一种空间在轨用柔性密封胶钉一体化自感知带压堵漏贴

技术领域

本发明涉及航天器在轨泄漏修复技术领域，尤其涉及一种用于航天器舱体等结构遭受碎片撞击等出现穿透性损伤后进行封堵漏孔，恢复密封的空间在轨用柔性密封胶钉一体化自感知带压堵漏贴。其在空间环境下由于热和紫外辐照的诱导实现胶层固化。

背景技术

在国内，低地球轨道环境下的空间站修补密封等方面的研究工作开展较少，尚无应用成果可借鉴；大多研究石油、天然气管道、带压容器等民用、消防领域的堵漏方法和装置。上海消防研究所提出了一种带压容器堵漏装置发明专利，由堵漏底座、多道密封槽、两侧卡座等多个组成部分实现的；泰州市华鹏消防救护装备有限公司提出了一项实用新型涉及一种双面胶消防水带用堵漏装置，具有与水带接头配合连接的承载体和堵漏组件；中煤平朔集团有限公司开发了一种管道带压快速堵漏器，其中，包括锁紧机构、钢丝绳、堵漏压块、管道；河海大学提出了一种实用新型，公开了一种用于各种运输槽罐、压力容器和管道等发生泄露时应急堵漏的磁压堵漏贴，隔磁套固定于橡胶块中间并与橡胶块连接成一个整体，磁块由碎磁块组成且布满于隔磁套中间腔体中，隔磁套相互接触且沿圆周方向连续排列形成单元磁块。丁洁发明了一种堵漏贴，属于建筑材料技术领域。包括增强层、防护层和离型层，增强层与防护层的一侧表面相结合，离型层结合在防护层的另一侧的表面，所述的增强层为牛皮纸。

在国外，美国NASA制造出了“太空舱外部撞击修补工具”。该套修补工具主要由三部分组成，包括补片、修补工具和堵漏胶，宇航员可以在失压状态下封补太空舱。ConProTec公司的生产的MIXPAC封补装置是一种分配粘合剂的新型技术，堵漏粘合剂将催化剂和树脂采用双筒形式分别加以存储，利用专门的注射器和补片对漏孔进行封补。MIXPAC粘合剂分配系统主要由分配器、双筒和塑性混合器三部分组成。

但现有的航天器堵漏技术中，难以适应不同尺寸的裂缝堵漏，同时面对大漏孔时堵漏难以实现完整堵漏，且传统胶体材料在太空环境下适应性都较差，且无法承压，带压封堵容易将胶贴吸出舱外，且无法防止碎片碰撞后形成的金属翻边的刺破以及凹凸不平的表面，不具备自主固化和粘接情况的判断，长时间使用后，无法自主感知粘接接触是否完好。

发明内容

本发明针对现有堵漏及修复技术难以实现未知形状漏孔的准确完全封堵、太空环境适应性差、无法承压、防割裂性差等问题，提出了一种空间在轨用柔性密封胶钉一体化自感知带压堵漏贴。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

本发明提供一种空间在轨用柔性密封胶钉一体化自感知带压堵漏贴，其特征在于，包括阶梯状柔性胶钉一体支撑层、柔性胶体封堵粘接层、金属防护背衬、环形薄膜压阻式压力敏感器、直流超细加热丝和便携式感知处理模块；其中：

阶梯状柔性胶钉一体支撑层，设置在柔性胶体封堵粘接层中心位置，具有突出柔性胶体封堵粘接层正面的胶钉结构，其他平面部分被柔性胶封堵粘接体材料包裹，用于直接封堵漏孔，起到缩小空洞，支撑堵漏贴的作用；

