上周四，泰國(guó)東方航空因飛機(jī)引擎故障，而零件需時(shí)才運(yùn)到，要賠償旅客損失之馀，飛機(jī)十日內(nèi)無(wú)法正常運(yùn)作，沒(méi)有收益，還要繳付昂貴的停泊費(fèi)用，可謂損失慘重。若然香港有飛機(jī)零件供應(yīng)商能及時(shí)補(bǔ)上，或許就不會(huì)造成如此大的影響了。在此之前，香港尚未有一間製造商生產(chǎn)飛機(jī)零件，此番司達(dá)行成功獲民航處發(fā)出的零部件製造人批準(zhǔn)書，就填補(bǔ)了香港飛機(jī)零件製造業(yè)的空白。小小的密封圈，意義非凡。

    除上述案例之外，橡膠圈在航天應(yīng)用上也發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

     一個(gè)不起眼的橡膠部件，即一個(gè)有缺陷的O形密封環(huán)設(shè)計(jì)，正是釀成這場(chǎng)太空史上最大慘案的起因。調(diào)查表明，低溫會(huì)導(dǎo)致O形環(huán)喪失彈性，起不到密封作用，進(jìn)而造成高溫氣體泄漏，點(diǎn)燃存儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)的燃料，引發(fā)致命的爆炸。

爆炸現(xiàn)場(chǎng)

    2016年1月28日，在“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)爆炸墜毀30周年之際，美國(guó)肯尼迪航天中心舉行了一場(chǎng)特別的紀(jì)念活動(dòng)。受邀與會(huì)的遇難機(jī)組人員家屬中，有一位叫做朱恩·斯科比·羅杰斯的老太太，雖然她仍對(duì)自己的丈夫和其他6名宇航員（其中一名是中學(xué)女教師）的遇難感到心痛，但已經(jīng)能夠平和地對(duì)待那段不幸的歷史。她說(shuō)：“當(dāng)我再看斯科比的照片時(shí)，我反而有些嫉妒。他還是那么年輕，而我已經(jīng)是曾祖母了。”

    “挑戰(zhàn)者”號(hào)事故是一個(gè)災(zāi)難性范例，也是政治學(xué)戰(zhàn)勝工程學(xué)的一個(gè)縮影。

    場(chǎng)景一：1986年1月27日晚上，莫頓·瑟奧科爾公司和馬歇爾航天中心聯(lián)合召開(kāi)的電視會(huì)議氣氛緊張，幾近形成對(duì)峙。鑒于發(fā)射場(chǎng)的低溫極有可能會(huì)降低火箭推進(jìn)器之間密封裝置中O形環(huán)的密封性能，公司技術(shù)人員一致建議停止發(fā)射“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)。但是，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的一位官員怒氣沖沖地質(zhì)問(wèn)道：“我的上帝，瑟奧科爾，你們希望我們什么時(shí)候發(fā)射？明年愚人節(jié)嗎？”隨即，瑟奧科爾公司高級(jí)副總裁杰拉德·梅森對(duì)副總工程師羅伯特·倫德發(fā)話：“拋開(kāi)（你）工程師的身份，履行（你）管理者的職責(zé)！”

    場(chǎng)景二：1986年1月28日上午，肯尼迪航天中心發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)，瑟奧科爾公司主管O形環(huán)項(xiàng)目的高級(jí)工程師羅杰·博伊斯喬利，與他的同事鮑勃·埃比林極不情愿地看到了“挑戰(zhàn)者”號(hào)點(diǎn)火發(fā)射。當(dāng)飛行器飛離發(fā)射塔時(shí)，埃比林喃喃自語(yǔ)：“我們剛剛躲過(guò)了一顆原子彈！”在接下來(lái)的大約60秒后，埃比林對(duì)博伊斯喬利說(shuō)，他剛做完感激上帝賜予成功發(fā)射的一個(gè)祈禱。過(guò)了僅僅13秒，天空中就呈現(xiàn)出爆炸時(shí)毀滅的恐怖場(chǎng)景。

    場(chǎng)景三：1986年2月的一天，在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)直播的記者招待會(huì)上，“挑戰(zhàn)者”號(hào)事故調(diào)查委員會(huì)成員、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼從密封圈連接件模型中卸下O形環(huán)，用一個(gè)C形鉗夾緊，然后放進(jìn)了一杯冰水里。過(guò)了一會(huì)，費(fèi)曼在眾人注視下把C形鉗拿出來(lái)，高高舉起，一邊松開(kāi)一邊解釋道：“我發(fā)現(xiàn)松開(kāi)鉗子后，橡膠圈并沒(méi)有恢復(fù)原狀。也就是說(shuō)，低溫時(shí)這種材料有好幾秒鐘會(huì)失去彈性。我相信這與我們正在研究的問(wèn)題有很大的關(guān)系。”

