地外天體固體樣品封裝技術(shù)綜述

耿智偉 王名亮 王波 何華東 馬動濤 位博宇 趙家岱 牛壯葳 孔寧

(1 北京科技大學(xué)機械工程學(xué)院，北京 100083)(2 蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000)(3 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)(4 天津航天機電設(shè)備研究所，天津 300301)

對地外天體進行多途徑、全方位的探測，是探索地外天體起源、演變的主要方法，能夠更加深入地探索地外天體的地質(zhì)特性和空間環(huán)境[1]。20世紀(jì)以來，許多航天大國投入大量的研發(fā)經(jīng)費，并制定了長期地外天體探測的發(fā)展規(guī)劃，同時把地外天體探測作為主要發(fā)展的航天技術(shù)領(lǐng)域[2]。對于地外天體采樣返回任務(wù)，探測器須前往目標(biāo)天體采集土壤樣品并將其封裝在特殊的密封容器后返回地球[3]。

自20世紀(jì)60年代以來，美國、蘇聯(lián)、日本和歐洲均開展了針對月球、小行星、彗星等地外天體的采樣返回活動，采集到了寶貴的地外天體土壤、微粒樣品，為人類探索地外天體提供了重要的研究對象[4]。目前為止，已成功實現(xiàn)或計劃實施采樣返回任務(wù)的典型探測器包括美國的阿波羅號系列、起源號、星塵號、奧里西斯-雷克斯號和毅力號；蘇聯(lián)的月球號系列；日本的隼鳥號系列；歐洲的羅塞塔號、惠核號、馬可波羅號以及我國的嫦娥五號等。樣品的原始狀態(tài)與完整性對研究人員進行準(zhǔn)確分析至關(guān)重要，整個任務(wù)過程中需將樣品以極高氣密性完整地密封在封裝容器中，避免出現(xiàn)因密封失效致使微量空氣的進入對樣品造成污染，降低地外天體樣品的科學(xué)意義[5-6]。由于阿波羅號、星塵號以及隼鳥1號的樣品容器返回后均出現(xiàn)了不同程度的泄露，導(dǎo)致樣品被污染[7]，不能準(zhǔn)確地進行科學(xué)分析實驗，因此，地外天體采樣返回任務(wù)中的密封技術(shù)已成為地外探測科學(xué)發(fā)展的焦點。為此，國內(nèi)外學(xué)者提出并應(yīng)用了多種樣品封裝技術(shù)，主要包括密封技術(shù)和封裝機構(gòu)兩個方面[8]。本文基于國內(nèi)外地外天體樣品封裝技術(shù)相關(guān)進展，概述了近30年來國內(nèi)外的研究成果，對比分析了其技術(shù)特點，并提出了我國地外天體樣品封裝技術(shù)的發(fā)展方向。

1 地外天體固體樣品密封技術(shù)

隨著世界各國對月球、火星及其它行星探索技術(shù)的飛速發(fā)展，對密封材料及高真空密封技術(shù)提出更嚴(yán)、更高的要求。高真空密封技術(shù)的密封材料主要包括橡膠塑料和金屬兩種材料由于樣品容器和容器蓋件不包含其他活動部件，樣品容器的密封通常采用靜態(tài)密封，靜態(tài)密封分為兩大類：預(yù)加載方式和熔接密封方式[9]。預(yù)加載方式密封主要包括O形圈密封、金屬擠壓密封、形狀記憶合金密封和復(fù)合密封；熔接密封方式主要有爆炸熔接密封和釬焊熔接密封。

1.1 預(yù)加載密封

1.1.1 O形圈密封

橡膠塑料材料尤其是性能兼有氟素橡膠及硅橡膠優(yōu)點的氟硅橡膠與聚四氟乙烯材料，在高真空、高低溫、強輻射等環(huán)境下能夠保持正常工作，目前被廣泛應(yīng)用于各種非載人和載人航天器的結(jié)構(gòu)與機構(gòu)密封。

