表面粗糙度对空间应用迷宫密封分子流的影响：传输概率降低与几何优化潜力

《Results in Engineering》：Influence of surface roughness on molecular flow through labyrinth seals for space applications

本研究针对空间机构中润滑剂蒸发损失控制难题，系统分析了表面粗糙度对迷宫密封分子流传输概率(TP)的影响。通过蒙特卡洛模拟发现，表面粗糙度可显著降低分子通量，尤其对窄长密封结构效果显著。研究提出的修正模型为航天密封设计提供了量化依据，有望通过可控表面织构化实现密封性能优化。

　　

在航天工程的精密世界里，每一个微小的部件都承载着确保任务成功的重要使命。其中，迷宫密封作为空间机构的关键部分，扮演着抑制润滑剂蒸发损失和阻止污染物传输的"守门人"角色。然而，长期以来，科学家和工程师们在预测通过这些密封结构的分子流动时，都基于一个过于理想化的假设——表面是完美光滑的。这种简化虽然方便了理论计算，却与现实中的粗糙表面存在显著差距，可能导致密封性能预测出现偏差，进而影响航天器的可靠性和寿命。

近日发表在《Results in Engineering》上的研究，由Josef Pouzar、David Kostal、Lars-G?ran Westerberg、Erik Nyberg、Tomas Polacek、Karel Jurik和Ivan Krupka组成的团队，首次系统性地揭示了表面粗糙度对迷宫密封分子流动的影响机制。这项研究不仅填补了该领域的知识空白，更为优化航天密封设计提供了科学依据。

研究团队采用蒙特卡洛模拟方法，在自由分子流条件下，细致探究了表面粗糙度对油分子传输概率的影响规律。他们系统改变了平均粗糙度(Ra)、通道长度和密封宽度等关键参数，全面评估了这些因素对分子传输的联合影响。

关键技术方法包括：基于蒙特卡卡洛方法的分子流模拟，通过设定不同的表面粗糙度参数(Ra)、几何尺寸参数（通道长度和密封宽度）来系统研究传输概率(TP)的变化规律；建立修正模型来量化表面粗糙度对密封性能的影响；通过油蒸发损失实验对模型进行验证。

表面粗糙度对传输概率的影响机制

研究发现，表面粗糙度显著降低了分子的传输概率和通量，特别是在狭窄且细长的几何结构中，这种效应更为明显。当表面粗糙度增加一个数量级时，可以在保持相同传输概率的前提下，将通道长度缩短或间隙宽度增加约35-40%。这一发现为密封结构的紧凑化设计提供了重要启示。

几何参数的协同效应

研究还揭示了几何特征与表面粗糙度之间存在显著的交互作用。在较小的间隙宽度下，表面粗糙度对传输概率的抑制作用更为突出，而当通道长度增加时，粗糙表面的"捕获"效应更加明显，导致分子传输阻力增大。

修正模型的建立与验证

基于模拟结果，研究团队提出了一个修正模型，该模型能够更准确地预测实际粗糙表面下的分子传输行为。通过与实验测得的油蒸发损失数据进行对比，验证了模型的有效性和实用性，为工程应用提供了可靠的工具。

这项研究的结论部分强调，表面粗糙度是影响迷宫密封性能的关键因素，以往被忽略的这一参数实际上对分子流动有着不可忽视的影响。研究提出的修正模型显著提高了预测精度，为航天密封设计提供了更可靠的理论基础。

讨论部分进一步指出，通过可控表面织构化技术，可以主动利用表面粗糙度的效应来优化密封性能。这意味着工程师们不仅可以通过几何尺寸的设计，还能通过调控表面形貌来实现更高效的密封。这种双重设计自由度为空间机构的小型化、轻量化提供了新的技术路径，同时也有助于提高密封件的制造工艺性。

该研究的创新性在于首次将表面粗糙度参数系统引入迷宫密封的分子流分析中，打破了传统理想光滑表面的假设局限。这不仅对空间应用具有重要意义，也对真空技术、微电子制造等涉及分子流传输的领域具有广泛的参考价值。随着航天技术向更精密、更高效方向发展，这种基于实际表面特性的精确设计方法将发挥越来越重要的作用。