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1、 地外天体固体样品封装技术综述 耿智伟 王名亮 王波 何华东 马动涛 位博宇 赵家岱 牛壮葳 孔宁(1 北京科技大学机械工程学院，北京 100083)(2 兰州空间技术物理研究所，兰州 730000)(3 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(4 天津航天机电设备研究所，天津 300301)对地外天体进行多途径、全方位的探测，是探索地外天体起源、演变的主要方法，能够更加深入地探索地外天体的地质特性和空间环境1。20世纪以来，许多航天大国投入大量的研发经费，并制定了长期地外天体探测的发展规划，同时把地外天体探测作为主要发展的航天技术领域2。对于地外天体采样返回任务，探测器须前往目标天体
2、采集土壤样品并将其封装在特殊的密封容器后返回地球3。自20世纪60年代以来，美国、苏联、日本和欧洲均开展了针对月球、小行星、彗星等地外天体的采样返回活动，采集到了宝贵的地外天体土壤、微粒样品，为人类探索地外天体提供了重要的研究对象4。目前为止，已成功实现或计划实施采样返回任务的典型探测器包括美国的阿波罗号系列、起源号、星尘号、奥里西斯-雷克斯号和毅力号；苏联的月球号系列；日本的隼鸟号系列；欧洲的罗塞塔号、惠核号、马可波罗号以及我国的嫦娥五号等。样品的原始状态与完整性对研究人员进行准确分析至关重要，整个任务过程中需将样品以极高气密性完整地密封在封装容器中，避免出现因密封失效致使微量空气的进入对样
3、品造成污染，降低地外天体样品的科学意义5-6。由于阿波罗号、星尘号以及隼鸟1号的样品容器返回后均出现了不同程度的泄露，导致样品被污染7，不能准确地进行科学分析实验，因此，地外天体采样返回任务中的密封技术已成为地外探测科学发展的焦点。为此，国内外学者提出并应用了多种样品封装技术，主要包括密封技术和封装机构两个方面8。本文基于国内外地外天体样品封装技术相关进展，概述了近30年来国内外的研究成果，对比分析了其技术特点，并提出了我国地外天体样品封装技术的发展方向。1 地外天体固体样品密封技术随着世界各国对月球、火星及其它行星探索技术的飞速发展，对密封材料及高真空密封技术提出更严、更高的要求。高真空密封
4、技术的密封材料主要包括橡胶塑料和金属两种材料由于样品容器和容器盖件不包含其他活动部件，样品容器的密封通常采用静态密封，静态密封分为两大类：预加载方式和熔接密封方式9。预加载方式密封主要包括O形圈密封、金属挤压密封、形状记忆合金密封和复合密封；熔接密封方式主要有爆炸熔接密封和钎焊熔接密封。1.1 预加载密封1.1.1 O形圈密封橡胶塑料材料尤其是性能兼有氟素橡胶及硅橡胶优点的氟硅橡胶与聚四氟乙烯材料，在高真空、高低温、强辐射等环境下能够保持正常工作，目前被广泛应用于各种非载人和载人航天器的结构与机构密封。2003-2010年，日本的隼鸟1号探测器采集丝川小行星地表的岩石样本并返回地球10。如图1
5、所示，在隼鸟1号样品容器的内盖下侧连接两个氟橡胶O形密封圈，通过非火工作动器(NEA)和压缩弹簧提供约1336 N的传递力压紧双O形氟橡胶密封圈，实现样品容器盖与筒体的密封。两个不同直径O形密封圈的设计方式，更好地保证了样品的原始性和完整性。密封要求100 h内容器的内部压力保持在1 Pa以下，但在返回地球后最终漏入约5000 Pa的地面空气。图1 隼鸟1号样品容器截面图Fig.1 Sectional view of sample container of the Hayabusa-12011年，EAS发射了福布斯-土壤号11拟对火卫一实施采样返回任务，但最终发射失败。如图2所示，福布斯-土壤