    一個(gè)不起眼的橡膠部件，即一個(gè)有缺陷的O形密封環(huán)設(shè)計(jì)，正是釀成這場(chǎng)太空史上最大慘案的起因。調(diào)查表明，低溫會(huì)導(dǎo)致O形環(huán)喪失彈性，起不到密封作用，進(jìn)而造成高溫氣體泄漏，點(diǎn)燃存儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)的燃料，引發(fā)致命的爆炸。這個(gè)“小”問(wèn)題，實(shí)際上在事故發(fā)生之前半年就已經(jīng)引起了工程師們的注意。博伊斯喬利在致倫德的備忘錄中寫道：“我真誠(chéng)地并且心懷恐懼地認(rèn)為，如果我們不立即采取行動(dòng)解決這一問(wèn)題，將安裝接頭放在優(yōu)先解決的位置，我們將面臨飛行失敗并造成重大損失的危險(xiǎn)。”

    延伸閱讀

   一、 揭秘神九天宮對(duì)接密封圈

    在天宮一號(hào)與神舟九號(hào)首次載人交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，景海鵬、劉旺、劉洋3名航天員奔赴“太空之旅”。從中國(guó)航天科技集團(tuán)公司獲悉，神舟九號(hào)飛船艙體密封件負(fù)責(zé)保障航天員的生命安全。由于外太空環(huán)境復(fù)雜，要求密封件在高真空，高低溫交變，紫外輻照、帶電粒子輻照和原子氧等特殊的使用環(huán)境下，不產(chǎn)生降解、老化和龜裂，始終保持可靠的密封性能。由于飛船艙內(nèi)環(huán)境的特殊要求，密封材料還必須具有極低的揮發(fā)性，且無(wú)毒、無(wú)污染。飛船密封件工藝方面必須具有高精度尺寸、高密封性能、高安全性能的“三高”品質(zhì)。

神舟九號(hào)

    在密封件研制過(guò)程中，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院42所歷時(shí)3年研制出特種硅橡膠密封材料，材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、高低溫性能、耐輻照性能、真空性能，符合歐空局及美國(guó)宇航局對(duì)空間材料的篩選標(biāo)準(zhǔn)，在成型工藝上解決了大直徑的復(fù)雜截面及無(wú)接頭大型密封件生產(chǎn)工藝難點(diǎn)，研究成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到國(guó)外同類材料先進(jìn)水平。

    自1999年中國(guó)神舟一號(hào)飛船成功發(fā)射以來(lái)，四院42所承擔(dān)了飛船軌道艙和返回艙所有密封件的研制和生產(chǎn)任務(wù)，一次性檢驗(yàn)合格率均為100%。在“神七”航天員出艙活動(dòng)中，該所承擔(dān)了艙外航天服上所有橡膠件的研制與生產(chǎn)，起到確保航天服氣密性、保障航天員正常壓力環(huán)境和生命安全的重要作用，還要具備防輻射、防紫外線、抗驟冷驟熱等功能。

    從神舟九號(hào)防熱材料體系來(lái)說(shuō)，外表面主要是兩大塊，一個(gè)是返回艙側(cè)壁，一個(gè)是防熱大底。兩大部件外表面熱防護(hù)系統(tǒng)材料是我們所研制的。其中返回艙外表面防熱材料有兩類，一類是中密度玻璃鋼，主要用在側(cè)壁防熱環(huán)，防熱框和艙蓋。還有低密度材料，一個(gè)是0.7g/cm3密度，一個(gè)是0.5g/cm3密度，0.7 g/cm3密度主要用在迎風(fēng)面，0.5g/cm3用在背風(fēng)面。側(cè)壁后面是防熱大底，熱流是比較嚴(yán)重也是比較惡劣的是防熱大底，用的拐角環(huán)是中密度玻璃鋼，大面積也是低密度材料。低密度度材料是玻璃鋼蜂窩控制在金屬殼體上，對(duì)外面起到防護(hù)的作用。