2003-2010年，日本的隼鳥1號探測器采集絲川小行星地表的巖石樣本并返回地球[10]。如圖1所示，在隼鳥1號樣品容器的內(nèi)蓋下側(cè)連接兩個氟橡膠O形密封圈，通過非火工作動器(NEA)和壓縮彈簧提供約1336 N的傳遞力壓緊雙O形氟橡膠密封圈，實現(xiàn)樣品容器蓋與筒體的密封。兩個不同直徑O形密封圈的設(shè)計方式，更好地保證了樣品的原始性和完整性。密封要求100 h內(nèi)容器的內(nèi)部壓力保持在1 Pa以下，但在返回地球后最終漏入約5000 Pa的地面空氣。

圖1 隼鳥1號樣品容器截面圖Fig.1 Sectional view of sample container of the Hayabusa-1

2011年，EAS發(fā)射了福布斯-土壤號[11]擬對火衛(wèi)一實施采樣返回任務(wù)，但最終發(fā)射失敗。如圖2所示，福布斯-土壤號采用彈簧激勵聚四氟乙烯O形圈預(yù)加載的靜態(tài)冗余密封方法，通過在拱形容器內(nèi)壁上下兩個不同直徑的密封槽內(nèi)放置彈簧激勵的O形聚四氟乙烯密封圈實現(xiàn)密封系統(tǒng)的冗余設(shè)計。樣品容器蓋需提供40 N的壓緊力來實現(xiàn)容器拱頂與容器罐體的壓緊密封，密封性能要求大于0.001 mm的流體顆?；蛞旱尾坏靡莩龌蜻M入樣品罐。

圖2 福布斯-土壤號樣品容器截面圖Fig.2 Sectional view of sample container of the Phobos-Grunt

1999-2006年，美國的星塵號探測器完成了對彗星的采樣返回任務(wù)[12]。如圖3所示，圍繞星塵號樣品容器的邊緣布置聚四氟乙烯U形密封件，并由不銹鋼彈簧卡扣實現(xiàn)加固壓緊，使樣品容器在整個密封過程中保持6.9×103Pa的壓差，防止污染物滲透到樣品收集器。另外，樣品容器蓋的中心設(shè)有直徑為64 mm的排氣過濾器，用于在發(fā)射上升和地球再入期間平衡樣品容器內(nèi)的壓力，同時防止燒蝕產(chǎn)生的隔熱產(chǎn)品污染收集到的樣品，阻止大于2 mm的顆粒進入樣品容器。

圖3 關(guān)閉的星塵號樣本容器Fig.3 Closed sample container of the Stardust

1.1.2 金屬擠壓密封

金屬擠壓密封技術(shù)所選用的密封材料一般為鋁和銀銦合金等軟金屬材料，通過擠壓使其發(fā)生塑性變形，填充到密封端面的微小溝壑，達到高真空密封的目的。

1969-1972年，美國阿波羅號系列探測器多次完成月球采樣返回任務(wù)[13]。如圖4所示，阿波羅11號、12號探測器在采樣返回任務(wù)中采用的是以銀銦合金的金屬作為金屬密封面進行擠壓密封的技術(shù)，在容器的殼體上加工鋒利的刀口，蓋體上焊接銀銦合金，刀口擠壓入銀銦合金內(nèi)形成密封。容器罐體上的刀刃和蓋子槽口中的銀銦合金均用聚四氟乙烯片包裹起來，以防止灰塵的存在影響密封性能。

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

2014-2020年，日本的隼鳥2號探測器實施了對小行星1999JU3的采樣返回任務(wù)[14]。如圖5所示，隼鳥2號探測器的密封方式是在隼鳥1號的基礎(chǔ)上將雙氟碳O形橡膠圈密封改為鋁金屬擠壓密封。樣品容器由A6061鋁合金制成，內(nèi)蓋由A1070鋁合金制成，減少了樣品收集器和容器本身的潛在污染。通過激活NEA來釋放2683 N的彈簧張力將曲面內(nèi)蓋壓緊到樣品容器邊緣實現(xiàn)密封，密封性能要求在大氣壓下100 h可保證內(nèi)部壓力不大于1.33 Pa。

