高热阻的密封舱管路穿舱法兰及加工方法与流程

本发明属于航天器总装结构设计领域，具体涉及航天器密封舱舱体的管路穿舱法兰。

背景技术：

穿舱法兰是实现航天器密封舱体内外管路连接的主要形式，对于管路系统复杂的航天器，其使用的管路穿舱法兰能够多达几十个。穿舱法兰的密封性能对密封舱体内介质的保压及泄漏造成具有至关重要的作用，对于没有供气保压功能的自密封航天器，密封舱体内的气体介质泄漏，将直接影响舱内的压力及热控环境，造成舱内所搭载试验载荷的失效；对于具有供气保压的航天器，穿舱法兰造成的介质泄漏，将造成供气系统所携带的大量气体流失，舱压供应不足，若密封舱内为有人员参与的航天活动，会对航天员的生命造成威胁；航天器在轨运行处于向阳侧和背阳侧时，其舱体结构会存在很大的温差，能否延缓舱体结构的高低温效应传递至管路系统与穿舱法兰的热传导特性具有直接的关系，管路系统内流通的多为液体工质，若舱体结构的低温在管路热控还未发挥作用时，已经沿穿舱法兰迅速传递至管路，则过低的温度会造成液体的局部凝固而堵塞管路，截断整个管路系统的流通，若管路内流经的是推进剂，则会造成航天器动力系统的失效。

综上所述，航天器密封舱体管路穿舱法兰不仅需要具有高度的密封性能，且需要具备高热阻特性。穿舱法兰的高密封性能一般通过如下3种方式保证：(1)选用没有气孔、夹杂和裂纹的高致密性材料；(2)法兰加工过程中对切削、铣削等的控制要求，不允许对材料造成划伤、挤压等二次损伤破坏；(3)穿舱法兰加工完成后，对穿舱管路段和内腔进行正压氦质谱检漏，对焊缝进行真空氦质谱检漏。航天器总装设计中对提高法兰的高热阻特性主要采用如下2种措施：(1)在法兰和结构间增加非金属的隔热垫；(2)使用F46板或玻璃钢板等非金属材料加工成没有支撑强度要求的法兰。密封舱体管路穿舱法兰与结构的密封连接采用金属面对接，内嵌O形密封圈的形式，所以为提高穿舱法兰的热阻特性，在法兰与结构间增加非金属的隔热垫，不能满足穿舱法兰与舱体的密封连接；若选用非金属材料的隔热穿舱法兰，除不能满足穿舱管路的支撑强度外，也无法满足法兰能连接的密封性。

目前，在航天器总装设计中，密封舱管路的穿舱法兰结构设计均采用普通法兰面、两侧伸出一定长度的管路螺接或焊接段的形式，其结构设计简单，既可以满足穿舱管路强度支撑，又能够实现法兰面与舱体结构连接的密封性，但舱体的温度可以近乎没有延迟的通过法兰平面即直接传递至管路，此种结构形式的法兰不具备高热阻特性。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种用于航天器密封舱体管路穿舱的高热阻穿舱法兰及安装方法。

本发明的技术方案是：高热阻的密封舱管路穿舱法兰，它包括：杯状法兰座、导管以及支撑垫圈；

杯状法兰座包括：筒形杯身以及法兰盘；法兰盘的中心设有通孔，杯身的开口端焊接在法兰盘的端面上；法兰盘的端面上还周向的设有与舱体结构连接用的安装孔；

导管一端穿过杯状法兰座中杯身杯底，并进行焊接固定，另一端穿过法兰盘的中心通孔，并通过支撑垫圈填补导管与法兰盘的中心通孔间的空隙；支撑垫圈上周向均布有通气孔。

本发明的另一个技术方案是：高热阻的密封舱管路穿舱法兰的加工方法，包括以下步骤：

A.杯状法兰座的杯身外径设计为法兰盘直径的1/2，杯身高度与法兰盘的直径相等；法兰盘端面圆周均布有4～6个安装孔，用于与舱体结构的密封连接；杯状法兰座的材料与航天器穿舱管路材料相同，在加工成型之前对毛坯料进行探伤，要求所选用的毛坯料内部无夹杂、无气孔，表面无裂纹和压痕，然后采用切削和铣削一体机加成型；

B.按照设定长度截取航天器管路系统的导管，完成探伤和清洗后将导管从杯状法兰座的底部开孔穿过，杯底侧预留的导管长度只需满足管路焊接的最短长度要求即可，穿过杯身的导管长度突出杯口端的底面，突出长度也需满足管路焊接的最短长度要求；选定导管与杯状法兰座的结合位置后，导管周向与杯底采用Ⅱ级焊缝的标准完成焊接，焊缝高度不得高于3mm；

C.杯状法兰座与导管完成焊接固定后，对杯身内腔进行正压氦质谱检漏，充压大小为杯状法兰座在轨承受密封舱内最大压力的2倍，漏率指标不得高于1×10^-6Pa·m³/s；对导管与杯状法兰座的焊缝进行真空氦质谱检漏，漏率指标不得高于1×10^-7Pa·m³/s；

