胡文參

（貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009）

1 引言

飛行器飛行過程中因燃料燃燒及殼體與大氣摩擦均會產(chǎn)生大量的熱，必須通過內(nèi)部的冷卻通道對其進(jìn)行冷卻保護。冷卻介質(zhì)需在冷卻元件及冷卻源間循環(huán)流通，才能有良好的冷卻性能。尤其是實現(xiàn)艙體內(nèi)外側(cè)相關(guān)元件進(jìn)行冷卻介質(zhì)及電氣信號轉(zhuǎn)接的元器件沒有類似的產(chǎn)品及技術(shù)。

通過圓形氣電混裝耐高溫轉(zhuǎn)接器的設(shè)計與分析，摸清轉(zhuǎn)接器在艙體內(nèi)外側(cè)傳輸冷卻介質(zhì)的過程中密封、耐壓及過濾等功能的實現(xiàn)。同時，解決了小體積元器件經(jīng)受長時間熱流作用后結(jié)構(gòu)保持完整，艙體內(nèi)側(cè)溫度不會因熱流的長時間作用而產(chǎn)生嚴(yán)重溫升，導(dǎo)致艙體內(nèi)側(cè)相關(guān)無法正常工作的隔熱難題。

2 方案設(shè)計

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

1）氣孔通氣面積：有效通氣直徑不小于φ4mm；

2）通氣孔工作壓力：3 MPa；

3）氣孔泄漏率：≤1×10－7Pa.m3／s；

4）低頻沖擊：加速度30 g；

5）高頻沖擊：50 Hz～1 000 Hz：＋9 dB／oct，1 000 Hz～6 000 Hz：3000 g；

6）加速度：加速度30 g；

7）熱流作用：艙外側(cè)端經(jīng)熱流作用后，熱流作用端應(yīng)無機械損傷，非熱流作用端溫度應(yīng)小于260℃。

2.2 方案工作原理

本案連接器工作原理為：轉(zhuǎn)接器法蘭盤板后安裝，電源插座與轉(zhuǎn)接器兩端的電源插頭進(jìn)行對插，并靠其左右兩側(cè)的螺釘進(jìn)行鎖緊，實現(xiàn)艙體內(nèi)外側(cè)的電氣連接。轉(zhuǎn)接器兩端的氣路接口與用戶管路進(jìn)行螺紋連接，并靠保險絲孔進(jìn)行防松，艙外側(cè)端的其中一根氣路通氣液冷卻介質(zhì)，經(jīng)氣路內(nèi)置的過濾網(wǎng)合件進(jìn)行過濾后進(jìn)入艙內(nèi)側(cè)的冷卻機構(gòu)，對冷卻機構(gòu)進(jìn)行冷卻，然后由另一根氣路流出，實現(xiàn)艙體內(nèi)外側(cè)冷卻介質(zhì)與冷卻機構(gòu)的循環(huán)冷卻［1］。示意圖見圖2。

圖2 總體方案示意圖

2.3 方案設(shè)計

2.3.1 轉(zhuǎn)接器設(shè)計

轉(zhuǎn)接器采用法蘭盤板后安裝，由2芯帶螺紋接口的氣路接觸件及分別置于兩端面的電源插頭組成，兩端的電源插頭靠內(nèi)部的轉(zhuǎn)接合件進(jìn)行轉(zhuǎn)接。為了滿足轉(zhuǎn)接器的隔熱要求，外殼材料選用不銹鋼，基座采用陶瓷加工，并在內(nèi)部設(shè)置專用隔熱瓦，以最大限度減小產(chǎn)品兩端的熱傳遞。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.2 電源插頭結(jié)構(gòu)

考慮到高溫?zé)崃鞯淖饔?，普通電源插頭的外殼、基座及灌封膠無法滿足使用需求，需對材料進(jìn)行選擇（表1所示），本項目電源插頭由不銹鋼外殼、陶瓷基座及麻花針合件組成，其中麻花針合件一端為針頭另一端為插孔，灌封膠更改為耐溫更高的高溫環(huán)氧膠。外形尺寸和結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 插頭結(jié)構(gòu)示意圖

表1 電源插頭料耐溫情況對比表

2.3.3 電源插座結(jié)構(gòu)

同電源插頭材料一樣，電源插座由不銹鋼外殼、陶瓷基座、剛性孔及鎖緊螺釘?shù)冉M成，外形尺寸和結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 插座結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.4.1 氣路合件固定夾設(shè)計