圖5 隼鳥2號樣品容器截面圖Fig.5 Sectional view of sample container of the Hayabusa-2

針對阿波羅號月球采樣返回任務(wù)中出現(xiàn)由于月塵粘附導(dǎo)致樣品容器密封失效的情況，NASA提出了行星返回樣品密封容器方案[15]。如圖6所示，該方案采用刀口擠壓銦金屬的密封構(gòu)型，利用聚四氟乙烯材料制作隔離層將軟金屬銦與外界隔絕開，確保樣品不受星塵和碎片的污染影響并且在正常擠壓力的作用下，軟金屬銦作為密封材料發(fā)生塑性變形填充蓋體上的槽口實現(xiàn)高真空密封。刀刃嵌入軟金屬銦材料內(nèi)部，有效地保證了密封性能。

圖6 行星返回樣品容器截面圖Fig.6 Sectional view of sample container of the planetary return

1.1.3 形狀記憶合金密封

形狀記憶合金是一種新型功能材料，鎳鈦(Ni-Ti)形狀記憶合金具有最佳的形狀記憶效率性能，而且形狀記憶效應(yīng)性能穩(wěn)定，被廣泛地應(yīng)用在航天領(lǐng)域，用于制作高密封件及堅固連接件。

2020年7月美國發(fā)射毅力號火星探測器，計劃實施火星樣品的采樣返回任務(wù)[16]。毅力號采用翅片記憶合金塞來實現(xiàn)火星樣品管的密封。如圖7所示，翅片記憶合金塞的主體由鎳鈦合金制成，鎳鈦合金形狀記憶特性使其在轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時能夠產(chǎn)生高達8%的應(yīng)變，在加熱回奧氏體時恢復(fù)到原來的形狀。

圖7 翅片記憶合金塞Fig.7 Finned memory alloy plug

利用鎳鈦合金的形狀記憶合金特性，翅片塞被冷卻到其最終馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以下，翅片向內(nèi)彎曲減小外徑，以便將塞子安裝到樣品管中，塞子保持其形狀，直到加熱超過其奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，在此期間翅片放松回到其初始加工幾何形狀并膨脹到樣品管的內(nèi)壁中形成密封。另外，彈簧特氟龍?zhí)兹Φ脑O(shè)計保證在合金塞失效的情況下實現(xiàn)防塵密封，也可將熱量與墊片隔離，以防止熱量進一步傳遞到管內(nèi)樣品從而影響樣品的原始性，不銹鋼墊片被加工成與樣管內(nèi)徑相匹配的形狀，并擦拭樣管表面，以清除任何較大的灰塵或污物顆粒。

1.1.4 復(fù)合密封

復(fù)合密封即雙重密封，大多通過金屬密封為主密封，橡膠圈密封為輔助密封的方式來提高樣品容器的密封性能，可避免單一密封若發(fā)生失效導(dǎo)致樣品被污染情況的發(fā)生。

阿波羅號采樣返回任務(wù)開發(fā)了一種復(fù)合冗余密封結(jié)構(gòu)[17]，如圖8所示，樣品容器的外側(cè)密封采用O形橡膠密封圈，O形圈使用復(fù)合L608-6氟硅橡膠，憑借彈簧卡扣構(gòu)成密封預(yù)緊力；第二密封使用金屬熔焊密封，在密封箱U形槽分布著軟金屬銦，將密封板安裝在容器蓋體上。焊接前，密封板嵌入在有U形口的金屬銦內(nèi)，將金屬銦加熱使其熔化，從而將密封板和槽口焊接在一起。

