運(yùn)載火箭鉚接艙體防雨密封技術(shù)研究及應(yīng)用

張柳鋒 梁 瑩 王業(yè)偉 方新宇 葉順堅(jiān)

運(yùn)載火箭鉚接艙體防雨密封技術(shù)研究及應(yīng)用

張柳鋒 梁 瑩 王業(yè)偉 方新宇 葉順堅(jiān)

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

針對(duì)某型號(hào)運(yùn)載火箭的防雨密封要求，研究了一種兼顧防雨密封效果和施工周期的防雨密封技術(shù)，主要在鉚釘連接處、螺釘連接處和艙體外表面搭接縫隙處實(shí)施防雨密封措施。將此防雨密封技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際鉚接艙體，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)淋雨試驗(yàn)考核，艙體內(nèi)表面未出現(xiàn)漏雨漏水等情況，驗(yàn)證了此防雨密封工藝的有效性，目前該技術(shù)已應(yīng)用于該運(yùn)載火箭鉚接艙體的生產(chǎn)。

鉚接艙體；防雨密封；涂膠；密封膩?zhàn)訋?/p>

1 引言

運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括推進(jìn)劑貯箱和鉚接艙體[1]，其中鉚接艙體主要包括級(jí)間段、箱間段和尾段等產(chǎn)品，一般由框環(huán)、蒙皮、桁條等零組件通過(guò)鉚接、螺接等形式連接成完整的艙段，圖1為某運(yùn)載火箭級(jí)間段產(chǎn)品。

圖1 某運(yùn)載火箭級(jí)間段

由于普通鉚接艙體的鉚接結(jié)構(gòu)、螺接結(jié)構(gòu)和艙體外表面零件貼合面處存在穿透性的孔隙，當(dāng)艙體外表面處于室外淋雨環(huán)境時(shí)，雨水會(huì)順著孔隙進(jìn)入艙體內(nèi)壁[2]，即鉚接艙體不具備防雨密封功能。

某新型運(yùn)載火箭，采用露天簡(jiǎn)易發(fā)射模式，無(wú)固定封閉發(fā)射塔架，當(dāng)火箭豎于發(fā)射臺(tái)發(fā)射前，準(zhǔn)備工作時(shí)若遇雨雪天氣，則雨水會(huì)順著相關(guān)間隙進(jìn)入艙體內(nèi)部，而火箭艙體內(nèi)部布置有大量精密儀器和設(shè)備，進(jìn)入艙體內(nèi)部的雨水可能導(dǎo)致儀器或設(shè)備線路發(fā)生短路等故障，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致火箭飛行試驗(yàn)任務(wù)的失敗。因此該型運(yùn)載火箭對(duì)其鉚接艙體提出了防雨密封的功能要求。

2 工藝方案的初步確定

為滿足鉚接艙體防雨密封的功能要求，需在鉚釘孔、螺釘孔和艙體外表面零件搭接縫隙處實(shí)現(xiàn)密封。鉚釘孔、螺釘孔常用的密封工藝方法是濕法裝配，即鉚接或螺接時(shí)，在鉚釘或螺釘頭下涂覆密封膠后再鉚接或螺接[3]；艙體外表面零件之間搭接縫隙的密封常用的工藝方法是填角密封，即使用密封膠液填充縫隙。密封使用的膠液是一種物理形態(tài)介于固體與液體之間的不干性膠體，其特征包括：可采用綜合性能優(yōu)良的液態(tài)聚硫橡膠、液態(tài)異丁二烯橡膠、液態(tài)有機(jī)硅產(chǎn)品等材料配制而成；具有不干性的膠體狀特點(diǎn)，在外力作用下容易變形，使縫隙得到充分填充，因而具有優(yōu)良的填充性和密封性；材料自身具有優(yōu)良的耐水穩(wěn)定性、疏水性、防腐蝕性[4]。