柔性胶体封堵粘接层，起到粘贴和密封作用，其背面与所述金属防护背衬牢固粘贴，其正面粘贴有所述硅基离型纸；

环形薄膜压阻式压力敏感器和直流超细加热丝设置在所述柔性胶体封堵粘接层中，与所述阶梯状柔性胶钉一体支撑层设置在同一层，且布置在其外侧，环形直径大于支撑层直径，导线从两侧边缘引出，与所述便携式感知处理模块连接；所述环形薄膜压阻式压力敏感器用于在人工将堵漏胶贴通过按压粘贴在被修复的结构壁上时感知到与壁面相互作用的压力，通过压敏元件的电阻压力特性，测量输出电压的变化；与便携式感知处理模块连接，从而感知到环状一圈的压力情况，判断是否完全粘接，完全粘接后，给直流超细加热丝供电，加热柔性胶体封堵粘接层，加速其固化粘贴牢靠。

进一步地，还包括离型纸和密封存储袋，所述离型纸用于保证堵漏胶体粘性，不至于粘在包装袋或者其他地方，所述离型纸中部设置有用于胶钉结构透出的圆形孔，离型纸的尺寸大于2倍的堵漏贴，将离型纸对折，一侧与柔性胶体封堵粘接层粘接，另一侧翻折覆盖金属防护背衬，包裹整个堵漏胶后，储存于密封存储袋内。

进一步地，所述密封存储袋一端封闭，一端开口用于装入堵漏胶贴，且开口端距开口10mm距离的两侧带有有半圆型撕口；当装入堵漏胶后，用热风机直接在距开口端5mm处热封，使开口封闭；当需要进行堵漏时，撕开半圆型撕口，取出堵漏胶贴并揭下离型纸进行堵漏。

进一步地，所述阶梯式胶钉一体支撑层和所述柔性胶体封堵粘接层采用空间级有机硅橡胶树脂材料为基体材料，采用基于乙烯基硅油的热固化机理和甲基丙烯酸酯基的光固化机理，制备了同时含有甲基丙烯酸酯基和乙烯基的有机硅树脂基体以及同时含有甲基丙烯酸酯基和硅氢基团的有机硅树脂交联剂。

进一步地，所述阶梯式胶钉一体支撑层的材料在所述基体材料的基础上，增加了补强填料、阻燃填料，其数均分子量＞40万。

进一步地，所述阶梯式胶钉一体支撑层结构为阶梯状一体化胶片，可适应3mm-20mm的漏孔封堵。

进一步地，所述阶梯式胶钉一体支撑层外表面上涂覆有压敏胶。

进一步地，所述金属防护背衬为0.03mm厚，2A12 O态铝合金，并与舱体内部金属结构颜色一致。

进一步地，还包括测温传感器，与所述便携式感知处理模块配合，控制加热程度。

进一步地，所述便携式感知处理模块包括锂聚合物电池组12.6V，标准电阻10kΩ电桥，电压比较器芯片，1个继电器，1个计时器和STM32单片机，测温电桥；当压力增大使得传感器电阻小于R1时，电压比较器的U1+，高于U1-，则输出高电平，控制继电器导通，将直流电源供给发热导丝，由测温传感器测温，当温度到达120℃，则开始计时，且停止加热，采用PID控制算法，将温度维持在120℃±5℃，当计时达到1h后，继电器断开，则停止供电。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种空间在轨用柔性密封胶钉一体化自感知带压堵漏贴，通过设计带有阶梯状柔性支撑层结构，在面对较大的漏孔时能够通过胶钉、粘接层、防护背衬的组合完整的进行堵漏，能够使胶体适应多种形状尺寸的漏孔，堵漏胶贴采用了空间级的有机硅材料作为主体，通过增加不同的填料，配置出柔性支撑层和粘接层，提高了材料的安全性和空间适应性；增加了热固效应和紫外固化催化材料，实现了空间环境效应下的快速固化。同时在堵漏胶多层结构中的粘接层内嵌环形薄膜压阻式压力敏感器和直流超细发热丝的感知技术手段，使粘贴使用后的堵漏胶贴可自行根据压力判断粘贴状态，粘贴好后，则自动开展加热，加快堵漏胶贴的固化，使粘接牢靠，不脱落。