文獻[18]設(shè)計的真空冗余密封方案是以金屬擠壓密封為主密封、橡膠圈徑向密封為輔助密封其通過地面環(huán)境試驗驗證并用于嫦娥五號的月球樣品密封。結(jié)果顯示：該方案密封漏率優(yōu)于5×10-9Pa·m3/s，能夠?qū)崿F(xiàn)地外天體樣品高真空密封，防止地外天體樣品被污染。如圖9所示，該密封結(jié)構(gòu)在容器蓋體上加工了與橡膠圈匹配的密封槽，并在蓋體下側(cè)焊接銀銦合金，將容器罐體的口部設(shè)計成環(huán)形刀口。當(dāng)月球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，將封裝容器刀口嵌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。

1.2 熔接密封

1.2.1 爆炸熔接密封

利用火藥爆炸的能量將不同種類的金屬材料熔接成一體，這種加工工藝稱為爆炸熔接工藝，主要適用于內(nèi)腔溫度和壓力較小的溝槽內(nèi)焊接。如圖10所示，被焊金屬表面在炸藥爆炸的過程中發(fā)生高速傾斜撞擊，同時在撞擊面上造成薄層金屬的塑性變形、適量熔化和原子間的相互擴散等，并且同種或異種金屬在短暫爆炸過程中形成結(jié)合。

圖10 爆炸熔接原理圖Fig.10 Schematic diagram of explosive welding

NASA設(shè)計了適用于火星采樣返回任務(wù)的爆炸熔接密封構(gòu)型[19]，該構(gòu)型采用雙層采樣密封容器結(jié)構(gòu)。如圖11所示，為了保證密封封裝的樣品不被外界污染，采樣封裝容器的筒體設(shè)計成內(nèi)、外兩層結(jié)構(gòu)，兩層筒壁之間與外界完全隔絕；筒體也設(shè)計成上、下兩個組件，當(dāng)火星樣品采集完畢后裝入封裝筒體后，啟動點火器引爆火藥，使上、下筒體的接觸表面產(chǎn)生焊接接頭，同時將焊接表面炸斷，使內(nèi)層筒體焊接成一體，與外層采筒體徹底分離，僅內(nèi)層采樣密封筒體被返回器帶回，這種爆炸熔接密封構(gòu)型有效的防止了外界環(huán)境對采集樣品的污染。

圖11 爆炸熔接構(gòu)型Fig.11 Explosive welding configuration

1.2.2 釬焊密封

如圖12所示，釬焊技術(shù)采用的釬料是比焊件熔點低的金屬材料，將焊件和釬料均加熱到高于釬料熔點，低于母材熔化溫度，母材表面被液態(tài)釬料潤濕并借助毛細管作用，沿接縫流動鋪展，因此釬料填充接頭間隙并與母材相互擴散、相互溶解、相互滲透，形成合金層，冷凝后形成釬焊接頭，從而實現(xiàn)焊件連接。

圖12 釬焊密封原理圖Fig.12 Schematic diagram of brazing sealing

NASA噴氣推進實驗室的Yoseph Bar-Cohen[20]等人設(shè)計了釬焊熔接密封構(gòu)型。如圖13所示，封裝前該裝置由蓋體組件和筒體組件兩部分組成，蓋體組件分為上、下蓋體，筒體組件分為內(nèi)、外筒體，均利用釬料焊接成一個整體。密封封裝時，樣品裝入筒體，蓋體與筒體貼合，開啟加熱感應(yīng)線圈的電源，當(dāng)黃色所示的感應(yīng)線圈溫度達到500 ℃時釬料熔化，完成蓋體與筒體的焊接。上、下蓋體的釬料和內(nèi)、外側(cè)筒體的釬料也受熱處于熔化狀態(tài)，并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。

圖13 封裝前分離、搭接和密封(S3B)樣品返回容器的結(jié)構(gòu)Fig.13 Structure of separation,seaming,and sealing sample return container before encapsulation

