高温高压燃气工况自防护自润滑磁控动密封机理及特性

Based on the national demand for major projects, this project is aimed at the engineering problems of aging, poor ability to resist high temperature and large oscillating friction torque of O-ring seals in the separation line of the swing nozzle of the existing solid rocket motor, under high-temperature and high-pressure gas conditions. A new magnetic medium sealing method is put forward in high-temperature and high-pressure gas conditions for the first time worldwide. This sealing method is high-pressure resistant, magnetically controllable, self-protecting and self-lubricating, with high academic value and broad application prospects. In this project, the preparation and properties characterization of magnetic medium are studied. A fluid-structure-thermal-magnetic coupling model is established. The structural design and mechanism of the magnetically controlled dynamic sealing are studied. The mechanisms of lubrication, friction and wear and failure of the functional interface during the service process of the magnetically controlled dynamic sealing are studied. The research on the working mechanism and application of the new magnetically controlled dynamic sealing in this project lays a foundation for breaking through the bottleneck technology of the dynamic sealing in the separation line of the swing nozzle of the existing solid rocket motor. It has important theoretical significance and military practical value.

本课题以国家重大工程需求为背景，针对现有固体火箭发动机摆动喷管分离线处O形圈密封在高温高压燃气工况下存在的易老化、耐高温能力差、摆动摩擦力矩大等工程难题，在国内外首次提出了针对高温高压燃气工况的新型磁性介质密封方式。该密封耐压能力强、可磁控，且具有自防护、自润滑能力，有很高的学术和应用价值。本课题拟进行磁性介质制备及性能表征，建立流-固-热-磁多物理场耦合模型，研究磁控动密封结构设计及密封机理，研究磁控动密封使役过程中功能界面润滑、摩擦磨损与失效机理。本项目开展的新型磁控动密封工作机理与应用研究，为突破固体火箭发动机摆动喷管分离线处动密封的“卡脖子”核心技术奠定基础，具有重要的理论指导意义和军事实用价值。

针对现有固体火箭发动机矢量摆动喷管的分离线处O形圈密封在高温高压燃气工况下存在的易老化、耐高温能力差、摆动摩擦力矩大等工程难题，首次提出了一种使用微纳米级的磁性粉体作为密封介质的非接触式磁性密封技术——微纳磁性粉体密封。该密封技术具有自防护自润滑、适应高温高压燃气工况的特点。围绕该新型密封技术，探究了适应高温高压燃气工况自防护自润滑磁控动密封的高性能微纳磁性粉体的制备和改性手段；从仿真和实验两方面对微纳磁性粉体密封的泄漏率进行定量分析和调控，提出了使用高能球磨法搭配固体润滑剂降低微纳磁性粉体密封泄漏率的方法；基于虚功原理和微纳磁性粉体的材料特性，推导得到了微纳磁性粉体密封的理论耐压方程；设计了微纳磁性粉体密封结构，使用有限元方法对磁性粉体密封的磁场分布进行仿真分析，首次提出使用无导数多参数优化算法对极齿结构参数进行优化的方法，讨论了极齿的不同几何参数对耐压能力的影响规律，为磁性粉体密封结构设计和参数选择提供指导；设计并加工了微纳磁性粉体密封试验台，测试了微纳磁性粉体密封在静密封和旋转密封条件下的密封性能，结果表明微纳磁性粉体密封的耐压能力高于现有磁性液体密封，其耐受高温的能力更强，但其密封泄漏率高于磁性液体密封，在旋转密封工况下，微纳磁性粉体密封的泄漏率有明显改善，但耐压能力相比于静密封情况有所下降；开展高温高压燃气工况下的微纳磁性粉体性能实验，结果表明结合矢量摆动喷管的结构优化设计，微纳磁性粉体密封可提高其密封效果，但密封的性能和工作稳定性仍需进一步提升。本项目首次提出了微纳磁性粉体密封技术，并对材料制备和改性、密封耐压能力和泄漏速度等性能进行理论、仿真和实验研究，为这种新型密封技术的深入研究和后续发展奠定了理论基础和实验参考。通过微纳磁性粉体密封技术，某型矢量摆动喷管分离线处的密封性能得到提高，为我国航天器等高端装备的高温高压燃气工况等密封难题提供了新的解决方案。