深空樣品密封技術(shù)綜述

張 斌，俞 敏，楊華勇

（浙江大學(xué) 機械電子控制工程研究所 流體動力和機電系統(tǒng)國家重點實驗室，杭州 310027）

0 引言

20世紀(jì)六七十年代，美國和蘇聯(lián)相繼實施了多次月球采樣和返回任務(wù)，采集了大量的月壤和巖石樣品帶回地球分析，為人類認(rèn)識月球提供了重要的研究依據(jù)。然而，無論是美國“阿波羅”計劃還是蘇聯(lián)月球計劃，樣品采集的密封容器返回地面后均出現(xiàn)了不同程度的泄漏，使得月球樣品受到大氣污染，影響了研究工作。近年來，深空探測再度火熱，航天大國或機構(gòu)紛紛加快自己的太空探測腳步。我國也提出了探月工程計劃，采取“三步走”戰(zhàn)略，力爭在2020年前，實施月球著陸和采樣返回任務(wù)。鑒于此，亟需解決月球樣品密封安全返回的問題。

本文擬通過跟蹤分析“阿波羅”計劃中所使用的刀口擠壓銦銀合金密封結(jié)構(gòu)，以及美國火星樣品返回任務(wù)中的自動釬焊密封技術(shù)和爆炸焊接密封技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)樣品密封技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對我國探月工程三期計劃實施中的樣品封裝技術(shù)提出建議。

1 國外樣品密封技術(shù)發(fā)展和研究現(xiàn)狀

1.1 橡膠材料密封

橡膠材料尤其是硅橡膠，目前廣泛應(yīng)用于各種非載人和載人航天器的結(jié)構(gòu)與機構(gòu)的密封。美國在 “阿波羅”采樣返回任務(wù)中，多次使用氟橡膠（氟硅橡膠）作為樣品容器的最外層密封材料。但是橡膠材料在空間環(huán)境下的一些性能還存在缺陷，如其材料彈性在-100 ℃以下難以保持，且在空間輻照環(huán)境下會發(fā)生性能退化，在高真空環(huán)境下易揮發(fā)等[1-2]，所以，對于橡膠材料應(yīng)根據(jù)具體的工作環(huán)境和使用要求而謹(jǐn)慎選擇。

1.2 刀口擠壓銦銀合金的密封結(jié)構(gòu)

銦銀合金作為一種軟金屬密封材料，因其極低的飽和蒸氣壓和優(yōu)良的低溫特性，在深冷和高真空環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用[3-6]。“阿波羅”各采樣返回任務(wù)中，樣品存放的外部容器和終端容器的密封都采用了刀口擠壓銦銀合金方式的密封結(jié)構(gòu)[7-9]。

1.2.1 特殊環(huán)境樣品容器

在多次“阿波羅”任務(wù)中，采用了一種特殊環(huán)境樣品容器（Special Environmental Sample Container，SESC）來進(jìn)行月樣的封存，如圖1所示。SESC 的密封材料采用銦銀合金，并將其固定于蓋體槽口中；航天員手動操作容器時，隨著蓋體的旋轉(zhuǎn)，筒體上的刀口擠壓銦銀合金圈變形以形成密封。一部分SESC 放在另外的真空容器中，用于維持與月球環(huán)境近似的真空度，并且阻止其受外界環(huán)境污染；另一部分則放在特氟龍袋中。

圖1 特殊環(huán)境樣品容器Fig.1 Special environmental sample container(SESC)

1.2.2 “阿波羅”月球樣品返回封裝箱

在“阿波羅”月球樣品返回任務(wù)中，還使用了一種“阿波羅”月球樣品返回封裝箱（Apollo Lunar Sample Return Container，ALSRC），如圖2和圖3所示。從月球返回地球的12 個ALSRC，有4 個出現(xiàn)了明顯泄漏，主要歸咎于月塵對密封的影響。盡管在密封面之間采取了預(yù)保護(hù)措施，但由于月塵的黏附容易使刀口擠壓銦銀合金的密封結(jié)構(gòu)失效，造成6 次“阿波羅”任務(wù)中的ALSRC 出現(xiàn)了泄漏。

