陳 靜，紀 明，王 琎*，王春勇，李海志，孫 亮

（1.西安建筑科技大學 信息與控制工程學院，西安 710055；2.蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

從上世紀60年代起，美國、前蘇聯(lián)、日本、歐洲都開展了月球、小行星、彗星、宇宙塵埃等地外天體取樣返回任務，典型的包括美國“阿波羅”月球采樣返回任務及前蘇聯(lián)“月球探測”采樣返回任務[1-2]、美國“星塵”彗星采樣返回任務[3-4]、日本“隼鳥”小行星采樣返回任務[5-6]。其中美國“阿波羅”任務及蘇聯(lián)“月球探測”完成過多次月球土壤及巖石樣品采集及返回[7-13]，采集約400 kg月球樣品。但通過地面分析，樣品密封容器返回后均出現(xiàn)了不同程度的泄漏，造成樣品的污染，影響地面分析數(shù)據(jù)的準確性。目前經(jīng)過飛行驗證的地外天體樣品密封方式有橡膠密封和金屬密封兩種[14]，“月球”（Lunar）系列探測器采用橡膠圈密封，美國“阿波羅”探測器采用了金屬密封，“星塵”彗星采樣器、日本的“隼鳥”小行星探測器都采用橡膠圈密封。

在借鑒國外月球樣品封裝經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，研制了一種地外天體樣品自動封裝裝置，并提出了一種刀口金屬擠壓為主密封，橡膠圈為輔助密封的樣品密封方案，密封漏率為5×10-9Pa·m3·s-1，滿足指標要求，最大限度保護樣品不受污染。

1 樣品真空密封結(jié)構(gòu)

綜合考慮地外天體表面環(huán)境、樣品采集自動化技術(shù)及密封可靠性等因素，密封材料、O型橡膠圈集成設計在蓋體上，在火工作動器提供的密封力F的作用下刀口刃入密封材料形成刀口擠壓密封，同時O型橡膠圈與樣品自動封裝設備容器內(nèi)壁形成徑向密封，密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 刀口金屬擠壓密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Blade metal extrusion seal structure diagram

為了保證返回的地外天體樣品能夠維持原態(tài)，探測器發(fā)射前地外天體樣品封裝容器內(nèi)部，首先要進行真空除氣、滅菌等凈化處理。然后利用橡膠圈徑向密封，防止地面大氣污染封裝容器。探測器在地外天體表面著陸定位后，通過電機驅(qū)動蓋體動作，解除一次鎖緊及橡膠圈徑向密封，并將蓋體旋轉(zhuǎn)一定角度將樣品承裝通道完全打開。地外天體樣品采集完成后裝入封裝容器，電機驅(qū)動蓋體關(guān)閉，通過火工作動機構(gòu)驅(qū)動蓋體向下運動，將封裝容器刀口刃入蓋體密封材料形成刀口擠壓密封。橡膠圈與封裝容器形成橡膠圈徑向密封，完成地外天體樣品的鎖緊及真空密封[15]。采樣完成后，樣品自動封裝設備由探測器的上升器發(fā)射推入到地外天體軌道。在地外天體軌道上，將樣品自動封裝設備轉(zhuǎn)移至返回艙，最后由返回艙攜帶地外天體樣品自動封裝設備進入地球大氣著陸并回收。

2 樣品真空密封方案

2.1 O型硅橡膠徑向密封方案

由于地面樣品分析的需要，O型橡膠圈不允許使用潤滑油脂，橡膠圈與密封容器間形成干摩擦。蓋體打開及關(guān)閉時需克服橡膠圈與密封容器的摩擦力，摩擦力大小決定了電機驅(qū)動力的大小，摩擦力與橡膠圈密封結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，需要通過試驗確定最優(yōu)密封參數(shù)[16]，橡膠圈密封面的摩擦力計算如式（1）：

式中：F為摩擦力，N；μ為摩擦系數(shù)，干摩擦時1～1.2，式中取1.1；Pr為O型圈變形壓力，Pr＝fdπDE，N；d為O型圈截面直徑，m；D為O型圈內(nèi)徑，m；E為彈性模量，MPa，與橡膠的硬度有關(guān)；f為壓力系數(shù)，是高度系數(shù)的函數(shù)。

通過表1所列，橡膠圈壓縮率越大，橡膠圈密封面的摩擦力也越大。一定的壓縮率范圍內(nèi)，壓縮率越大密封性越好。橡膠圈壓縮率一般為15%～25%，綜合考慮驅(qū)動電機的體積、功耗、轉(zhuǎn)矩及橡膠圈與密封容器間摩擦力等因素，橡膠圈設計壓縮率約為16%。

表1 壓縮率與摩擦力計算結(jié)果Table1 Compression ratio and friction calculation results

2.2 刀口擠壓密封方案

刀口擠壓密封技術(shù)是利用硬度較大的刀口刃入硬度較小的密封材料，形成密封的技術(shù)[17]。刀口密封技術(shù)需確定刀口材料、密封材料及基體材料、刀口刃入深度、密封壓緊力等相關(guān)參數(shù)，但由于沒有成熟的理論來計算相關(guān)參數(shù)，目前工程應用都是通過大量的試驗迭代確定相關(guān)刀口密封參數(shù)。