氣路插孔合件因內(nèi)置過濾網(wǎng)合件結(jié)構(gòu)，氣路合件只能拆分為兩體式，且要求氣路接頭為M14螺紋接頭，還需設(shè)計有類似螺母的六方體，以方便接頭與氣源管路的連接。加上有安裝孔徑的結(jié)構(gòu)限制，無法采用傳統(tǒng)臺階或螺釘固定的方式固定?？紤]該轉(zhuǎn)接器內(nèi)部較大空間為隔熱層，設(shè)置專用隔熱瓦，同時氣路兩端均為六方凸臺。因此，可設(shè)計外殼與氣路相同的六方，實現(xiàn)對氣路的防轉(zhuǎn)。同時設(shè)計專用固定夾與氣路兩端的六方凸臺配合，并靠外殼及尾端蓋板、螺釘配合實現(xiàn)對氣路的軸向固定。具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 氣路固定結(jié)構(gòu)示意

2.4.2 轉(zhuǎn)接合件設(shè)計

轉(zhuǎn)接器兩端分別設(shè)計電源插頭，實現(xiàn)與艙內(nèi)外測電源插座的連接，且轉(zhuǎn)接器艙外側(cè)會經(jīng)受高溫?zé)崃髯饔茫捎脗鹘y(tǒng)的導(dǎo)線焊接進(jìn)行連接的方式無法承受高溫作用。因此，需設(shè)計專用轉(zhuǎn)接合件來實現(xiàn)。

轉(zhuǎn)接合件由插針合件、轉(zhuǎn)接外殼、基座等零部件組成，接觸件與基座及外殼通過灌封高溫環(huán)氧膠進(jìn)行固定。其中基座考慮耐高溫作用，需采用陶瓷板材料，設(shè)計時考慮了零部件的通用性，轉(zhuǎn)接合件的基座直接借用電源插頭的基座，轉(zhuǎn)接外殼同樣采用不銹鋼材料。結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)接合件結(jié)構(gòu)示意圖

2.4.3 本方案難點結(jié)構(gòu)設(shè)計

本項目產(chǎn)品有艙外側(cè)對接端需承受2800s高溫?zé)崃髯饔?，且作用后另一端溫度不超過260℃，同時結(jié)構(gòu)不損壞的要求。因此，轉(zhuǎn)接器的隔熱功能設(shè)計尤為重要，氣路合件要求承受3MPa高壓，泄漏率≤1×10－7Pa·m3／s，同時氣路內(nèi)部需內(nèi)置過濾網(wǎng)，實現(xiàn)300目的過濾精度，產(chǎn)品氣路合件設(shè)計為產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)。綜上所述，艙外側(cè)耐長時間高溫?zé)崃髟O(shè)計及帶過濾網(wǎng)密封氣路合件為本項目的難點。

2.4.4.1 耐長時間高溫?zé)崃髟O(shè)計

本轉(zhuǎn)接器艙外側(cè)需承受最高60 kW／m2，2800s熱流作用后尾端溫升不超過260℃的使用需求。通過對常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)對比（表2），外殼材料選用耐溫、耐鹽霧性能較好，且傳熱較低的不銹鋼，以滿足后高溫作用后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的完好性，并減少熱流對外殼熱傳導(dǎo)。同時在熱流作用端設(shè)計陶瓷板進(jìn)行熱流遮擋，然后盡可能在外殼內(nèi)部設(shè)計空腔結(jié)構(gòu)，空腔間設(shè)計隔熱性能較好的隔熱瓦（表3）材料，以實現(xiàn)最大限度減少熱流的傳遞。結(jié)構(gòu)如圖8所示。

表2 常用材料導(dǎo)熱系數(shù)表

表3 隔熱瓦性能數(shù)據(jù)表

圖8 內(nèi)部空腔設(shè)計示意

a）溫升分析

本項目產(chǎn)品隔熱防護設(shè)計有陶瓷板及大面積隔熱瓦結(jié)構(gòu)，但是否能滿足如此長時間的高溫?zé)崃髯饔?，需進(jìn)行仿真分析。

b）邊界條件設(shè)置

根據(jù)熱載荷特點及仿真目標(biāo)要求，采用ANSYS Workbench中的瞬態(tài)熱求解器Transient Thermal。

轉(zhuǎn)接器工作環(huán)境為真空環(huán)境，環(huán)境溫度為常溫，因此仿真中對外換熱忽略對流換熱，僅考慮熱流載荷作用和輻射換熱作用，轉(zhuǎn)接器初始溫度及環(huán)境溫度均設(shè)置為25℃，忽略零件間的接觸熱阻。

