月球樣品自動封裝技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)

月球樣品自動封裝技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)

0月壤樣品封裝技術(shù)根據(jù)中國探月工程三項總體規(guī)劃，對月樣品進(jìn)行自動采集和返回，并在土壤下進(jìn)行系統(tǒng)的礦物學(xué)分析和勘探，以進(jìn)一步研究月亮和地球探測系統(tǒng)的發(fā)育。我國執(zhí)行從地外天體上自動采樣返回任務(wù)尚屬首次，對月球樣品封裝技術(shù)的研究處于起步階段。月球樣品封裝容器在地-月軌道飛行中要經(jīng)歷復(fù)雜空間環(huán)境條件，考慮到月球樣品封裝的可靠性要求，在月壤樣品自動封裝技術(shù)的研究中必須重視空間環(huán)境因素。本文對月球樣品的自動封裝技術(shù)進(jìn)行了初步研究，在封裝容器的自動開合、鎖緊和密封3個關(guān)鍵技術(shù)方面提出了可行性的技術(shù)方案。1月表采樣和封裝容器為了保證取回的月球樣品能夠維持其在月表環(huán)境下的原態(tài)，在月球探測器發(fā)射之前，月球樣品封裝容器要在地面進(jìn)行熱真空除氣、滅菌等凈化處理，處理后的封裝容器進(jìn)行真空密封，防止地球大氣進(jìn)入容器內(nèi)部造成污染，這就是封裝容器的一次密封。月球探測器在月球表面著陸定位后，開始對月表的月壤和深層的巖芯進(jìn)行鉆探與取樣。此時，月球樣品封裝容器要執(zhí)行蓋體（即門）的開啟操作，包括自動解鎖和蓋體自動開啟到一定的角度。采樣過程中，取樣器將采集到的樣品輸送到月球樣品封裝容器。在月表采樣結(jié)束后，需要執(zhí)行月球樣品封裝容器蓋體的關(guān)閉操作，包括蓋體的關(guān)閉就位、自動鎖緊和二次密封。在整個過程中，月球樣品封裝容器要實(shí)現(xiàn)蓋體的一次關(guān)閉、一次鎖緊、一次密封，蓋體的自動解鎖、自動開啟到一定角度，蓋體的二次關(guān)閉、自動鎖緊、二次自動密封等一系列的操作。完成采樣后，月球樣品封裝容器由月球探測器的上升器發(fā)射推入到月球軌道；在月球軌道上，需將月球樣品封裝容器轉(zhuǎn)移到返回艙；再由返回艙攜帶月球樣品封裝容器穿行地-月軌道，再入地球大氣；最后著陸到地面并回收。在兩次著陸時，月球樣品封裝容器的蓋體及其機(jī)構(gòu)既要承受著陸沖擊，又要承受地-月軌道空間環(huán)境的考驗。為了保證蓋體及其機(jī)構(gòu)的可靠工作和蓋體的可靠密封，要求月球樣品封裝容器（含蓋體及其機(jī)構(gòu)）具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，密封材料在地-月環(huán)境中具有良好的性能。2極高真空環(huán)境對機(jī)械機(jī)構(gòu)的影響月球表面的主要環(huán)境因素如下：1）月球表面重力約為地球表面重力的1/6;2）月球表面為極高真空環(huán)境；3）白晝的環(huán)境溫度最高可達(dá)到150℃，夜間溫度最低達(dá)到-180℃；4）月面上宇宙射線和太陽風(fēng)的輻照非常強(qiáng)烈；5）太陽紫外線的照射致使月塵帶電，帶電的月塵極易附著在航天器的表面上；另外，月球探測器著陸時會揚(yáng)起月塵，也會附著在探測器上；6）月球表面經(jīng)常受到宇宙微流星體的轟擊，撞擊速度范圍為2.4～72km/s。極高真空環(huán)境對機(jī)械機(jī)構(gòu)的影響是非常大的，主要表現(xiàn)為機(jī)構(gòu)間的運(yùn)動磨損、粘著、疲勞等。兩個材料的接觸表面在大氣環(huán)境中容易形成氣體分子潤滑層，起到保護(hù)材料接觸表面的作用。