    飛船主要側(cè)重兩個(gè)作用，一個(gè)是在太空運(yùn)行過(guò)程中，要經(jīng)歷正負(fù)100℃高低溫度交變。在返回的過(guò)程中，要扛氣流沖刷，引起結(jié)果是外表面是1000多度，靠外表面防熱材料，厚度大概25毫米左右，起到把外面近2000度的溫度降到艙內(nèi)30度左右的溫度，主要是靠氣流沖刷過(guò)程中外表面的燒蝕帶走熱量，沒(méi)燒蝕原始層起到隔熱的作用，阻止溫度傳到艙內(nèi)，保證航天員在艙內(nèi)的安全。中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院42所研究的材料主要是幾個(gè)部分，一個(gè)是整流罩，保護(hù)有效載核在上升過(guò)程中免收氣流沖刷引起的損傷。第二個(gè)，大的密封件，比如燃料輸送系統(tǒng)，管路的密封。儲(chǔ)存燃料的儲(chǔ)箱的密封。在研制過(guò)程中，對(duì)管路的密封包括箱體密封是最大的難點(diǎn)，保證良好的密封，密封材料就要跟燃料要有很好的相容性，否則燃料接觸密封件會(huì)引起密封圈的腐蝕，密封性能會(huì)下降。中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院42所里研制了兩種新的材料，一個(gè)是用于四氧化二氮，一個(gè)是用于偏二甲肼。

    飛船一方面要耐高溫，一方面要耐低溫，如何使材料又能耐低溫又能耐高溫？

    這是通過(guò)材料的改性，外表面要防熱，同時(shí)里面又加了適應(yīng)環(huán)境溫度比較好的彈性材料，這樣能夠起到在高溫下能夠防熱，低溫下又不至于性能降低，性能降低引起功能的失效，從材料上進(jìn)行一個(gè)改性。包括密封的一些大的密封件。剛才提到天宮一號(hào)跟飛船對(duì)接的部位有一個(gè)大的密封圈，這個(gè)也是我們所研制的，這個(gè)密封圈是非常關(guān)鍵的，既要保證分離能夠分離開(kāi)，同時(shí)保證非常良好的密封，可以想象這個(gè)密封圈不能密封住，航天員在太空情況下會(huì)發(fā)生什么嚴(yán)重的后果，所以密封圈研制也是項(xiàng)目關(guān)鍵的技術(shù)。

    密封圈一方面能夠非常良好的密封性，另一方面又能夠及時(shí)完好的分開(kāi)，這兩個(gè)特性是對(duì)它是矛盾的要求嗎？

    應(yīng)該說(shuō)在某些方面是統(tǒng)一的關(guān)系，既要保證密封性能，又要保證不發(fā)生粘連，密封材料性能上要有它的特殊性，正因?yàn)橛刑厥庑缘囊螅诓牧象w系上我們進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。通過(guò)這一次交匯對(duì)接的情況來(lái)看效果還是非常好的。

   二、 橡膠密封在航空領(lǐng)域的運(yùn)用

飛機(jī)

    航空用特種橡膠密封型材形狀各異，根據(jù)其密封形式，可分為壓縮式密封和充氣式密封兩種。壓縮式橡膠密封帶利用橡膠斷面凸起點(diǎn)和橡膠壓縮時(shí)回彈所產(chǎn)生的應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)密封，主要應(yīng)用在大型客機(jī)等領(lǐng)域。

    優(yōu)點(diǎn)：對(duì)橡膠材料的壓縮回彈性提出很高要求。其密封的斷面結(jié)構(gòu)形式多樣，只與所要求密封的門體有聯(lián)系，而與飛機(jī)的其他機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)度不大，相對(duì)獨(dú)立性強(qiáng)。

    缺點(diǎn)：長(zhǎng)期多次使用后會(huì)受到橡膠材料的老化而引起的應(yīng)力松弛的影響，密封效果會(huì)逐漸變差，同時(shí)在低溫時(shí)會(huì)因?yàn)橄鹉z的低溫回彈性差出現(xiàn)密封泄露的問(wèn)題。

    充氣式橡膠密封帶利用中空全封閉的腔體充滿氣體，通過(guò)氣體產(chǎn)生的膨脹壓力實(shí)現(xiàn)橡膠面與門體的接觸密封，密封斷面主要是中空全封閉的閉合結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用在戰(zhàn)斗機(jī)等領(lǐng)域。

    大型密封艙門與艙口之間的間隙，由于受加工、裝配精度的影響，或受環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生熱脹冷縮變形，致使其需要密封的間隙也不一致，或者說(shuō)是變化的，其變化范圍一般在3mm以上，甚至達(dá)10mm以上，采用普通密封條難以達(dá)到理想的密封效果。在這種情形下，就需要一種能隨密封間隙變化的密封制品。充氣密封就是為了滿足這種需要而研究成功的一種新技術(shù)。