圖14 封裝后分離、搭接和密封(S3B)樣品返回容器結(jié)構(gòu)Fig.14 Structure of separation,seaming,and sealing sample return container after encapsulation

從結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、密封性能、抗污染能力等方面對6種密封方式進行對比分析，見表1。

表1 地外天體樣品密封技術(shù)對比Table 1 Comparison of sealing technologies for extraterrestrial objects

2 地外天體固體樣品封裝機構(gòu)

目前，應(yīng)用較為廣泛的封裝機構(gòu)包括鉸鏈開合式和活塞罐體式兩種，按照技術(shù)發(fā)展歷程對在實施采樣返回任務(wù)的探測器上應(yīng)用到的封裝機構(gòu)進行分析闡述。

2.1 鉸鏈開合式機構(gòu)

美國阿波羅號系列探測器在多次月球采樣返回任務(wù)中，使用了一種鉸鏈連接的矩形箱封裝容器。如圖15所示[6]，該容器外箱尺寸為480 mm×270 mm×200 mm，箱壁厚度約為2 mm，容積約為1.6×107mm3，可容納17 470 g樣品。

1970-1973年，蘇聯(lián)通過月球號系列探測器實現(xiàn)了對月球樣品的自動封裝[21]。如圖16所示，在月球16號探測器中，樣品容器集成在返回艙內(nèi)，并和球形返回艙共存于一個蓋體中，以外部橡膠圈和內(nèi)側(cè)刀口作為密封，刀口密封的材料是一種軟金屬，蓋體關(guān)閉機構(gòu)為鉸鏈機構(gòu)，利用返回艙內(nèi)的火工驅(qū)動機構(gòu)進行驅(qū)動。

圖16 密封結(jié)構(gòu)Fig.16 Structure for the sealing

星塵號探測器的樣品容器與返回艙集成設(shè)計，樣品容器的基板安裝在返回艙的后殼上，如圖17所示，樣品容器的底部是一個厚25 mm、近乎圓形的全鋁蜂窩板，容器蓋是一個接近圓形的6061-T62鋁蓋。樣本收集裝置安裝在樣本容器內(nèi)部，收集彗星塵埃時，后殼結(jié)構(gòu)像蚌殼一樣打開，釋放出氣凝膠塵埃收集器來捕獲塵埃粒子，待取樣完成后，氣凝膠塵埃收集器能自動向下折疊收進返回艙，樣品容器的打開或關(guān)閉都是通過鉸鏈機構(gòu)進行的。

圖17 打開的星塵號樣本容器Fig.17 Opened sample container of the Stardust

2001-2004年，美國起源號探測器完成了對太陽風(fēng)粒子的采樣返回任務(wù)[22]，如圖18所示，其返回艙是一個直徑為1520 mm的鈍頭錐體，在其中間位置設(shè)有樣品容器，該樣品容器內(nèi)部安裝有用于采集太陽分粒子的由六邊形硅化玻璃盤組成的采集陣列，在探測到太陽表面噴發(fā)的時候，采集陣列可通過中心旋轉(zhuǎn)機構(gòu)展開，以捕獲太陽風(fēng)物質(zhì)，最后通過鉸鏈機構(gòu)進行樣品容器艙蓋的打開或關(guān)閉操作。

圖18 起源號組成結(jié)構(gòu)Fig.18 Structure of the Origin

2016年美國發(fā)射了奧里西斯-雷克斯號小行星探測器對小行星1999RQ36實施采樣返回任務(wù)[23]，預(yù)計2023年9月返回地球。如圖19所示，樣品容器被設(shè)計為返回艙結(jié)構(gòu)的一個組成部分，樣品容器的下部連接到隔熱罩(見圖19中白色部分)。當(dāng)樣品采集到之后，返回艙打開時即樣品容器也打開，樣品收集器固定在電子設(shè)備甲板上的捕獲環(huán)中。當(dāng)返回艙關(guān)閉時，電子設(shè)備甲板和樣品容器下部之間的密封可保護封閉的樣品收集器免受外部污染。