ALSRC 是個有三層密封結(jié)構(gòu)的鋁制箱體（最外層為刀口擠壓銦銀合金密封圈，里面兩層為氟硅橡膠O 形圈）。銦銀合金密封圈含有90%的銦和10%的銀，氟硅橡膠O 形圈則使用復(fù)合L608-6 氟硅橡膠（之前的大部分文獻(xiàn)報告中認(rèn)為O 形圈是氟橡膠A）。ALSRC 的箱體和蓋體均用一個7075AA鋁合金塊體加工而成。在月球上進(jìn)行樣品封裝之前，要用特氟龍薄膜來保護(hù)密封結(jié)構(gòu)以免附著月塵；但在樣品裝好后且關(guān)閉箱體之前，特氟龍薄膜是需要被摘除的。

圖2 “阿波羅”月球樣品返回封裝箱Fig.2 Apollo lunar sample return container(ALSRC)

圖3 “阿波羅-16”月球樣品返回箱體（開蓋）Fig.3 Apollo-16 lunar sample return container(without the lid)

1.2.3 氣體分析樣品容器

在“Apollo-11”、“Apollo-12”任務(wù)中，還采集了月球氣體樣品，所用到的容器稱為氣體分析樣品容器（Gas Analysis Sample Container，GASC），如圖4所示。

GASC 作為一個可靠的真空密封容器，筒體和蓋體使用304L 不銹鋼制作，密封材料采用銦銀合金（90%的銦和10%的銀），密封保護(hù)層為特氟龍。

圖4 氣體分析樣品容器Fig.4 Gas analysis sample container (GASC)

1.2.4 行星樣品返回密封容器

針對月塵導(dǎo)致的密封失效以及容器材料揮發(fā)對樣品造成的影響，基于“阿波羅”月球樣品返回封裝容器，NASA 制定了SBIR/STTR（Small Business Innovation Research/ Small Business Technology Transfer）改進(jìn)研究計劃，計劃中提出了行星樣品返回密封容器方案[11]，如圖5所示。該容器具有自動化采樣封裝的功能，即自動化操作、旋轉(zhuǎn)接口和揮發(fā)監(jiān)測功能。

容器依然使用刀口擠壓銦銀合金的密封結(jié)構(gòu)：刀口材料為硬金屬，刀口尺寸的設(shè)計可以確保擠壓銦銀合金所需的壓緊力最??；槽口尺寸的設(shè)計需要確保銦銀合金可靠固定。銦是一種相變材料，所以可通過改變其合金的組分以達(dá)到特定的熔點，滿足月球環(huán)境下的密封要求[11-12]。銦銀合金依然采用藍(lán)色特氟龍保護(hù)層。

行星樣品返回密封容器具有兩大特點：1）在密封過程中，硬的刀口能穿透密封表面上的月塵，直接切入銦銀合金；2）銦銀合金可以被加熱，熔化后能在蓋體槽口中流動，允許月塵混合其中，最大程度上消除了月塵對刀口和銦銀合金密封材料的影響[13]，從而保證了密封的可靠性。

圖5 行星樣品返回密封容器Fig.5 Sealed planetary return canister

1.3 爆炸焊接密封

爆炸焊接如圖6所示，是把放置于覆板上的炸藥引爆，爆炸過程產(chǎn)生的能量推動覆板以一定的速度向基板運動，借助覆板和基板的高速沖擊碰撞，在接觸面上發(fā)生多次和多種形式的能量傳遞、吸收、轉(zhuǎn)換及分配，形成薄層金屬的塑性變形、熔化和原子間的擴散，從而使兩部分牢固地焊接在一起。