涂膠鉚接和涂膠螺接這種工藝方法主要靠手工操作，存在操作復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)等缺點(diǎn)，但密封效果好、可靠性高，目前廣泛應(yīng)用在飛機(jī)密封鉚接上。某新型運(yùn)載火箭為一次性運(yùn)載火箭，其鉚接艙體根據(jù)復(fù)雜程度的不同，鉚釘使用數(shù)量可達(dá)幾千件，螺釘使用數(shù)量相對(duì)較少一般為幾十件。根據(jù)此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，若密封鉚接使用涂膠鉚接的工藝方法，則艙體鉚接周期太長(zhǎng)，明顯不適應(yīng)目前運(yùn)載型號(hào)高密度研制的需求，而粘貼密封膩?zhàn)訋Ш筮M(jìn)行干涉鉚接是一種兼顧密封效果和鉚接效率的密封鉚接工藝。

由此初步確定鉚接艙體防雨密封工藝方案：鉚釘連接處貼合面粘貼密封膩?zhàn)訋нM(jìn)行干涉鉚接密封；螺釘連接處貼合面粘貼密封膩?zhàn)訋В瑫r(shí)螺釘涂覆密封膠進(jìn)行濕法安裝密封；艙體外表面搭接縫隙處涂覆密封膠進(jìn)行填角密封。

3 防雨密封工藝方案

3.1 鉚釘連接處密封工藝

艙體鉚釘連接處，在被連接件貼合面粘貼1601密封膩?zhàn)訋В?601密封膩?zhàn)訋莾擅婊蛞幻嫱坑袑Ｓ媚佔(zhàn)拥?11綿絲斜紋綢[5]，同時(shí)采用干涉密封鉚接方法。干涉密封鉚接是一種過(guò)盈配合鉚接，可采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)鉚釘直接干涉配合鉚接，它與普通鉚接的區(qū)別在于：干涉密封鉚接要求釘與孔在鉚接前的配合間隙較普通鉚接的小，即制孔直徑小[6]。

密封鉚接工藝流程主要包括：清理零組件、預(yù)裝配、制鉚釘孔、分解并清理零組件、貼敷膩?zhàn)訋?、重新裝配零組件、放鉚釘、鉚接、清理[7]。其中，制鉚釘孔工序是關(guān)鍵工序，因?yàn)殂T釘孔直徑是影響鉚接處防雨密封性能的重要參數(shù)之一。鉚釘孔徑過(guò)大，鉚接后鉚釘和1601密封膩?zhàn)硬荒苡行畛溷T釘孔；鉚釘孔徑過(guò)小，鉚接后零件容易產(chǎn)生裂紋影響鉚接質(zhì)量和防雨密封性能。通過(guò)工藝試驗(yàn)，確定密封鉚接工藝，不同鉚釘直徑所需制出的對(duì)應(yīng)鉚釘孔直徑如表1所示。

表1 鉚釘直徑與鉚釘孔直徑對(duì)應(yīng)表 mm

1601密封膩?zhàn)訋У恼迟N需在鉚接孔預(yù)先制好后實(shí)施，鉚釘安裝時(shí)，不得將孔內(nèi)膩?zhàn)訋コ?，需將孔?nèi)膩?zhàn)訋D至鉚釘與被連接件的間隙處，封堵孔隙?？墒褂眉怃J鋼錐刺穿1601膩?zhàn)訋?，再將鉚釘穿過(guò)膩?zhàn)訋Р惭b好后實(shí)施鉚接操作。鉚接時(shí)墩頭必須填滿鉚釘窩且不能歪斜，否則不易達(dá)到所需干涉量，影響防雨密封性能[8]。

3.2 螺釘連接處密封工藝

艙體螺釘連接處，在被連接件貼合面粘貼1601密封膩?zhàn)訋?，同時(shí)采用螺釘涂覆密封膠HM108安裝擰緊，其中密封膠HM108配制比例（重量比）：基膠100，硫化劑10～12[9]。在配膠過(guò)程中，攪拌時(shí)間一般為10min，應(yīng)攪拌至不再出現(xiàn)白色基膠為止；配膠完成后，應(yīng)在4h內(nèi)使用完畢，否則應(yīng)重新配膠；HM108密封劑硫化時(shí)間為24h以上。