圖19 奧里西斯-雷克斯號返回艙結(jié)構(gòu)Fig.19 Structure of return capsule of the OSIRIS-Rex

2.2 活塞罐體式

如圖20所示[24]，隼鳥1號探測器的樣品容器形狀如同大法蘭的圓柱體，寬120 mm，高約130 mm，主要由裝有插銷的外蓋、內(nèi)蓋、插銷架、非火工作動器和樣品收集器組成。其中樣品收集器為圓筒形，直徑為60 mm，高約70 mm，分為A、B兩個艙室，可收集兩個不同位置處的樣品。為避免零件之間的材料污染，隼鳥號樣品容器的材料成分僅限于由純鋁涂層的A6061鋁合金、304不銹鋼和氟橡膠密封圈，在發(fā)射前，樣品容器的每個部分都使用超聲波清洗機在2-丙醇中清洗[24]。

圖20 隼鳥1號樣品容器Fig.20 Sample container of the Hayabusa-1

福布斯-土壤號的樣品容器安裝在采樣機械臂的尖端，在發(fā)射期間和采樣結(jié)束之前保持在機械臂上。采樣完畢后，機械臂控制著樣品收集器將其放入返回艙中的樣品容器中并固定鎖緊，樣品容器為最大外徑16 mm，高40 mm的薄壁桶，固定鎖緊動作需要機械臂施加40 N的壓緊力。如圖21所示，拱頂固定在地球返回艙(ERC)內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，密封元件為避免樣品污染的關(guān)鍵部件。

圖21 福布斯-土壤號樣品容器Fig.21 Sample container of the Phobos-Grunt

隼鳥2號的樣品容器是在隼鳥1號的基礎(chǔ)上加以改進，在鎖緊機構(gòu)下部與樣品容器接觸處設(shè)計了金屬真空密封點，為了在返回艙回收后對樣品容器進行迅速抽真空并收集氣體。如圖22所示，將稀釋的氣體取樣接口放置在容器底部，用作氣體收集和排空的端口。樣品收集器的直徑變?yōu)?8 mm，高度為57.5 mm，容積約為70 000 mm3，具有3個分區(qū)倉位的密封艙設(shè)計，包括一個大倉A，兩個小倉B/C，可以收集3個不同區(qū)域的樣品。另外，樣品收集器和樣品容器的內(nèi)表面經(jīng)過機械拋光成鏡面拋光表面，有助于最大限度地減少吸附的污染氣體。

圖22 隼鳥2號樣品容器Fig.22 Sample container of the Hayabusa-2

2020年我國發(fā)射了嫦娥五號探測器實施月球樣品的采樣返回任務(wù)[25]，其密封封裝裝置如圖23所示，整體為圓柱形，直徑160 mm，高度為219 mm。密封封裝裝置外部一體化設(shè)計導(dǎo)向棘齒，用來協(xié)同月球軌道交會對接過程中完成樣品容器從上升器到返回器的轉(zhuǎn)移過程。利用大、小升角的螺旋運動副，實現(xiàn)樣品密封容器蓋體的直線和旋轉(zhuǎn)運動，滿足整體集成的方案目標(biāo)。鎖緊機構(gòu)采用火工驅(qū)動，使用小體積、低沖擊的火工作動器，以降低火工鎖緊時的沖擊危害。