而在真空環(huán)境下，兩個材料接觸表面不會出現(xiàn)氣體分子潤滑保護(hù)層，因此機(jī)構(gòu)運(yùn)動接觸表面的摩擦系數(shù)和粘著力都會增加，致使機(jī)構(gòu)的運(yùn)動功耗增加，尤其在真空低溫環(huán)境下，機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動副極易出現(xiàn)冷焊現(xiàn)象。月塵的成分中大部分是SiO2（占40%以上），而直徑小于50μm的粒子又占50%以上，塵埃粒子的硬度較高且表面極不規(guī)則，所以月塵具有很強(qiáng)的磨損力。由于帶有靜電的月塵附著在機(jī)構(gòu)的表面，會對機(jī)構(gòu)造成磨損、卡死現(xiàn)象。在美國6次成功登月的“阿波羅”任務(wù)中，都發(fā)生了由于月塵導(dǎo)致機(jī)械機(jī)構(gòu)卡死的現(xiàn)象。月表晝夜溫差大。在高溫和低溫下，機(jī)構(gòu)運(yùn)動副材料的熱脹冷縮程度不同，也有可能導(dǎo)致機(jī)構(gòu)運(yùn)動副卡死。以上這些因素都會對月球探測器及其機(jī)構(gòu)的可靠性分別造成程度不等的影響。為了確保整個采樣返回任務(wù)的成功和月球樣品封裝容器的蓋體及其機(jī)構(gòu)的可靠性，在月球樣品封裝容器的設(shè)計中需要充分考慮這些因素的影響。3樣品容器密封迄今為止，只有美國和前蘇聯(lián)成功地完成了月球采樣返回的任務(wù)。美國在“阿波羅”登月計劃中，進(jìn)行了人工采樣和封裝，所采用的封裝容器為一個箱體（見圖1）。這是封裝容器的外形圖，蓋體打開時可以和箱體完全分離，蓋體的開合和鎖緊均依靠航天員手工完成。值得關(guān)注的是該容器的密封采用了一次和二次密封結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。樣品封裝容器為矩形箱體，密封面的形狀為矩形。樣品容器的一次密封采用O形橡膠密封圈，位于密封結(jié)構(gòu)的外側(cè)，依靠彈簧卡扣形成密封預(yù)緊力。二次密封采用金屬熔焊密封方式，即在容器盒體上開槽口和在容器蓋體上焊接密封板，并在槽口內(nèi)安裝有U形口的金屬銦。在熔焊之前，密封板插在金屬銦的U形口內(nèi)；在密封時，用加熱管加熱金屬銦使其熔化后，將密封板熔焊在槽口內(nèi)并形成密封。這種由O形橡膠圈密封和金屬熔焊密封構(gòu)成的密封方式為一種冗余密封結(jié)構(gòu)。此外在“阿波羅”計劃中，還采用了一種圓柱形的樣品容器，見圖3。這種容器用來收集巖芯樣品或微量氣體樣品，容器的密封采用了金屬擠壓密封技術(shù)，在容器的殼體上加工有鋒利的刀口，在蓋體上安裝銦銀合金，利用刀口擠壓入銦銀合金內(nèi)形成密封。容器的蓋體上安裝拉爪機(jī)構(gòu)，拉爪可以把容器蓋體壓緊在容器殼體的刀口上并鎖緊。前蘇聯(lián)發(fā)射了Luna系列的月球探測器，成功完成了3次無人月球樣品采樣返回的任務(wù)。月球樣品容器集成在球形返回艙內(nèi)，樣品容器為圓柱形結(jié)構(gòu)，容器的蓋體也是返回艙的蓋體，蓋體的開合為機(jī)電機(jī)構(gòu)，容器采用橡膠密封方式。4中國月亮樣品自動密封技術(shù)的考慮4.1我國球前兩種立法關(guān)于采集和封裝方式的問題根據(jù)我國探月工程三期的安排，在采樣返回過程中，月球探測器需要實(shí)現(xiàn)月球軌道交會對接和月球樣品容器的轉(zhuǎn)移，月球樣品封裝容器在功能上應(yīng)成為獨(dú)立的系統(tǒng)，必須在月表獨(dú)立完成自動封裝功能。從上面的調(diào)研分析，我國的月球樣品采樣與封裝既不同于美國的月球樣品人工采集和封裝，也不同于前蘇聯(lián)的月球樣品采集和封裝方式。因為前蘇聯(lián)的月球探測器不需軌道交會對接，探測器攜帶樣品封裝容器從月球表面起飛并直接返回地球，月球樣品封裝容器集成在探測器返回艙內(nèi)，月球樣品的封裝功能由返回艙執(zhí)行完成。總體而言，我國月球樣品的采集和封裝須采用自動控制技術(shù)，主要功能包括自動密封、自動鎖緊/解鎖以及自動開合等3個單元，因此樣品容器的自動密封技術(shù)、自動鎖緊/解鎖技術(shù)以及容器蓋體的自動開合技術(shù)就成為實(shí)現(xiàn)我國月球樣品采集與自動封裝的支撐技術(shù)。