圖6 爆炸焊接形成過程Fig.6 Explosive welding process

1.3.1 用于火星樣品返回的爆炸焊接密封設(shè)計

火星樣品返回任務(wù)中的雙層采樣密封容器結(jié)構(gòu)[14-15]如圖7和圖8所示。采樣密封容器的筒壁由內(nèi)外兩層構(gòu)成，兩層之間的部分不與外界接觸，從而保證不被污染。將所采集的樣品裝入采樣密封容器后，引爆炸藥，使上下表面形成焊接接頭；同時將焊接表面炸斷，使內(nèi)層采樣容器焊接為一個整體，與外層容器彼此分離。這樣，內(nèi)層采樣容器的外壁沒有受到污染。返回時僅攜帶內(nèi)層采樣容器返回地球。

采樣密封容器的設(shè)計須保證爆炸焊接的順利進(jìn)行，同時防止將火星上的污染物帶回地球。另外，采樣過程中散落在焊接表面的污染物可能會影響 爆炸焊接的效果，故焊接表面上直徑大于10 μm 的顆粒物均應(yīng)使用機械方法予以清除，例如用刷子或刮刀來清理大塊的雜物；在焊接表面覆蓋一層保護(hù)膜并在爆炸焊接前摘除，以確保焊接表面的潔凈。即使這些污染物粒子并沒有被完全清除，但只要它們不是暴露在焊縫的最外層，而是在爆炸過程中嵌入焊縫中，爆炸焊接后的密封仍然可以保證滿足采樣返回任務(wù)的要求。

圖7 雙層采樣筒結(jié)構(gòu)工作原理（1）Fig.7 Principle of double-walled sample container design(1)

圖8 雙層采樣筒結(jié)構(gòu)工作原理（2）Fig.8 Principle of double-walled sample container design(2)

1.3.2 爆炸焊接密封的優(yōu)缺點

1）爆炸焊接的優(yōu)點

① 可遠(yuǎn)程操作，不影響火星任務(wù)的功能實現(xiàn)，不影響火星樣品的科學(xué)研究；② 炸藥質(zhì)量體積小，便于運輸，可大幅度降低能耗；③ 對外部環(huán)境要求低，無須施壓，也不易受到污染；④ 炸藥材料六硝基芪（HNS）耐溫性和真空性能好；⑤ 爆炸引發(fā)只需低能耗（mJ）電雷管；⑥ 產(chǎn)生一個較窄（約5 mm）的焊接連接帶；⑦ 理論上可以實現(xiàn)絕對氣密性密封；⑧ 接頭保持母材特性（無熱影響區(qū)）；⑨ 在爆炸產(chǎn)生環(huán)形接頭的過程中爆炸力平衡。

2）爆炸焊接的缺點

① 會產(chǎn)生高能量機械沖擊和高速撞擊，不僅損傷周圍結(jié)構(gòu)和組件，甚至可能破壞焊接接頭本身。 ② 爆炸碎片可能會損壞周圍的結(jié)構(gòu)和組件；另外，未反應(yīng)的含碳碎片可能附著在其他關(guān)鍵部位，其易燃性使得與空氣混合會再次反應(yīng)產(chǎn)生氣體。③ 完全退火后的金屬材料在爆炸的沖擊下，強度會略有下降。④ 焊接表面受火星浮塵影響。

1.3.3 爆炸焊接密封材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

對爆炸焊接密封質(zhì)量的影響因素有：1）炸藥的質(zhì)量和位置；2）焊接材料的種類、質(zhì)量、厚度和特性；3）板塊的分離和接口的配置；4）機械沖擊的影響。