圖23 嫦娥五號樣品容器Fig.23 Sample container of the CE-5

ESA計劃2023年發(fā)射馬可波羅號探測器，針對近地C型小行星2008 EV5開展采樣返回任務(wù)[26]。其樣品容器安裝在返回艙中，在采集樣品前樣品罐門打開，開口為30 mm，樣品罐的直徑為100 mm，高度為200 mm，容積約700 000 mm3，樣品罐的形狀可產(chǎn)生渦流，以耗散粒子動能并捕獲樣品。當(dāng)機械臂轉(zhuǎn)移樣品罐時，樣品容器啟封，返回艙通過鉸鏈鎖緊機構(gòu)打開。返回艙的樣品容器繼承了“起源”號任務(wù)的容器和密封設(shè)計，如圖24所示。樣品罐進入樣品容器后，樣品容器重新處于密封狀態(tài)，樣品容器將進行防污染密封控制，樣品容器與返回艙采用了集成設(shè)計，并作為返回艙前端和后端的連接結(jié)構(gòu)。為避免污染樣品，容器僅在樣品罐進入時打開采集獲得的樣品不會被大于0.001 mm的塵埃或液體粒子污染，返回地球后樣品的含水量等級低于0.1 ppm。

圖24 馬可波羅號返回艙樣品容器Fig.24 Sample container in return capsule of the Marco Polo

3 地外天體固體樣品封裝技術(shù)應(yīng)用分析與改進方向

目前，應(yīng)用較為廣泛的密封技術(shù)有以下6種形式：O形圈密封、金屬擠壓密封、形狀記憶合金密封、復(fù)合密封、爆炸熔接密封、釬焊熔接密封。

(1)O形圈密封常使用橡膠和塑料材料，密封結(jié)構(gòu)簡單，在常溫下密封性能良好，不需要額外的驅(qū)動機構(gòu)，功耗極小。但在空間環(huán)境下的一些性能還存在缺陷，其材料彈性在-100 ℃以下難以保持，難以長期承受復(fù)雜多變的空間環(huán)境[27]。因此，要根據(jù)目標(biāo)天體的空間環(huán)境和任務(wù)需求來選擇密封圈的材料，如采用不銹鋼絲制成的金屬密封圈，能夠在高真空、高低溫、強輻射及各種腐蝕等環(huán)境下正常工作。

(2)金屬擠壓密封利用軟金屬特別是銀銦合金受到擠壓后發(fā)生塑性變形的特性能夠?qū)崿F(xiàn)較好的樣品密封功能。其結(jié)構(gòu)較為簡單，需要電機或作動機構(gòu)提供密封的驅(qū)動力。但由于星塵的粘附或多次重復(fù)密封動作都會影響密封性能，可能導(dǎo)致樣品造成污染。因此，后續(xù)應(yīng)對密封結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，增加防塵處理確保密封性能，還可研究在保證密封性能的前提下如何降低驅(qū)動力以減小功耗。

(3)形狀記憶合金密封利用形狀記憶合金的記憶效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的密封性能，其活化溫度可以通過調(diào)整合金比例來改變，并且能夠承受較大的沖擊和振動。但需要中等功率的加熱器裝置配合，密封在低溫下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體狀態(tài)時可能出現(xiàn)松動現(xiàn)象，從而影響密封性能。

(4)復(fù)合密封對樣品起著雙重保護作用，以金屬擠壓密封為主密封，橡膠圈徑向密封為輔助密封，復(fù)合密封能夠提供較低的泄露率，密封性能較好。但由于密封容器蓋體與銀銦合金之間的連接能力欠佳，容易影響密封性能。因此，該密封僅適用于短時間、短距離發(fā)射任務(wù)和溫度范圍變化較小的采樣環(huán)境。

(5)爆炸熔接密封方式對外部環(huán)境要求低，無需施加壓力，也不易受到污染，理論上可以實現(xiàn)絕對氣密性密封。但由于爆炸會產(chǎn)生高能量的沖擊和高速碎片的碰撞，會損傷周圍產(chǎn)品和組件，同時焊接接頭也會造成破壞。因此，在今后的研究中應(yīng)進行爆炸熔接密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和爆炸熔接接頭表面的防塵處理，以避免爆炸給樣品密封帶來不利影響。