附图说明

图1为本发明实施例整体结构示意图；

图2为本发明实施例中阶梯式胶钉一体支撑层结构示意图；

图3为本发明实施例使用方法示意图；

图4-图5为本发明实施例堵漏胶贴包装存储示意图；

图中，阶梯状柔性胶钉一体支撑层(1)、柔性胶体封堵粘接层(2)、金属防护背衬(3)、镀铝薄膜包装袋(4)、硅基离型纸(5)、环形薄膜压阻式压力敏感器(6)、直流超细加热丝(7)、微型6针矩形电连接器母头(8)、测温传感器PT100(9)、便携感知处理模块(10)。

具体实施方式

为使本发明技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图对本发明实施例的技术方案进行完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的一种空间在轨用柔性密封胶钉一体化自感知带压堵漏贴采用胶贴的形式，设计阶梯式胶钉一体化的分层结构，包括阶梯状柔性胶钉一体支撑层(1)、柔性胶体封堵粘接层(2)、金属防护背衬(3)、镀铝薄膜包装袋(4)、硅基离型纸(5)、环形薄膜压阻式压力敏感器(6)、直流超细加热丝(7)、微型6针矩形电连接器母头(8)、测温传感器PT100(9)、便携式感知处理模块(10)等组成如图1所示，其中除便携式感知处理模块独立为一体置于堵漏贴外，其他部分组成完整的堵漏胶贴，放置于镀铝薄膜包装袋中存储。而便携式感知处理模块带有四线接口分别可与环形薄膜压阻式压力敏感器(6)、直流超细加热丝(7)的导线连接；其他则如图1所示组成堵漏胶贴，其中阶梯状柔性胶钉一体支撑层(1)用于直接封堵漏孔，起到缩小空洞，支撑胶贴的作用，配置在整个柔性胶体层(2)中心位置，除阶梯状突出的胶钉外其他平面部分被柔性胶封堵粘接体材料包裹，柔性胶体封堵粘接层外面与金属防护背衬牢固粘贴，其里层则与硅基离型纸粘贴，柔性胶体封堵粘接层主要起到粘贴和密封作用；其中环形薄膜压阻式压力敏感器(6)、直流超细加热丝(7)均布置在柔性胶体封堵粘接层(2)中间，与阶梯状柔性胶钉一体支撑层(1)同一层布置，且布置在支撑层的外侧，即环形直径大于支撑层直径，导线从两侧边缘引出，其中在人工将堵漏胶贴通过按压粘贴在被修复的结构壁上时环形薄膜压阻式压力敏感器则感知到与壁面相互作用的压力，通过压敏元件的电阻压力特性，测量输出电压的变化则感知到环状一圈的压力情况，表征完全粘接，帖附完好；输出电压的变化与便携式感知处理模块内的对比电阻电桥，可判断堵漏胶已粘贴完好，继电器打开，直流电源给直流超细加热丝供电，则加热丝加热一圈的粘接层，加速其固化粘贴牢靠。

还包括离型纸、密封存储袋，于未产生漏孔时保证堵漏胶体粘性的离型纸粘贴于柔性胶体封堵粘接层材料上表面，离型纸中部设置有圆形孔，保证无覆盖柔性胶体封堵粘接材料的阶梯式胶钉透出，离型纸尺寸大于2倍的堵漏贴，将离型纸对折，堵漏贴贴于离型纸的一层后，对折的另一侧则翻折覆盖堵漏胶贴的金属防护层一层，包裹整个堵漏胶贴后，储存于密封存储袋内，适应飞行入轨的力学环境，放置胶体材料因力学环境与镀铝薄膜密封袋内壁粘贴而无法拿出。

所述密封存储袋朝向漏孔一侧与锥形软木塞指向一致，且朝向漏孔一侧设置有半圆形撕口，当需要进行堵漏时，撕开半圆形撕口并揭下离型纸进行堵漏。

所述堵漏胶贴的阶梯式胶钉一体支撑层和柔性胶体封堵粘接层采用空间级有机硅橡胶树脂材料为基体材料，采用基于乙烯基硅油的热固化机理和甲基丙烯酸酯基的光固化机理，制备了同时含有甲基丙烯酸酯基和乙烯基的有机硅树脂基体以及同时含有甲基丙烯酸酯基和硅氢基团的有机硅树脂交联剂。