D.支撑垫圈的外侧周向与法兰座的中心通孔间隙配合，并使用Redux 420进行胶接；支撑垫圈中心开有导管间隙配合的通孔；

E.在支撑垫圈端面周向均布开设3个直径为Φ2.5mm的通气孔。

有益效果：1.本发明中对导管设计有辅助用的支撑垫圈，可对余量过长的导管进行固定，导管的自由端长度仅需要满足最短的焊接需求即可，可以有效降低穿舱管路在航天器发射阶段的响应；

2.本发明中的杯状法兰座具有高热阻特性，采用高耸杯身式设计，能够延长航天器舱体结构的热量传递至导管的路径，有效的减缓了热量的传递效能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为图2的A-A向视图。

具体实施方式

实施例1，参见附图：高热阻的密封舱管路穿舱法兰，它包括：杯状法兰座1、导管2以及支撑垫圈3；

杯状法兰座1包括：筒形杯身以及由杯身开口的轴肩形成的法兰座；杯身的外径为法兰座直径的1/2，杯身的高度等于法兰座的直径；法兰座的中心设有通孔，杯身的开口端焊接在法兰座的端面上；法兰座的端面上还周向的设有与舱体结构连接用的安装孔；

导管2一端穿过杯状法兰座1中杯身杯底，并进行焊接固定，另一端穿过法兰座的中心通孔，并通过支撑垫圈3填补导管2与法兰座的中心通孔间的空隙；支撑垫圈3上周向均布有通气孔。

进一步的，支撑垫圈3采用玻璃钢材质，且与导管2之间为间隙配合。

利用本发明与舱体结构采用螺接密封，与星上管路系统焊接，焊接后可与管路系统一同装星，穿舱管路连接点的漏率由原螺接形式的1×10^-6Pa·m³/s降低为焊接1×10^-7Pa·m³/s。

实施例2，高热阻的密封舱管路穿舱法兰的加工方法，包括以下步骤：

A.杯状法兰座1的杯身外径设计为法兰盘直径的1/2，杯身高度与法兰盘的直径相等，或者根据被动热控对热阻的需求进行杯身直径及杯身高度尺寸的设计；法兰盘端面圆周均布有4～6个安装孔，用于与舱体结构的密封连接；杯状法兰座1的材料与航天器穿舱管路材料相同，在加工之前需要对毛坯料进行探伤，要求所选用的毛坯料内部无夹杂、无气孔，表面无裂纹和压痕，采用切削和铣削一体机加成型，加工过程中严格控制刀具的进给量和进给速度，以防对法兰座造成挤压和划伤等二次损伤；

B.按照长度需求截取航天器管路系统的导管2，完成探伤和清洗后将导管2从杯状法兰座1的底部开孔穿过，杯底侧的预留导管2长度只需满足管路焊接的最短长度要求即可，穿过杯身的导管2长度需要突出杯口端的底面，突出长度也需满足管路焊接的最短长度要求，整段焊接导管穿过杯身后约有3/4的长度在杯身侧；选定导管2与杯状法兰座1的结合位置后，导管2周向与杯底采用Ⅱ级焊缝的标准完成焊接，焊缝高度不得高于3mm；

C.杯状法兰座1与导管2完成焊接固定后，对杯身内腔进行正压氦质谱检漏，充压大小为杯状法兰座1在轨承受密封舱内最大压力的2倍，漏率指标不得高于1×10^-6Pa·m³/s；对导管2与杯状法兰座1的焊缝进行真空氦质谱检漏，漏率指标不得高于1×10^-7Pa·m³/s；

D.由于焊接导管穿过杯身后约有3/4的长度置于杯身内腔并处于悬臂状态，为使穿舱管路能够在航天器发射阶段保持稳定，不致因响应过大，造成穿舱法兰密封性能的损坏和管路的泄漏，需要在杯口端设计管路的辅助支撑，且不影响杯状法兰的高热阻特性，故选用非金属的玻璃钢材质制作支撑垫圈3；支撑垫圈3的外侧周向与法兰座的中心通孔间隙配合，并使用Redux 420进行胶接；支撑垫圈3中心开有导管2间隙配合的通孔；

E.支撑垫圈3与杯状法兰座1内侧面及焊接导管2的外表面均为小间隙配合，在杯身内腔形成近乎密封的腔体，航天器发射过程中，随着高度的攀升，压力逐渐降低。航天器在发射前，杯身腔体内密闭约一个大气压的压力，对胶接的支撑垫圈3产生向外的推力，若胶接不牢，支撑垫圈3可能在航天器入轨之前既已脱落，则失去对穿舱管路的辅助支撑作用。为保证杯身腔体内外气流通畅、压力平衡，在支撑垫圈3端面周向均布开设3个直径为Φ2.5mm的通气孔。

高热阻的密封舱管路穿舱法兰的安装方法为：

首先在航天器总装阶段，管路取样焊接之前，先将穿舱法兰完成临时安装，待管路取样完毕后，将穿舱法兰从舱体上拆下，与舱内管路完成焊接，再将舱内管路组件完成总装，然后完成舱外管路与穿舱法兰的焊接，最后将穿舱法兰与舱体结构通过O形密封圈实现密封安装；

然后在管路检漏阶段进行穿舱法兰两端与密封舱体内外管路焊接点的漏率检测，漏率指标不高于1×10^-7Pa·m³/s；在密封舱体检漏阶段，对穿舱法兰安装局部进行氦质谱检漏，局部漏率指标不高于1×10^-4Pa·m³/s。