膠圈一定要經過橡膠硫化處理,保證探測器壽命末期的可靠性要求。

表2 密封直徑與膠圈尺寸表

考慮O形密封膠圈的一些參數,開展了膠圈材料設計選型及密封結構設計,圖5為最終密封結構樣品圖,其真空漏率可實現3×10-10atmcc/s,密封結構真空度可實現1×10-4Pa。

圖5 密封結構樣品

5 螺釘緊固分布與密封結構可靠性

膠圈密封結構,螺釘預緊力及膠圈壓縮回彈力會直接影響密封結構面的接觸力,從而影響密封效果,所以開展以下內容,單獨對真空密封結構的螺釘分布設計進行研究。

對作用密封結構接觸面壓力分布進行分析研究,如圖6所示,力矩扳手施加作用力,螺釘與工件表面接觸,并對工件接觸面添加向下作用壓力Pa,此作用力通過接觸工件向下傳遞并作用于膠圈固定工件表面,通過L長螺紋端向上反向施加反向作用力Pb,并在密封面產生接觸作用力Pc、Pd。

圖6 密封結構接觸面應力分布效果圖

將上述接觸作用力模型結合膠圈應變應力曲線一同帶入建立有限元模型,對螺釘與工件接觸表面的壓強及其分布進行求解。建模并劃分網格,在法蘭與連接座,螺釘頭部與法蘭接觸面,采用接觸單元模擬法蘭與螺釘的接觸行為。據擰緊力矩與預緊力的關系計算出添加力矩,將密封膠圈所在工件下表面做固定約束,進行仿真分析。

根據圖7膠圈回彈力曲線,將膠圈壓縮變形回彈力作用于膠圈密封接觸面,分析螺釘應力分布,如圖8所示,具體可查看每個螺釘應力值,如圖9所示。根據具體螺釘應力值及分布值,可以調整計算螺釘分布是否合理,獲得螺釘分布合理分布密封結構后,再計算螺釘安全系數,如圖10所示,可判斷載荷分布及作用螺釘材料是否合理,如鑄鐵螺釘,安全系數應控制在3及以上,不銹鋼、TC4等螺釘安全系數應控制在2.5及以上。

圖7 膠圈壓縮回彈力試驗曲線

圖8 螺釘應力分布

圖9 具體單個螺釘應力

圖10 螺釘安全系數

6 總結與展望

宇航探測器采用上述方法進行密封結構設計,極大地方便了地面試驗驗證及開展各項組件性能分析判斷,同時可實現漏率優于3×10-10atmcc/s,密封真空度優于1×10-4Pa控溫環境要求,其結構可靠性已通過航天試驗得到驗證。

目前研究密封介質為空氣,結合工況分析,主要定位為靜密封設計,后續將開展銦絲及O形橡膠圈共同作用的冗余密封結構研究,因這種密封結構設計合理的話具有更高的可靠性,為探測器制冷組件提供更好的工作環境,尤其是對冷量需求嚴苛的甚長波組件還是很有實現必要的,相信隨著宇航紅外的進一步推進,冗余密封結構的設計將很快推進實現。