熱流載荷作用面及其參數(shù)設(shè)置如圖9所示，輻射換熱作用面及其參數(shù)設(shè)置如圖10所示。

圖9 熱流載荷作用面及其參數(shù)設(shè)置

圖10 溫度分析邊界條件設(shè)定

c）仿真結(jié)果查看

根據(jù)仿真結(jié)果，上述表面在仿真過程中的溫度最高點及溫度最低點的溫度變化曲線如圖11所示。由圖11可知，溫度最高點出現(xiàn)最高溫度的時間為2906.4s，此刻熱要求評價表面上的熱分布云圖如圖11所示。

由圖11可知，熱要求評價表面在2906.4s時刻的溫度范圍為222.28℃～245.7℃，均小于260℃，由此得出在熱流載荷等邊界條件下，當(dāng)前設(shè)計能滿足隔熱要求。

圖11 熱要求評價表面熱分布云圖（2906.4s時刻）

2.4.4.2 帶過濾網(wǎng)密封氣路合件設(shè)計

本項目產(chǎn)品氣路合件使用時需通過－40℃～＋80℃的流體工質(zhì)，且最高會有3 MPa高壓作用，同時泄漏率需≤1×10－7Pa·m3／s，并且氣路流入端的內(nèi)部需內(nèi)置過濾網(wǎng)，實現(xiàn)對氣路300目的過濾精度需求。

參考帶氣路成熟產(chǎn)品均使用銀銅焊料進(jìn)行填料高溫焊接實現(xiàn)對接處的密封［3］，本項目的兩段式氣路也采用填料式高溫焊接。但氣路合件靠外殼、蓋板、固定夾等進(jìn)行固定及防轉(zhuǎn)，且為后裝式結(jié)構(gòu)，焊接過程中兩段式氣路的六方必須保證對齊，才能滿足裝配需求。因此，必須在兩段式氣路間設(shè)計定位結(jié)構(gòu)，本項目參考公司常用的凸鍵定位結(jié)構(gòu)，在一端設(shè)計兩個凸臺，另一端設(shè)計相配合的鍵槽，并盡量控制定位及尺寸公差，保證焊接過程中兩端氣路的齊平，并進(jìn)行焊接后3MPa～5MPa的耐壓及泄漏率檢測，保證滿足密封需求［4］。

圖12 氣路合件示意

3 結(jié)論

綜上所述，本文提供了一種圓形氣電混裝耐高溫轉(zhuǎn)接器的設(shè)計方案，通過本文的研究總結(jié)出在帶氣電混裝耐高溫轉(zhuǎn)接器設(shè)計過程中需要注意的關(guān)鍵點及難點如下：

1）耐長時間高溫?zé)崃髟O(shè)計；

2）帶過濾網(wǎng)密封氣路合件設(shè)計。

針對以上問題，總結(jié)出設(shè)計過程中可借鑒的經(jīng)驗如下：

1）針對耐長時間高溫?zé)崃髟O(shè)計應(yīng)首先選擇能滿足使用溫度需求的材料，保證高溫條件下結(jié)構(gòu)的完整性，然后盡可能設(shè)計內(nèi)部空腔，減少熱輻射的傳遞，并最好在空腔內(nèi)填充隔熱材料，以實現(xiàn)對熱輻射的最大限度遮擋，最后對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并對模型進(jìn)行熱仿真分析，確定結(jié)構(gòu)是否滿足隔熱需求的同時找出薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；

2）針對帶過濾網(wǎng)密封氣路合件設(shè)計，應(yīng)盡量減少零件的使用并對裝配工序進(jìn)行簡化，提高結(jié)構(gòu)密封可靠性，對有密封及耐高溫使用需求的環(huán)境，應(yīng)避免使用O型圈進(jìn)行密封，而參考成熟產(chǎn)品采用金屬填料焊接工藝在對接進(jìn)行密封，以滿足密封及耐高溫需求。

通過以上論述，確認(rèn)了圓形氣電混裝耐高溫轉(zhuǎn)接器設(shè)計方案可行性。對其設(shè)計難點：耐長時間高溫?zé)崃髟O(shè)計及帶過濾網(wǎng)密封氣路合件設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)分析，為今后類似產(chǎn)品的開發(fā)提供了設(shè)計參考。