鑒于上述影響因素，NASA 蘭利研究中心J.Bement 等人以筒體和覆板材料、覆板角度與覆板擺放方式等因素作為變量開展了爆炸焊接試驗，通過試驗得到了爆炸優(yōu)化結(jié)構(gòu)。圖9為爆炸焊接試驗的覆板接口形式，圖10為基板的結(jié)構(gòu)形式；圖11為直徑145 mm 的圓柱形焊接結(jié)構(gòu)，其中環(huán)形基板材料為6061-T6 鋁合金，上方的圓柱形蓋體為6061-T0鋁合金，可以開啟。使用6061 鋁合金作為筒體材料被證明是很好的選擇，得到了高強度、小變形和可靠密封的焊接接頭；1.6 mm 厚度的覆板提供了最大的爆炸效率和可重復(fù)性。通過在6061 鋁合金上布滿灰塵和沙礫進(jìn)行爆炸焊接試驗，焊接質(zhì)量依然良好，說明這種結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)火星上浮塵、碎片等環(huán)境，但是所允許的最大塵埃尺寸仍然有待考證。圖12為爆炸焊接之后的鋁合金樣品顯微圖像，圖中的上半部分為2024-T4 鋁合金，下半部分為6061-T6 鋁合金，組織均勻，滿足真空密封要求。

圖9 在覆板角度為9°情況下，試驗的接口結(jié)構(gòu)形式Fig.9 Interface structures of the explosive welding tests under 9° angle of the cover plate

圖10 爆炸焊接試驗的基板結(jié)構(gòu)Fig.10 The base plate structure for the explosive welding test

圖11 直徑為145 mm 的圓柱形焊接結(jié)構(gòu)Fig.11 Cross-sectional view of a 145 mm diameter cylindrical joint structure for the explosive welding test

圖12 爆炸焊接之后的鋁合金樣品顯微圖像Fig.12 Microphotograph of aluminum alloy samples after the explosive welding test

1.4 釬焊焊接密封

NASA 噴氣推進(jìn)實驗室的Yoseph Bar-Cohen 等人設(shè)計了釬焊密封火星樣品返回容器的結(jié)構(gòu)[16-17]，充分考慮了封裝樣品的潔凈要求。這種結(jié)構(gòu)一方面可以替代上述的爆炸焊接密封結(jié)構(gòu)，另一方面可用于地球上存儲和運輸危險的生化樣品材料。

圖13所示的是通過釬焊焊接的一個“S3B”（Separation, Seaming, and Sealing using Brazing，即分離、搭接和釬焊密封）樣品返回容器封裝前的結(jié)構(gòu)示意圖。該樣品容器由蓋體和筒體兩部分組成，其中蓋體由上、下蓋體組成，它們事先通過釬料焊接形成一體（紅色所示的中間層為焊接接頭）；筒體由內(nèi)筒體和外筒體組成，同樣也是事先通過釬料焊接形成一體（紅色中間層為焊接接頭）。封裝時，將樣品裝入筒體中，然后將蓋體與筒體貼合，通過黃色所示的感應(yīng)線圈加熱使釬料熔化，完成蓋體與筒體的焊接。與此同時，連接上、下層蓋體的釬料和連接內(nèi)、外筒體的釬料也受熱處于熔融狀態(tài)，在底部彈簧力的作用下實現(xiàn)分離，最終上層蓋體和內(nèi)筒體形成一個整體，完成樣品封裝并取出，如圖14所示。由于釬料的熔點大于500 ℃，為了防止加熱對采樣樣品有負(fù)面的影響，內(nèi)層筒體與外層筒體之間為絕熱材料。

圖13 封裝前“S3B”樣品返回容器的結(jié)構(gòu)Fig.13 Configuration of S3B sample return container before encapsulation

圖14 封裝后“S3B”樣品返回容器的結(jié)構(gòu)Fig.14 Configuration of S3B sample return container after encapsulation

2 國內(nèi)樣品密封技術(shù)的研究現(xiàn)狀

我國探月工程三期計劃將實施第一次從月球采集樣品并封裝返回地球任務(wù)。在月球樣品封裝技術(shù)研究中，充分考慮了月球表面環(huán)境因素影響和探月工程三期的自動化、可靠性要求，在密封材料以及密封結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了初步的探索性研究和試驗。