(6)筒體與蓋體之間形成原子間力的是釬焊熔接密封，理論上密封效果好，能夠適應(yīng)長時間的地外飛行，可以為樣品創(chuàng)建絕對密封。但釬焊熔接密封對于粉塵或其他碎片較為敏感，導(dǎo)致釬焊熔接頭質(zhì)量嚴(yán)重受影響。另外，釬焊密封需要使用電磁加熱裝置，其中涉及電路屏蔽裝置，使得封裝裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，最終影響可靠性。因此，需進行釬焊材料的選擇和加熱絲布置方式的優(yōu)化并進行充分的可靠性實驗。

封裝機構(gòu)包括鉸鏈開合式機構(gòu)和活塞罐體式機構(gòu)。當(dāng)采集樣品的質(zhì)量和體積較大，需要較大的空間來進行樣品封裝時，鉸鏈開合式封裝機構(gòu)較為合適；當(dāng)采集地外天體樣品體積較小時，可采用占用返回艙內(nèi)部空間較小的活塞罐體式機構(gòu)較為適宜。

4 我國地外天體樣品封裝技術(shù)展望

對比國內(nèi)外地外天體固體樣品封裝技術(shù)的發(fā)展情況可知，國外針對樣品封裝技術(shù)已設(shè)計出多種密封技術(shù)與封裝機構(gòu)，并進行了在軌驗證，總體水平較高。國內(nèi)目前只完成了月球樣品的采樣返回任務(wù)，在不同密封類型的研發(fā)和應(yīng)用方面仍有較大發(fā)展空間，應(yīng)在封裝技術(shù)上進行重大突破。本文總結(jié)了目前地外天體固體樣品封裝技術(shù)發(fā)展情況，并結(jié)合我國月球樣品封裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，為我國未來的深空探測發(fā)展方向和發(fā)展需求提供如下參考建議。

1)充分繼承和發(fā)展我國已有封裝技術(shù)成果

嫦娥五號成功從月球上取回1731 g樣品，填補了我國在地外天體樣品封裝技術(shù)方面的空白。在嫦娥五號密封系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進行深入研究與分析，對比月球與其他小天體以及火星所處不同的空間環(huán)境，針對不同的任務(wù)需求，在嫦娥五號樣品封裝技術(shù)的基礎(chǔ)上進行深入研究，開發(fā)出適合我國地外天體樣品封裝任務(wù)的系列化密封技術(shù)與密封結(jié)構(gòu)方案。

2)樣品封裝技術(shù)的大膽探索

地外天體樣品封裝技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)是緊湊的設(shè)計空間、極高的真空密封性能要求、復(fù)雜多變的空間環(huán)境以及在發(fā)射和返回地球階段復(fù)雜外載。我國接下來將逐步開展遠距離小天體乃至火星采樣返回任務(wù)，包括固體及氣體樣品的采集。這些苛刻的條件給樣品封裝技術(shù)的開發(fā)帶來了極大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的封裝技術(shù)已無法滿足樣品封裝技術(shù)的需求。因此，我國在參考國外成熟封裝技術(shù)基礎(chǔ)上，應(yīng)大力探索全新且適用于我國地外天體樣品封裝任務(wù)的配套封裝技術(shù)。

3)基于航天任務(wù)的樣品容器密封與返回艙熱密封耦合設(shè)計

目前實現(xiàn)地外天體樣品的封裝工作均采用分級密封模式，即樣品容器的氣密封和返回艙的熱密封分別封裝，這種工作模式往往需要設(shè)計更加復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)。例如采用機械臂進行樣品容器的封裝工作或者使用多自由度自動封裝方式，但多自由度自動封裝涉及較為復(fù)雜的電路以及程序設(shè)計，給封裝工作帶來了較大的風(fēng)險。因此，后續(xù)可以考慮將樣品容器密封和返回艙熱密封進行集成設(shè)計，既簡化了對封裝機構(gòu)的要求，同時又降低了對系統(tǒng)資源的需求，提高整個結(jié)構(gòu)的可靠性，這一集成的設(shè)計構(gòu)思可為封裝機構(gòu)提供新的理論依據(jù)和設(shè)計視角。