    優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)壓縮式橡膠密封帶，對(duì)材料本身的壓縮性能要求沒(méi)那么高，主要利用充入的氣體壓力來(lái)調(diào)節(jié)密封效果，補(bǔ)充橡膠材料因長(zhǎng)時(shí)間使用產(chǎn)生的應(yīng)力松弛，實(shí)現(xiàn)始終如一的密封效果，也不會(huì)出現(xiàn)在低溫時(shí)因?yàn)橄鹉z的低溫回彈性差出現(xiàn)密封泄露的問(wèn)題，相對(duì)可靠性密封效果高。

    缺點(diǎn)：由于其充氣密封的工作特點(diǎn)，對(duì)于密封帶整體的氣密性有很高的要求，密封帶任何細(xì)小部位的缺陷都會(huì)引起氣體的泄露而導(dǎo)致整體密封效能的下降，嚴(yán)重的甚至引起密封失效的重大事故；與飛機(jī)的其他機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)度很大，維修復(fù)雜。

    型材設(shè)計(jì)

    國(guó)航空用特種橡膠密封型材多數(shù)先進(jìn)企業(yè)已成功推廣應(yīng)用了CAD/CATIA等設(shè)計(jì)軟件。

    新設(shè)計(jì)的密封型材更注重功能性要求，由以前的海綿橡膠密封型材、實(shí)心橡膠密封型材向復(fù)合橡膠密封條轉(zhuǎn)變，涉及多種橡膠復(fù)合密封型材、金屬骨架與多種橡膠復(fù)合密封型材和橡膠與塑料復(fù)合密封型材等。在一些較新的型號(hào)設(shè)計(jì)中，甚至出現(xiàn)了變截面結(jié)構(gòu)的復(fù)合橡膠密封型材、功能性復(fù)合橡膠密封型材新結(jié)構(gòu)形式。

    通過(guò)PROE/CATIA等的引入，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品參數(shù)可直接輸入到數(shù)控加工中心，用于型材模具的設(shè)計(jì)和加工。

    型材成型加工

    航空用特種橡膠密封型材成型加工主要有使用材料廣泛、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成型困難等幾大挑戰(zhàn)。

    航空用特種橡膠密封型材使用的材料包括海綿材質(zhì)、純橡膠材質(zhì)、復(fù)合橡膠材料、金屬橡膠復(fù)合、多種材料復(fù)合等特點(diǎn)。不同材料的收縮特性差異，界面間的結(jié)合力、相容性等問(wèn)題，使多材料的共成型十分困難。

    從航空用特種橡膠密封型材的使用環(huán)境看，往往設(shè)計(jì)出的型材斷面和整體尺寸跨度很大。小到斷面1mm的口蓋密封型材，大的形如登機(jī)門貨艙門密封型材往往能達(dá)到10多米；斷面簡(jiǎn)單的如條形密封型材，復(fù)雜的如變截面密封型材。

    為了生產(chǎn)變截面結(jié)構(gòu)的橡膠密封型材，有企業(yè)引進(jìn)歐洲的專利成型技術(shù)和設(shè)備。其原理主要是送料端和截切端，通過(guò)金屬骨架共同向微機(jī)輸入信號(hào)，由微機(jī)輸出信號(hào)控制口模處的氣缸動(dòng)作，由其運(yùn)動(dòng)多瓣口模走向進(jìn)行變截面的密封條擠出生產(chǎn)。簡(jiǎn)單的變截面也可采用機(jī)械方法或用其他自動(dòng)化控制方法控制多瓣模或切割刀具的動(dòng)作完成變截面型材的擠出成型。

    從航空用特種橡膠密封型材設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)上看，很多型材都是中空全閉合結(jié)構(gòu)，并且復(fù)合有織物材料或者金屬骨架材料，成型十分困難。有企業(yè)通過(guò)采用專利成型技術(shù)，在中空全閉合結(jié)構(gòu)的外層織物實(shí)現(xiàn)了整體包裹織物，織物沒(méi)有接頭和搭接處，密封型材表面光滑、尺寸一致性好。

    型材材質(zhì)