密封螺接工藝流程主要包括：清理零組件、預(yù)裝配、制螺釘孔、分解并清理零組件、貼敷膩?zhàn)訋?、重新裝配零組件、清理螺釘、螺釘涂膠、裝配螺釘、清理、硫化。其中，制螺釘孔和螺釘涂膠工序是關(guān)鍵工序，因?yàn)槁葆斂字睆胶吐葆斖磕z量是影響螺接處防雨密封性能的重要參數(shù)之一。螺釘孔徑過(guò)大，螺接后螺釘和1601密封膩?zhàn)?、密封膠HM108不能有效填充螺釘孔；螺釘孔徑過(guò)小，會(huì)增加操作難度。通過(guò)工藝試驗(yàn)，確定密封螺接工藝，不同螺釘直徑所需制出的對(duì)應(yīng)螺釘孔直徑如表2所示。

表2 螺釘直徑與螺釘孔直徑對(duì)應(yīng)表 mm

在螺釘頭下表面使用毛刷等工具涂抹HM108膠液，膠液需均勻布滿螺釘整圈。涂膠量過(guò)少，螺接后密封膠液無(wú)法有效填充螺栓孔；涂膠量過(guò)多，螺接后密封膠液會(huì)大量積聚在螺釘頭附近，造成膠液不易清理，影響表面質(zhì)量。螺釘?shù)耐磕z量應(yīng)保證螺釘與螺釘孔之間形成均勻膠膜，但不應(yīng)使膠液溢出螺釘帽。通過(guò)工藝試驗(yàn)，確定不同螺釘直徑的涂膠量如表3所示。

表3 螺釘直徑與涂膠量對(duì)應(yīng)表

1601密封膩?zhàn)訋У恼迟N需在螺釘孔預(yù)先制好后實(shí)施，螺釘安裝時(shí)，不得將孔內(nèi)膩?zhàn)訋コ鑼⒖變?nèi)膩?zhàn)訋D至螺釘與被連接件的間隙處，封堵孔隙?？墒褂眉怃J鋼錐刺穿1601膩?zhàn)訋?，再將螺釘穿過(guò)膩?zhàn)訋Р惭b好后實(shí)施螺接操作。

3.3 艙體外表面搭接縫隙處密封工藝

鉚接艙體外表面存在蒙皮與蒙皮、蒙皮與端框（圖2）、蒙皮與桁條等搭接縫隙，需對(duì)搭接縫隙進(jìn)行填角密封處理，沿著接縫涂覆，密封劑作為密封墻，以防止雨水從連接處通過(guò)，密封劑可選用密封膠HM108。

圖2 未涂膠的蒙皮與端框搭接縫隙

搭接縫隙密封工藝流程主要包括：清理組件表面、涂膠、清理、硫化。其中涂膠是關(guān)鍵工序，是影響搭接縫隙防雨密封性能的重要參數(shù)之一，填角密封表面膠液應(yīng)平滑、無(wú)氣泡，見(jiàn)圖3，可使用整形工具進(jìn)行整形，密封膠HM108的使用方法同3.2節(jié)。

圖3 已涂膠的蒙皮與蒙皮搭接縫隙

4 鉚接艙體防雨密封驗(yàn)證試驗(yàn)

研制了一件真實(shí)鉚接艙體，在鉚釘孔、螺釘孔和艙體外表面零件搭接縫隙處均實(shí)施了前述的防雨密封措施。為驗(yàn)證防雨密封工藝的有效性，開(kāi)展鉚接艙體淋雨試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)方案

圖4 鉚接艙體淋雨試驗(yàn)

將鉚接艙體置于室外，艙體正航向豎直放置，與火箭發(fā)射前起豎狀態(tài)一致。艙體上端面采取密封的防雨措施，防止雨水直接從艙體上端面進(jìn)入艙體內(nèi)部。艙體下端采用墊塊墊高，放置高度應(yīng)確保試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)品不被水浸泡，同時(shí)方便人員進(jìn)出。淋雨試驗(yàn)在無(wú)自然降水干擾條件下進(jìn)行，采用噴淋裝置模擬降雨條件，采用風(fēng)機(jī)提供模擬吹風(fēng)的條件[10]。通過(guò)對(duì)鉚接艙體進(jìn)行淋雨試驗(yàn)，見(jiàn)圖4，測(cè)試者在艙體內(nèi)部觀察和記錄艙體漏雨和滲水的情況。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