4.2金屬擠壓密封根據(jù)月球樣品封裝容器的實(shí)際結(jié)構(gòu)，我國的月球樣品封裝容器宜采用兩次密封方式。一次密封采用O形橡膠圈密封，位于密封結(jié)構(gòu)的外側(cè)；二次密封采用金屬擠壓密封，位于密封結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，見圖4。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)裙共同形成一次密封結(jié)構(gòu)。在蓋體上安裝銦銀合金，容器口部加工成刀口。在二次密封之前，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保持一定的距離，從而保護(hù)了刀口和銦銀合金。當(dāng)進(jìn)行二次密封時，鎖緊機(jī)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)形成了二次密封。4.3容器蓋體驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計為了符合航天器的結(jié)構(gòu)要求并盡可能多地容納月球樣品，要求月球樣品封裝容器的開合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、可靠性高、功耗低，蓋體開合方向和蓋體旋轉(zhuǎn)軸成90°交錯。為了實(shí)現(xiàn)月球樣品封裝容器的自動開合，須對容器蓋體的驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計，選用輸出扭矩小、功耗較低的電機(jī)型號。由于蝸輪-蝸桿傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比大，傳動穩(wěn)定而且具有自鎖功能，故可采用蝸輪-蝸桿作為蓋體開合的傳動機(jī)構(gòu)。4.4拉嘴唇和剪切銷構(gòu)成鎖緊/解鎖機(jī)構(gòu)可采用火工品鎖緊/解鎖技術(shù)，火工品鎖緊/解鎖機(jī)構(gòu)見圖5。鎖緊/解鎖機(jī)構(gòu)由兩個鎖緊火工品作動筒、兩個拉爪和剪切銷構(gòu)成，機(jī)構(gòu)的工作原理見圖6。利用作動筒輸出的大推力使拉爪扣緊筒體的外圓臺階面，并將蓋體向筒體刀口部作壓緊運(yùn)動，作動筒產(chǎn)生足夠的壓緊力使蓋體的銦銀合金被刀口嵌入，形成金屬擠壓密封?；鸸て纷鲃油膊捎梦_擊的小型火工品作動筒，這種作動筒在活塞運(yùn)動過程中進(jìn)行阻尼緩沖，可輸出較大的力，但產(chǎn)生的沖擊非常微小，對航天器不會造成沖擊危害。4.5mos2固體潤滑膜月球樣品封裝容器的運(yùn)動部件主要有蝸輪-蝸桿副和蓋體的旋轉(zhuǎn)鉸支。由于對蓋體的開合位置精度要求低，所以對傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度要求不高，蝸輪和蝸桿的表面可采用噴涂MoS2固體潤滑膜，蓋體旋轉(zhuǎn)鉸支的軸和孔的表面也可噴涂MoS2固體潤滑膜。MoS2固體潤滑膜可以解決真空環(huán)境下的運(yùn)動副接觸表面的干摩擦和粘著力的問題，也可防止運(yùn)動副在極高真空和低溫復(fù)合環(huán)境下發(fā)生冷焊現(xiàn)象。考慮到月球樣品封裝容器的蓋體在月球表面只動作兩次，可采用防塵罩防止月塵進(jìn)入運(yùn)動副內(nèi)部。也考慮到月面高低溫交變環(huán)境下材料的熱脹冷縮問題和蓋體開合機(jī)構(gòu)的傳動精度要求低，鉸支的軸和孔可以選擇較大的配合間隙，蝸輪和蝸桿的中心距也可選擇較大的間隙尺寸。5美國東北部和國內(nèi)東南角區(qū)域自動封裝技術(shù)方案根據(jù)我國探月工程三期的規(guī)劃要求，所采用的月球樣品采集返回方案有別于國外的方案?；趯庠虑驑悠纷詣臃庋b技術(shù)