蘭州物理研究所針對月球樣品封裝的要求，提出了O 形橡膠圈作為容器外部一次密封以及刀口擠壓軟金屬材料作為內(nèi)部二次密封的冗余密封結(jié)構(gòu)形式[18]，具有較高的可靠性，如圖15所示。該密封結(jié)構(gòu)在蓋體上加工橡膠圈密封槽，它和O 形橡膠圈及防護(hù)裙共同形成外部一次密封結(jié)構(gòu)。在蓋體上安裝銦銀合金板，容器口部加工成刀口。在內(nèi)部二次密封之前，O 形橡膠圈壓在防護(hù)裙上形成一次密封，防護(hù)裙使刀口和銦銀合金板保持一定的距離，從而保護(hù)了刀口和銦銀合金板。當(dāng)進(jìn)行二次密封時，鎖緊機構(gòu)將樣品容器的蓋體向下壓緊，在壓緊力的作用下，防護(hù)裙發(fā)生變形，最終使刀口嵌入銦銀合金內(nèi)形成二次密封。

圖15 密封單元結(jié)構(gòu)原理Fig.15 Cutaway view of the structure of the hermetic sealingunit

浙江大學(xué)針對探月工程三期樣品密封結(jié)構(gòu)的要求，對O 形橡膠圈結(jié)合刀口擠壓銦銀合金圈的冗余密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并且正在通過試驗與數(shù)值模型分析進(jìn)行對比，用于構(gòu)件布置和尺寸參數(shù)的優(yōu)化與評價，同時提出適合于實現(xiàn)自動化的釬焊密封結(jié)構(gòu)和爆炸焊密封結(jié)構(gòu)。

圖16所示為O 形橡膠圈的泄漏模型，稱之為Roth 模型[19]，即認(rèn)為泄漏通道是由若干個底角為4°的等腰三角形截面并聯(lián)構(gòu)成，三角形高度則由O形橡膠圈和密封面之間的壓緊力決定（其中橡膠圈視為柔性體，金屬密封面視為剛性體）。該模型下的理論漏率主要和系統(tǒng)內(nèi)外壓差、被密封的氣體介質(zhì)種類、溫度、密封面粗糙度、O 形橡膠圈的種類和壓縮量等因素有關(guān)系，可通過改變某些因素進(jìn)行模擬，從而確定減少泄漏的途徑。通過氦質(zhì)譜儀檢漏的方法，對不同種類的O 形橡膠圈，在不同壓縮率的情況下進(jìn)行漏率測量，與理論模型進(jìn)行對比。

圖16 O 形橡膠圈泄漏的Roth 模型Fig.16 Roth model for leakage study of O-type sealing ring

圖17所示為自動釬焊密封試驗結(jié)構(gòu)，其中被加熱金屬材料為純銦，電熱絲的熱量在陶瓷圈的隔離下被U 型銦圈充分吸收，熔化之后完成密封。以插板、陶瓷隔熱圈的布置和銦材料的尺寸參數(shù)為變量，以所需熱量為優(yōu)化目標(biāo)，得到相對高效的結(jié)構(gòu)形式。

圖17 自動釬焊密封試驗結(jié)構(gòu)Fig.17 Test structure of automatic brazing seal

另外，北京理工大學(xué)在深空探測采樣容器爆炸焊接密封工藝研究中，將圓柱形容器爆炸焊接簡化為平板爆炸焊接，設(shè)計了幾種爆炸密封工藝方案并進(jìn)行了爆炸焊接試驗，結(jié)合爆炸成型的復(fù)合件強度拉伸試驗和金相分析結(jié)果，確定了最佳工藝方案[20]。