所述阶梯式胶钉一体支撑层使堵漏胶贴在封堵后在内压或者外真空的情况下不出现凹陷或者脱离，并且使堵漏胶贴适合于打击造成破坏翻边的影响。基体层要有很强的支撑作用和密封性作用，这就要求这层的材料要求很高的强度，很好的韧性。其材料在基体材料的基础上增加了补强填料、阻燃填料，具有很高的分子量(数均分子量＞40万)，制成胶片(钉)后的强度很高(抗拉强度＞4MPa，撕裂强度＞10KN/m)，并且有很好的韧性(伸长率＞300％)，同时有较低硬度(邵氏A为30)，对胶贴有很强的支撑作用和很好的密封作用。

所述阶梯式胶钉一体支撑层结构为阶梯状一体化胶片，可适应3mm-20mm的漏孔封堵，其阶梯尺寸如图2所示。

所述阶梯式胶钉一体支撑层外表面上涂覆有压敏胶加强堵漏效果。

所述堵漏胶贴工作环境温度范围为-110～200℃。

所述堵漏胶贴快速热固化和紫外光固化条件为表面辐照光强设置为365nm波长，辐射照度40mW/cm2，光照时间1分钟，热固化120℃/1h。

所述金属防护背衬为0.03mm厚，2A12 O态铝合金，具有很好的柔性和延展性，同时具有金属防辐射的特点，并与舱体内部金属结构颜色一致，保证修复后的美观；同时，起到一定的支撑和定型作用。该防护背衬为半包式结构，是堵漏胶贴具备更好的柔性；

所述堵漏胶贴可封堵各种形状的破损孔洞，可封堵突起高度达16-20mm；

所述堵漏胶贴外轮廓尺寸为直径100mm，厚度5mm±0.5；

所述环形薄膜压阻式压力敏感器部分为阵列式的环形压力敏感器内径为70mm，外径为80mm，输出为两线正负极，为柔性薄膜传感器；其布置阶梯式胶钉一体支撑层的外缘；

所述直流超细发热丝采用12V供电模式，直径为0.2mm，布置两圈，直径分别为85mm，90mm；加热丝的外部带有聚酰亚胺绝缘层；其布置在环形薄膜压阻式压力敏感器外部，输入为两线正负输入；

所述测温电阻采用两线制薄片式铂电阻PT100，其布置在加热丝旁；

所述堵漏胶贴配置一个微型6针矩形电连接器采用两线制薄片式铂电阻PT100，其布置在加热丝旁；

所述便携式感知处理模块主要是包括锂聚合物电池组12.6V，标准电阻10kΩ电桥，电压比较器芯片，1个继电器，1个计时器和STM32单片机，测温电桥；当压力增大使得传感器电阻小于R1是，电压比较器的U1+，高于U1-，则输出高电平，控制继电器导通，将直流电源供给发热导丝，由铂电阻PT100测温传感器测温，当温度到达120℃，则开始计时，且停止加热，采用PID控制算法，将温度维持在120℃±5℃，当计时达到1h后，继电器断开，则停止供电。

所述便携式感知处理模块独立使用，其内置电池，可由220V充电，具有6个外部接口。

所述堵漏胶贴在使用粘贴修复6-12个月后，可使用便携式感知处理模块，连接已粘贴的堵漏胶贴的压力传感器导线，测试压力情况，未发生明显电阻增高的情况，则可判断粘贴周面未出现脱粘，对修复后状态可进行判断。