目前經(jīng)過空間飛行驗證的刀口及密封基體有7075鋁合金、TC4鈦合金、1Cr18Ni9Ti不銹鋼；密封材料有純金、純銀及銦銀合金。借鑒國外成功經(jīng)驗，密封材料選用銦銀合金。通過銀銦合金密封材料制備發(fā)現(xiàn)，銀含量越低，銦銀合金材料熔點越低，硬度越小。綜合考慮月表溫度環(huán)境、裝置輕量化等因素，最終刀口選用的材料為TC4鈦合金，密封材料為含銀3%的銦銀合金。

密封材料組成、密封基體材料、刀口材料確定后，將密封材料與密封基體進行釬焊，然后進行刀口擠壓金屬密封，最后使用德國萊寶L300型氦質(zhì)譜檢漏儀進行刀口擠壓密封漏率檢測[18]，試驗數(shù)據(jù)如表2所列。

表2 浸潤工藝優(yōu)化前刀口擠壓密封試驗結(jié)果Table2 Test results of edge squeeze seal test before optimization of infiltration process

表2 可以看出，以上幾種材料，刀口擠壓密封漏率均沒有達到5×10-9Pa·m3·s-1指標要求。通過分析發(fā)現(xiàn)：密封材料與基體材料、刀口材料不浸潤，導致密封漏率不能滿足5×10-9Pa·m3·s-1指標要求。

通過多次浸潤性試驗，發(fā)現(xiàn)對基體表面采用鍍金或鍍銀處理，可以滿足與銦銀合金浸潤的要求。但金或銀不與銦浸潤，鍍金或鍍銀之前，基體材料表面需先鍍過渡層金屬M，可以實現(xiàn)密封材料與基體之間的浸潤，優(yōu)化后試驗結(jié)果如表3所列。

分析表3刀口擠壓密封試驗數(shù)據(jù)，可以得出：

（1）不論哪種基體材料，金鍍層的密封漏率明顯優(yōu)于銀鍍層的密封漏率，至少優(yōu)于2個數(shù)量級；

（2）鋁合金基體、過渡層M2與金鍍層的組合方式密封性最好，密封漏率最低。

表3 浸潤工藝優(yōu)化后刀口擠壓密封試驗結(jié)果Table3 Test results of edge squeeze seal test after optimization of infiltration process

通過試驗確定的刀口擠壓密封參數(shù)：密封基體為鋁合金7075、刀口材料TC4鈦合金、密封材料97In3Ag、刀口擠壓深度為0.5 mm。7075鋁合金基體材料與密封材料釬焊結(jié)合面使用日本電子光學公司JSM-5600LV低真空掃描電子顯微鏡（SEM）進行觀察分析，結(jié)合面如圖2所示。

通過SEM形貌分析表明，鋁合金密封基體與密封材料97In3Ag實現(xiàn)良好的浸潤性，外觀及內(nèi)部形貌材料之間結(jié)合緊密、均勻，能夠有效防止氣體的滲透和擴散。

圖2 97In3Ag合金與密封基體的釬焊面（虛框）圖Fig.2 The brazing surface of 97In3Ag alloy and sealed matrix

2.3 樣品真空密封試驗驗證

樣品密封方案結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，進行了20次密封試驗，試驗條件涵蓋樣品密封結(jié)構(gòu)所有可能經(jīng)歷高低溫及真空環(huán)境，密封時均由火工驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動蓋體二次鎖緊，完成銦銀合金擠壓及橡膠圈的徑向密封，待裝置恢復室溫后進行裝置漏率檢測，試驗數(shù)據(jù)如表4所列。

表4 環(huán)境試驗時密封漏率結(jié)果Table4 Sealing leakage results in environmental tests

地外天體樣品真空密封試驗后，抽取4件銦銀合金試驗件使用PLASTIFORM FULL CASE可復制量具對環(huán)形擠壓密封面形貌進行模具復制，然后使用JT12A-Z投影儀對壓痕模具進行觀察和測量。

通過地外天體樣品真空密封試驗及擠壓壓痕投影儀測量表明，銦銀合金刀口壓痕對稱，機構(gòu)間隙會造成擠壓深度不均勻，最淺0.55 mm、最深0.7 mm；此狀態(tài)下密封漏率最小為3.5×10-9Pa·m3·s-1，優(yōu)于指標要求的5×10-9Pa·m3·s-1。

3 結(jié)論

通過工藝改進優(yōu)化了刀口擠壓密封基體與密封材料的浸潤性，提高了刀口擠壓密封性；并通過常溫、高低溫、常壓及真空環(huán)境密封試驗，對地外天體樣品密封方案進行試驗驗證，可以得出，該地外天體樣品密封方案能夠維持10-9Pa·m3·s-1量級的極低漏率，能夠用于地外天體樣品密封，維持樣品的原態(tài)，防止地外天體樣品污染。