航天器新型空间对接密封装置工作机理研究

The low impact docking system is the executive component of new-generation space rendezvous and docking technique that is developing majorly in the spacecraft field of the world, of which the key characteristic is the completely flexible docking. The space docking seal is one of the key components of the low impact docking system, to which many characteristics are required in the space environment, including of low load, low leakage rate, easy docking, easy separation, redundant sealing and repetitive use et al, and these are new challenges for the sealing theory and technique. This project will study the influence regularities of the space environment on sealing materials, of which the evolution mechanics will be discovered. The design method of the novel space docking seal will be studied, and it should have the adaptive ability and broad compressibility range of use. The combination properties of the seal device are studied in the space environment, including of the sealing performances, mechanical properties, and friction and wear behaviors, and the implied regularity and relation that these performances affected by the key factors included in the structure, working condition and operation will be revealed. The common influencing factors of the sealing performance and the mechanical property for the space docking seal will be obtained by the interaction analysis theory, and these are further parameterized and quantified. The optimum design method applied for the space docking seal will be developed, and both the indexes of the sealing performance and the indexes of the mechanical property can be satisfied. Based on the studies mentioned above, the mechanism of the space docking seal can be clarified, which can systematically provide theoretical instructions and experimental data for its development. All these works are very favorable for the sealing theory and the space sealing technique, and have very important theoretical and practical significances.

以完全柔性对接为主要特征的弱撞击对接系统是当今世界航天领域重点发展的新一代空间交会对接技术的执行部件，作为其关键组件之一的对接密封装置要求在太空环境下同时具有低载荷、低漏率、易对接、易分离、冗余密封以及反复使用等特性，对密封理论及技术提出了新挑战。本项目拟开展太空环境对密封材料性能的影响规律研究，揭示其性能演变机理；研究具有工况自适应能力和宽压缩率使用范围的新型空间对接密封装置的设计方法，以及太空环境下其密封性能、力学性能和摩擦磨损特性的综合分析评价方法，揭示结构、工况环境及操作中关键要素对密封装置各项性能影响的内在联系及规律；研究密封装置密封性能和力学性能共同影响因素的关联分析、参数化及量化方法，建立同时满足密封性能指标和力学性能指标的优化设计方法；从而阐明对接密封装置的工作机理，为其研制提供系统的理论指导和实验依据，对丰富密封学理论及促进空间密封技术发展，有着十分重要的理论和现实意义。

以完全柔性对接为主要特征的弱撞击对接系统是新一代空间交会对接技术的主要执行部件，作为其主密封的低冲击对接密封装置对密封理论及技术提出了新挑战。本项目围绕航天器新型低冲击对接密封装置开展了一系列理论、分析、计算和试验研究工作，提出了密封对密封式弹性对接密封装置设计方法、力学性能有限元分析方法、基于多孔介质理论的密封泄漏模型、对接分离粘着分析模型、密封结构优化设计方法等，主要研究工作和结论如下：. （1）新型低冲击空间对接密封装置设计与力学特性研究. 提出了一种密封对密封式弹性对接密封装置设计方法，具有密封载荷小、密封漏率低、可多次重复配合、可长周期配合以及可多次重复使用等特点；提出了密封装置力学性能分析的有限元方法，分别对五种型面密封装置的力学性能进行了比较分析，给出了主密封型面优化设计方案。. （2）基于多孔介质理论的低冲击空间对接密封泄漏模型研究. 在密封面微观形貌特征研究基础上，提出了基于多孔介质理论的密封泄漏模型，搭建了低冲击空间对接密封泄漏测试系统，开展了密封泄漏模型试验研究，验证了其合理性；通过密封性能仿真研究，揭示了密封结构设计参数、工作温度以及密封面压缩水平、压力分布等对密封特性的影响规律与机理。. （3）低冲击对接密封粘着接触数学模型及特性研究. 在JKR理论基础上提出了对接分离粘着分析模型，搭建了低冲击空间对接密封装置对接性能测试系统，试验证明了粘着接触模型的有效性；开展了粘着性能仿真计算分析，揭示了密封结构材料参数、设计参数以及微观形貌特征参数等对粘着特性影响规律。. （4）考虑原子氧影响的空间对接密封性能预测模型研究. 提出了AO影响密封表面形貌特征变化的表征参数，进一步提出了AO影响下的密封性能和粘着性能预测数学模型，通过试验研究证明了数学模型的有效性；利用数学模型仿真分析，揭示了AO环境下密封性能和粘着性能变化规律。. 项目研究为解决新型低冲击对接密封技术难题提供了一套较为完整的解决方案。