在一些具体实施例中，参照图1-图2，本发明的堵漏胶贴主要包括堵漏胶贴本体和便携式感知处理模块两个部分。堵漏胶贴本体包括阶梯状柔性胶钉一体支撑层(1)、柔性胶体封堵粘接层(2)、金属防护背衬(3)、镀铝薄膜包装袋(4)、硅基离型纸(5)、环形薄膜压阻式压力敏感器(6)、直流超细加热丝(7)、微型6针矩形电连接器母头(8)、测温传感器PT100(9)；其中金属防护背衬(3)一侧与柔性胶体封堵粘接层(2)相粘接，柔性胶体封堵粘接层(2)中间内嵌阶梯状柔性胶钉一体支撑层(1)，环形薄膜压阻式压力敏感器(6)和直流超细加热丝(7)，柔性胶体封堵粘接层与硅基离型纸(5)粘接，整体放入镀铝薄膜包装袋(4)中存储，包装袋封口用热风机进行封口，封口过程吹入高纯氮气，进行保护。便携式感知处理模块由包括锂聚合物电池组12.6V，标准电阻10kΩ电桥，电压比较器芯片，1个继电器，1个计时器和STM32单片机，测温电桥；当压力增大使得传感器电阻小于R1时，电压比较器的U1+，高于U1-，则输出高电平，控制继电器导通，将直流电源供给发热导丝，由铂电阻PT100测温传感器测温，当温度到达120℃，则开始计时，且停止加热，采用PID控制算法，将温度维持在120℃±5℃，当计时达到1h后，继电器断开，则停止供电。

如图3，使用时，则从预留撕口处将镀铝薄膜包装袋(如图4)撕开，取出堵漏胶贴(如图5)，将线缆插接到便携式感知处理模块接口处，进行初值测试，撕下硅基离型纸，手持胶贴向结构损伤处进行直接贴合，双手按压堵漏胶贴金属背衬，从中心向四周按压，直到接触完好，粘贴牢靠为止，而后将利用便携式感应处理模块测试压力终值，观察环形压力传感器的压力分布，是否与初值均存在较大差异，则证明粘接接触良好，通过电压比较器芯片，当压力增大使得传感器电阻小于R1，电压比较器的U1+，高于U1-，则输出高电平，控制继电器导通，将直流电源供给发热导丝，由铂电阻PT100测温传感器测温，当温度到达120℃，则开始计时，且停止加热，采用PID控制算法，将温度维持在120℃±5℃，当计时达到1h后，继电器断开，则停止供电。点击测试修复后数值，观察数值与终值的变化是否存在差异变化在20％内，则证明固化完好。而后关闭便携式感应处理模块，拔下电连接器，将堵漏胶贴上的电连接器的线缆间断，连接器留存重复使用。

本发明提供的一种空间在轨用柔性密封胶钉一体化自感知带压堵漏贴，通过设计带有阶梯状柔性支撑层结构，在面对较大的漏孔时能够通过胶钉、粘接层、防护背衬的组合完整的进行堵漏，能够使胶体适应多种形状尺寸的漏孔，堵漏胶贴采用了空间级的有机硅材料作为主体，通过增加不同的填料，配置出柔性支撑层和粘接层，提高了材料的安全性和空间适应性；增加了热固效应和紫外固化催化材料，实现了空间环境效应下的快速固化。同时在堵漏胶多层结构中的粘接层内嵌环形薄膜压阻式压力敏感器和直流超细发热丝的感知技术手段，使粘贴使用后的堵漏胶贴可自行根据压力判断粘贴状态，粘贴好后，则自动开展加热，加快堵漏胶贴的固化，使粘接牢靠，不脱落；同时，舱外空间环境的紫外线，也可透过孔洞，固化孔洞周围的粘贴层，提高粘接牢靠性，实现15年的使用寿命；同时，在堵漏修复进行后，可根据需要，每隔6个月，使用便携式感知模块连接环形压力传感器线缆，对环形压力状态进行检测，满足要求则说明粘贴未发生脱粘现象。还采用了镀铝薄膜密封袋和硅基离型纸存储堵漏装置，提升了堵漏装置的长期贮存能力，堵漏效果优秀，具备粘贴效果感知，整体结构简单，贮存方便。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”和“示例”等述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相对的实施例或示例中以合适的方式结合。

必须指出，以上实施例的说明不用于限制而只是用于帮助理解本发明的核心思想，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，对本发明进行的任何改进以及与本产品等同的替代方案，也属于本发明权利要求的保护范围内。