6、号采用弹簧激励聚四氟乙烯O形圈预加载的静态冗余密封方法，通过在拱形容器内壁上下两个不同直径的密封槽内放置弹簧激励的O形聚四氟乙烯密封圈实现密封系统的冗余设计。样品容器盖需提供40 N的压紧力来实现容器拱顶与容器罐体的压紧密封，密封性能要求大于0.001 mm的流体颗粒或液滴不得逸出或进入样品罐。图2 福布斯-土壤号样品容器截面图Fig.2 Sectional view of sample container of the Phobos-Grunt1999-2006年，美国的星尘号探测器完成了对彗星的采样返回任务12。如图3所示，围绕星尘号样品容器的边缘布置聚四氟乙烯U形密封件，并由不锈钢弹簧卡
7、扣实现加固压紧，使样品容器在整个密封过程中保持6.9103Pa的压差，防止污染物渗透到样品收集器。另外，样品容器盖的中心设有直径为64 mm的排气过滤器，用于在发射上升和地球再入期间平衡样品容器内的压力，同时防止烧蚀产生的隔热产品污染收集到的样品，阻止大于2 mm的颗粒进入样品容器。图3 关闭的星尘号样本容器Fig.3 Closed sample container of the Stardust1.1.2 金属挤压密封金属挤压密封技术所选用的密封材料一般为铝和银铟合金等软金属材料，通过挤压使其发生塑性变形，填充到密封端面的微小沟壑，达到高真空密封的目的。1969-1972年，美国阿波罗号系列
8、探测器多次完成月球采样返回任务13。如图4所示，阿波罗11号、12号探测器在采样返回任务中采用的是以银铟合金的金属作为金属密封面进行挤压密封的技术，在容器的壳体上加工锋利的刀口，盖体上焊接银铟合金，刀口挤压入银铟合金内形成密封。容器罐体上的刀刃和盖子槽口中的银铟合金均用聚四氟乙烯片包裹起来，以防止灰尘的存在影响密封性能。图4 气体分析样品容器Fig.4 Gas analysis sample container2014-2020年，日本的隼鸟2号探测器实施了对小行星1999JU3的采样返回任务14。如图5所示，隼鸟2号探测器的密封方式是在隼鸟1号的基础上将双氟碳O形橡胶圈密封改为铝金属挤压密封
9、。样品容器由A6061铝合金制成，内盖由A1070铝合金制成，减少了样品收集器和容器本身的潜在污染。通过激活NEA来释放2683 N的弹簧张力将曲面内盖压紧到样品容器边缘实现密封，密封性能要求在大气压下100 h可保证内部压力不大于1.33 Pa。图5 隼鸟2号样品容器截面图Fig.5 Sectional view of sample container of the Hayabusa-2针对阿波罗号月球采样返回任务中出现由于月尘粘附导致样品容器密封失效的情况，NASA提出了行星返回样品密封容器方案15。如图6所示，该方案采用刀口挤压铟金属的密封构型，利用聚四氟乙烯材料制作隔离层将软金属铟与外
10、界隔绝开，确保样品不受星尘和碎片的污染影响并且在正常挤压力的作用下，软金属铟作为密封材料发生塑性变形填充盖体上的槽口实现高真空密封。刀刃嵌入软金属铟材料内部，有效地保证了密封性能。图6 行星返回样品容器截面图Fig.6 Sectional view of sample container of the planetary return1.1.3 形状记忆合金密封形状记忆合金是一种新型功能材料，镍钛(Ni-Ti)形状记忆合金具有最佳的形状记忆效率性能，而且形状记忆效应性能稳定，被广泛地应用在航天领域，用于制作高密封件及坚固连接件。2020年7月美国发射毅力号火星探测器，计划实施火星样品的采样返回
11、任务16。毅力号采用翅片记忆合金塞来实现火星样品管的密封。如图7所示，翅片记忆合金塞的主体由镍钛合金制成，镍钛合金形状记忆特性使其在转变为马氏体时能够产生高达8%的应变，在加热回奥氏体时恢复到原来的形状。图7 翅片记忆合金塞Fig.7 Finned memory alloy plug利用镍钛合金的形状记忆合金特性，翅片塞被冷却到其最终马氏体转变温度以下，翅片向内弯曲减小外径，以便将塞子安装到样品管中，塞子保持其形状，直到加热超过其奥氏体转变温度，在此期间翅片放松回到其初始加工几何形状并膨胀到样品管的内壁中形成密封。另外，弹簧特氟龙套圈的设计保证在合金塞失效的情况下实现防尘密封，也可将热量与垫片