在中雨條件下經(jīng)過(guò)6h淋雨試驗(yàn)后，鉚接艙體試驗(yàn)件內(nèi)表面未出現(xiàn)漏雨漏水等現(xiàn)象，驗(yàn)證了防雨密封工藝的有效性和可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)載火箭鉚接艙體通過(guò)在鉚釘孔、螺釘孔和艙體外表面零件搭接縫隙處實(shí)施防雨密封措施，可以實(shí)現(xiàn)防雨密封功能。鉚接艙體防雨密封工藝包括：鉚釘連接處貼合面粘貼1601密封膩?zhàn)訋нM(jìn)行干涉鉚接密封；螺釘連接處貼合面粘貼1601密封膩?zhàn)訋?，同時(shí)螺釘涂覆密封膠HM108進(jìn)行濕法安裝密封；艙體外表面搭接縫隙處涂覆密封膠HM108進(jìn)行填角密封。使用防雨密封工藝研制的鉚接艙體通過(guò)淋雨試驗(yàn)，艙體內(nèi)表面未出現(xiàn)漏雨漏水等情況。本文研究的鉚接艙體防雨密封技術(shù)兼顧防雨密封效果和施工周期，目前已成功應(yīng)用在某運(yùn)載型號(hào)鉚接艙體的研制中。

目前鉚接艙體防雨密封操作均以手工操作為主，包括鉚接、螺接、膠接等，質(zhì)量不穩(wěn)定因素較多，后續(xù)需在先進(jìn)密封技術(shù)、提高密封工藝的自動(dòng)化水平、提高質(zhì)量穩(wěn)定性等方面深入研究。

1 姚君山，蔡益飛，李程剛. 運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)制造技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù)，2007(10)：36～42

2 葉春利，王世龍，章茂云，等. 基于密封要求的涂膠鉚接裝配工藝研究[J]. 航天制造技術(shù)，2016(1)：25～27

3 徐麗娜，李靈子，李子菲，等. 民用飛機(jī)機(jī)身密封技術(shù)淺析[J]. 航空工程進(jìn)展，2016(3)：382～386

4 陳群志，楊蕊琴，房振乾，等. 飛機(jī)密封防水新技術(shù)研究[J]. 裝備環(huán)境工程，2010(2)：71～74

5 GJB 246—1987 1601密封膩?zhàn)訋S]

6 陳先有，黃俊波. 直升機(jī)密封鉚接技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù)，2018(4)：11

7 孟憲國(guó). 鉚接過(guò)程質(zhì)量控制工藝及生產(chǎn)技術(shù)研究[J]. 工程技術(shù)與應(yīng)用，2019(1)：76～77

8 梁洪濤. 航天產(chǎn)品密封鉚接工藝方法研究[J]. 航天制造技術(shù)，2015(5)：19～22

9 Q/6S 1227—1995 HM108室溫硫化密封劑[S]

10 GJB 150.8A—2009 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第8部分：淋雨試驗(yàn)[S]

Research and Application of Rain Proof Sealing Technology for Riveted Cabin of Launch Vehicle

Zhang Liufeng Liang Ying Wang Yewei Fang Xinyu Ye Shunjian

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

A kind of rain proof sealing technology was studied, which considered both the effect of rain proof sealing and the construction period. The rain proof sealing technology is applied to the actual riveted cabin products. After the rain test, there is no leakage of rain and water on the interior surface of the cabin, which verifies the effectiveness of the rain proof sealing technology. At present, the technology has been applied to the production of riveted cabin of a carrier rocket.

riveted cabin；rainproof seal；rubber coating；sealing putty tape

張柳鋒（1986），工程師，材料科學(xué)與工程專業(yè)；研究方向：運(yùn)載火箭工藝管理。

2020-04-27