    中國(guó)航空用特種橡膠密封型材所使用的橡膠材料已由以前廣泛使用的丁腈橡膠向硅橡膠、氟硅橡膠、功能性橡膠材料方向轉(zhuǎn)變。

    目前中國(guó)航空用特種橡膠密封型材使用的各類密封型材中以丁腈橡膠與氯丁橡膠并用應(yīng)用最為廣泛。并用橡膠雖然具有良好的強(qiáng)度和優(yōu)秀的耐油性能，但是其不耐陽(yáng)光照射，加工出的橡膠型材在飛行環(huán)境下使用一段時(shí)間后往往出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，型材的使用壽命和使用安全性都大打折扣。

    歐美等國(guó)家新設(shè)計(jì)的各類飛行器多使用硅橡膠作為其航空用特種橡膠密封型材的主體材料。硅橡膠耐溫域性能優(yōu)良、同時(shí)耐天候老化性能也優(yōu)于丁腈橡膠等材料，但是其強(qiáng)度較低，同時(shí)不具備阻燃等要求。為了改善硅橡膠密封型材的強(qiáng)度和耐磨性，其使用時(shí)多和織物材料復(fù)合使用。

    航空器上的大多部件都有耐燃燒的要求，硅橡膠需要在材料配合時(shí)加入各類阻燃劑以使加工的密封型材達(dá)到耐燃燒的要求。過(guò)去廣泛使用的阻燃劑有氫氧化鋁，十溴聯(lián)苯醚等，氫氧化鋁作為后效型阻燃劑，需要很大的填充量才能達(dá)到較好的阻燃效果，會(huì)嚴(yán)重破壞填充材料的機(jī)械性能。十溴聯(lián)苯醚作為含鹵阻燃劑效果優(yōu)良，但是其燃燒時(shí)釋放有毒氣體難以滿足現(xiàn)在的航空業(yè)環(huán)保要求。

    為了滿足各項(xiàng)要求，國(guó)內(nèi)企業(yè)使用復(fù)合材料來(lái)改善硅橡膠型材的阻燃性能，通過(guò)使用新型高效的鉑系阻燃劑來(lái)達(dá)到高效阻燃和環(huán)保的雙重要求。據(jù)文獻(xiàn)介紹，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)研制出新型的反應(yīng)型阻燃劑，只需很少的用量就能通過(guò)燃燒時(shí)的化學(xué)反應(yīng)達(dá)到阻燃的效果。

    針對(duì)航空發(fā)展的需要，新的航空用特種橡膠密封型材甚至要求具有電磁屏蔽、耐超高溫、導(dǎo)熱、抗燒蝕等特殊要求。

    適航要求

    航空用特種橡膠密封型材的使用環(huán)境決定了其與其他橡膠密封型材如汽車用密封型材、設(shè)備用密封型材、航天用密封型材的不同。其對(duì)于安全的高要求和反復(fù)使用的特性決定了航空用特種橡膠密封型材必須滿足適航性的各類要求。

    以往的航空用特種橡膠密封型材從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)和使用過(guò)程都沒(méi)引入適航要求和適航理念。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和人們對(duì)自身認(rèn)知的進(jìn)步，人們對(duì)航空航行的安全性要求不斷提高，適航要求和適航理念被嚴(yán)格要求貫徹于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中。適航性簡(jiǎn)單通俗的說(shuō)就是各類產(chǎn)品必須具備適于航空使用的各項(xiàng)性能要求。以航空用特種橡膠密封型材為例，首先是橡膠密封型材設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)產(chǎn)品功能性設(shè)計(jì)要能滿足實(shí)際的使用環(huán)境，其次是橡膠密封型材生產(chǎn)時(shí)各項(xiàng)工藝設(shè)計(jì)和控制必須有效合理，對(duì)于材料、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品檢測(cè)過(guò)程必須符合各類控制文件的要求，最后生產(chǎn)出的產(chǎn)品進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)必須滿足飛行環(huán)境要求。考慮到飛行器的飛行環(huán)境復(fù)雜性，必須進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)以確保產(chǎn)品能達(dá)到設(shè)計(jì)要求并滿足飛行器實(shí)際使用要求。

    國(guó)外的適航要求和適航理念建立較早。歐美國(guó)家的各類飛行器使用的航空用特種橡膠密封型材都必須獲得適航局的認(rèn)可才能最后裝機(jī)使用，國(guó)內(nèi)的航空用特種橡膠密封型材產(chǎn)品若要出口，也必須經(jīng)過(guò)適航局的各種審查。目前國(guó)內(nèi)一些航空用特種橡膠密封型材生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始引入適航理念，從密封型材的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，到試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照適航局的要求開(kāi)展，確保生產(chǎn)出的產(chǎn)品能滿足適航要求。

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責(zé)任編輯：王元

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