爆炸焊接過程中存在瞬態(tài)響應(yīng)問題，焊接界面附近區(qū)域上各點的運動速度、最高壓力、塑性應(yīng)變等參數(shù)隨時間呈突躍變化狀態(tài)，如圖18所示，因此，可以認(rèn)為整個材料的爆炸焊接是局部微小段材料被焊接而成的，也就是說不同形狀材料的爆炸焊接在機理與參數(shù)選取問題上均可用簡單的平板作為參考：先通過平板爆炸焊接確定一些焊接參數(shù)，然后再將其應(yīng)用于圓柱形容器，通過數(shù)值模擬與試驗進(jìn)行驗證。

圖18 平板爆炸焊接動態(tài)參數(shù)隨時間的變化Fig.18 Dynamic parameters of the explosive welding versus time

爆炸焊接密封工藝比較方案依舊采用如圖9所示的基板與覆板相似的連接方式，通過對爆炸形成的復(fù)合件外觀效果、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和金相圖的比較研究，認(rèn)為圖9中的方案D 的布置方式較為合理，研究結(jié)果如圖19和圖20所示。其中，拉伸極限從大到小依次為D 型（372 194 MPa）、A 型（335 140 MPa）、C 型（329 160 MPa）、B 型（296 150 MPa）；另外通過金相分析，D 型復(fù)合件兩板呈現(xiàn)出爆炸焊接特有的“波狀”界面，但界限最不明顯，說明兩板的原子間有很好的擴散，形成較佳狀態(tài)的冶金結(jié)合。

圖19 方案D 的爆炸復(fù)合件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.19 Stress-strain curve of case D for the explosive welding complex

圖20 方案D 的爆炸復(fù)合件金相圖Fig.20 Phase diagram of explosive welding complex of case D

3 擬開展工作的建議

根據(jù)對國外各種深空樣品的采集和封裝技術(shù)的分析，對于我國探月工程三期計劃實施所涉及的樣品密封技術(shù)提出如下建議：

1）在選擇橡膠材料時，要多方面考慮月球環(huán)境因素，尤其是橡膠材料在低溫和輻照環(huán)境下的彈性保持和性能退化問題；另外，月球晝夜的極大溫差容易使橡膠材料出現(xiàn)老化，從而降低密封可靠性。針對這些問題，應(yīng)開展橡膠材料在模擬空間環(huán)境下的性能評價試驗。

2）積極探尋減小刀口擠壓銦銀合金密封壓緊力的途徑。除了優(yōu)化刀口角度和刀口尖端圓角大小之外[21]，還可以考慮改變銦銀合金的性能，以期提高密封可靠性。

3）由于爆炸焊接炸藥量與覆板厚度直接相關(guān)，而覆板厚度直接決定了焊接結(jié)構(gòu)的尺寸大小，因此覆板厚度是確定焊接結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)。應(yīng)針對影響爆炸焊接質(zhì)量的一些關(guān)鍵因素開展試驗研究，以確定最佳的爆炸焊接結(jié)構(gòu)形式，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，力求使爆炸過程所產(chǎn)生的沖擊力對其他結(jié)構(gòu)和組件的影響最小。另外，還要研究減少月塵對焊接表面污染的防護(hù)措施。

4）釬焊密封是深空樣品封裝的一種重要形式。應(yīng)針對釬焊的熱傳導(dǎo)效率和流動性問題（如孔洞率增加、材料間親和力下降等），開展在模擬空間環(huán)境下釬焊密封技術(shù)的研究。另外還應(yīng)針對釬焊材料、電熱絲布置方式等對熔化所需加熱功率和最終密封效果的重要影響，開展釬焊材料的甄選研究和電熱絲布置方式的優(yōu)化研究。

4 結(jié)束語

本文介紹了國外各種深空樣品封裝技術(shù)及結(jié)構(gòu)形式，著重分析了美國“阿波羅”計劃中刀口擠壓銦銀合金的密封結(jié)構(gòu)；針對影響各種結(jié)構(gòu)的密封質(zhì)量的因素，提出了我國擬開展的研究工作建議。這些跟蹤研究工作對于我國探月工程三期的實施有重要參考價值。

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