一種地外天體樣品真空密封結(jié)構(gòu)

陳 靜，紀(jì) 明，王 琎*，王春勇，李海志，孫 亮

（1.西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)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(jì)60年代起，美國(guó)、前蘇聯(lián)、日本、歐洲都開(kāi)展了月球、小行星、彗星、宇宙塵埃等地外天體取樣返回任務(wù)，典型的包括美國(guó)“阿波羅”月球采樣返回任務(wù)及前蘇聯(lián)“月球探測(cè)”采樣返回任務(wù)[1-2]、美國(guó)“星塵”彗星采樣返回任務(wù)[3-4]、日本“隼鳥(niǎo)”小行星采樣返回任務(wù)[5-6]。其中美國(guó)“阿波羅”任務(wù)及蘇聯(lián)“月球探測(cè)”完成過(guò)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(guò)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(zhǔn)確性。目前經(jīng)過(guò)飛行驗(yàn)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(cè)器采用橡膠圈密封，美國(guó)“阿波羅”探測(cè)器采用了金屬密封，“星塵”彗星采樣器、日本的“隼鳥(niǎo)”小行星探測(cè)器都采用橡膠圈密封。

在借鑒國(guó)外月球樣品封裝經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研制了一種地外天體樣品自動(dòng)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(biāo)要求，最大限度保護(hù)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(dòng)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(shè)計(jì)在蓋體上，在火工作動(dòng)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(shí)O型橡膠圈與樣品自動(dòng)封裝設(shè)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(cè)器發(fā)射前地外天體樣品封裝容器內(nèi)部，首先要進(jìn)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(cè)器在地外天體表面著陸定位后，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蓋體動(dòng)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(kāi)。地外天體樣品采集完成后裝入封裝容器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)蓋體關(guān)閉，通過(guò)火工作動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)蓋體向下運(yùn)動(dòng)，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(dòng)封裝設(shè)備由探測(cè)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(dòng)封裝設(shè)備轉(zhuǎn)移至返回艙，最后由返回艙攜帶地外天體樣品自動(dòng)封裝設(shè)備進(jìn)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(rùn)滑油脂，橡膠圈與密封容器間形成干摩擦。蓋體打開(kāi)及關(guān)閉時(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(guò)試驗(yàn)確定最優(yōu)密封參數(shù)[16]，橡膠圈密封面的摩擦力計(jì)算如式（1）：

式中：F為摩擦力，N；μ為摩擦系數(shù)，干摩擦?xí)r1～1.2，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(guò)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(dòng)電機(jī)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(shè)計(jì)壓縮率約為16%。

表1 壓縮率與摩擦力計(jì)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(méi)有成熟的理論來(lái)計(jì)算相關(guān)參數(shù)，目前工程應(yīng)用都是通過(guò)大量的試驗(yàn)迭代確定相關(guān)刀口密封參數(shù)。

目前經(jīng)過(guò)空間飛行驗(yàn)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(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)，密封材料選用銦銀合金。通過(guò)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(diǎn)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(jìn)行釬焊，然后進(jìn)行刀口擠壓金屬密封，最后使用德國(guó)萊寶L300型氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行刀口擠壓密封漏率檢測(cè)[18]，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所列。

表2 浸潤(rùn)工藝優(yōu)化前刀口擠壓密封試驗(yàn)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(méi)有達(dá)到5×10-9Pa·m3·s-1指標(biāo)要求。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：密封材料與基體材料、刀口材料不浸潤(rùn)，導(dǎo)致密封漏率不能滿足5×10-9Pa·m3·s-1指標(biāo)要求。

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

分析表3刀口擠壓密封試驗(yàn)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(gè)數(shù)量級(jí)；

（2）鋁合金基體、過(guò)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(rùn)工藝優(yōu)化后刀口擠壓密封試驗(yàn)結(jié)果Table3 Test results of edge squeeze seal test after optimization of infiltration process

通過(guò)試驗(yàn)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(xué)公司JSM-5600LV低真空掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行觀察分析，結(jié)合面如圖2所示。

通過(guò)SEM形貌分析表明，鋁合金密封基體與密封材料97In3Ag實(shí)現(xiàn)良好的浸潤(rùn)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(kuò)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(yàn)驗(yàn)證

樣品密封方案結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，進(jìn)行了20次密封試驗(yàn)，試驗(yàn)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(shí)均由火工驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)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(fù)室溫后進(jìn)行裝置漏率檢測(cè)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所列。

表4 環(huán)境試驗(yàn)時(shí)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(yàn)后，抽取4件銦銀合金試驗(yàn)件使用PLASTIFORM FULL CASE可復(fù)制量具對(duì)環(huán)形擠壓密封面形貌進(jìn)行模具復(fù)制，然后使用JT12A-Z投影儀對(duì)壓痕模具進(jìn)行觀察和測(cè)量。

通過(guò)地外天體樣品真空密封試驗(yàn)及擠壓壓痕投影儀測(cè)量表明，銦銀合金刀口壓痕對(duì)稱，機(jī)構(gòu)間隙會(huì)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(biāo)要求的5×10-9Pa·m3·s-1。

3 結(jié)論

通過(guò)工藝改進(jìn)優(yōu)化了刀口擠壓密封基體與密封材料的浸潤(rùn)性，提高了刀口擠壓密封性；并通過(guò)常溫、高低溫、常壓及真空環(huán)境密封試驗(yàn)，對(duì)地外天體樣品密封方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)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(jí)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。