12、隔离，以防止热量进一步传递到管内样品从而影响样品的原始性，不锈钢垫片被加工成与样管内径相匹配的形状，并擦拭样管表面，以清除任何较大的灰尘或污物颗粒。1.1.4 复合密封复合密封即双重密封，大多通过金属密封为主密封，橡胶圈密封为辅助密封的方式来提高样品容器的密封性能，可避免单一密封若发生失效导致样品被污染情况的发生。阿波罗号采样返回任务开发了一种复合冗余密封结构17，如图8所示，样品容器的外侧密封采用O形橡胶密封圈，O形圈使用复合L608-6氟硅橡胶，凭借弹簧卡扣构成密封预紧力；第二密封使用金属熔焊密封，在密封箱U形槽分布着软金属铟，将密封板安装在容器盖体上。焊接前，密封板嵌入在有U形口的金属铟
13、内，将金属铟加热使其熔化，从而将密封板和槽口焊接在一起。文献18设计的真空冗余密封方案是以金属挤压密封为主密封、橡胶圈径向密封为辅助密封其通过地面环境试验验证并用于嫦娥五号的月球样品密封。结果显示：该方案密封漏率优于510-9Pam3/s，能够实现地外天体样品高真空密封，防止地外天体样品被污染。如图9所示，该密封结构在容器盖体上加工了与橡胶圈匹配的密封槽，并在盖体下侧焊接银铟合金，将容器罐体的口部设计成环形刀口。当月球样品采集完成后装入封装容器，电机驱动盖体关闭，通过火工作动机构驱动盖体向下运动，将封装容器刀口嵌入盖体密封材料形成刀口挤压密封，橡胶圈与封装容器形成橡胶圈径向密封，完成地外天体样
14、品的锁紧及真空密封。1.2 熔接密封1.2.1 爆炸熔接密封利用火药爆炸的能量将不同种类的金属材料熔接成一体，这种加工工艺称为爆炸熔接工艺，主要适用于内腔温度和压力较小的沟槽内焊接。如图10所示，被焊金属表面在炸药爆炸的过程中发生高速倾斜撞击，同时在撞击面上造成薄层金属的塑性变形、适量熔化和原子间的相互扩散等，并且同种或异种金属在短暂爆炸过程中形成结合。图10 爆炸熔接原理图Fig.10 Schematic diagram of explosive weldingNASA设计了适用于火星采样返回任务的爆炸熔接密封构型19，该构型采用双层采样密封容器结构。如图11所示，为了保证密封封装的样品不被
15、外界污染，采样封装容器的筒体设计成内、外两层结构，两层筒壁之间与外界完全隔绝；筒体也设计成上、下两个组件，当火星样品采集完毕后装入封装筒体后，启动点火器引爆火药，使上、下筒体的接触表面产生焊接接头，同时将焊接表面炸断，使内层筒体焊接成一体，与外层采筒体彻底分离，仅内层采样密封筒体被返回器带回，这种爆炸熔接密封构型有效的防止了外界环境对采集样品的污染。图11 爆炸熔接构型Fig.11 Explosive welding configuration1.2.2 钎焊密封如图12所示，钎焊技术采用的钎料是比焊件熔点低的金属材料，将焊件和钎料均加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，母材表面被液态钎料润湿
16、并借助毛细管作用，沿接缝流动铺展，因此钎料填充接头间隙并与母材相互扩散、相互溶解、相互渗透，形成合金层，冷凝后形成钎焊接头，从而实现焊件连接。图12 钎焊密封原理图Fig.12 Schematic diagram of brazing sealingNASA喷气推进实验室的Yoseph Bar-Cohen20等人设计了钎焊熔接密封构型。如图13所示，封装前该装置由盖体组件和筒体组件两部分组成，盖体组件分为上、下盖体，筒体组件分为内、外筒体，均利用钎料焊接成一个整体。密封封装时，样品装入筒体，盖体与筒体贴合，开启加热感应线圈的电源，当黄色所示的感应线圈温度达到500 时钎料熔化，完成盖体与筒体的焊接。上、下盖体的钎料和内、外侧筒体的钎料也受热处于熔化状态，并在底部弹簧力
