月球样品自动封装技术的技术特点

月球样品自动封装技术的技术特点

0月壤样品封装技术根据中国探月工程三项总体规划，对月样品进行自动采集和返回，并在土壤下进行系统的矿物学分析和勘探，以进一步研究月亮和地球探测系统的发育。我国执行从地外天体上自动采样返回任务尚属首次，对月球样品封装技术的研究处于起步阶段。月球样品封装容器在地-月轨道飞行中要经历复杂空间环境条件，考虑到月球样品封装的可靠性要求，在月壤样品自动封装技术的研究中必须重视空间环境因素。本文对月球样品的自动封装技术进行了初步研究，在封装容器的自动开合、锁紧和密封3个关键技术方面提出了可行性的技术方案。1月表采样和封装容器为了保证取回的月球样品能够维持其在月表环境下的原态，在月球探测器发射之前，月球样品封装容器要在地面进行热真空除气、灭菌等净化处理，处理后的封装容器进行真空密封，防止地球大气进入容器内部造成污染，这就是封装容器的一次密封。月球探测器在月球表面着陆定位后，开始对月表的月壤和深层的岩芯进行钻探与取样。此时，月球样品封装容器要执行盖体（即门）的开启操作，包括自动解锁和盖体自动开启到一定的角度。采样过程中，取样器将采集到的样品输送到月球样品封装容器。在月表采样结束后，需要执行月球样品封装容器盖体的关闭操作，包括盖体的关闭就位、自动锁紧和二次密封。在整个过程中，月球样品封装容器要实现盖体的一次关闭、一次锁紧、一次密封，盖体的自动解锁、自动开启到一定角度，盖体的二次关闭、自动锁紧、二次自动密封等一系列的操作。完成采样后，月球样品封装容器由月球探测器的上升器发射推入到月球轨道；在月球轨道上，需将月球样品封装容器转移到返回舱；再由返回舱携带月球样品封装容器穿行地-月轨道，再入地球大气；最后着陆到地面并回收。在两次着陆时，月球样品封装容器的盖体及其机构既要承受着陆冲击，又要承受地-月轨道空间环境的考验。为了保证盖体及其机构的可靠工作和盖体的可靠密封，要求月球样品封装容器（含盖体及其机构）具有一定的结构强度和刚度，密封材料在地-月环境中具有良好的性能。2极高真空环境对机械机构的影响月球表面的主要环境因素如下：1）月球表面重力约为地球表面重力的1/6;2）月球表面为极高真空环境；3）白昼的环境温度最高可达到150℃，夜间温度最低达到-180℃；4）月面上宇宙射线和太阳风的辐照非常强烈；5）太阳紫外线的照射致使月尘带电，带电的月尘极易附着在航天器的表面上；另外，月球探测器着陆时会扬起月尘，也会附着在探测器上；6）月球表面经常受到宇宙微流星体的轰击，撞击速度范围为2.4～72km/s。极高真空环境对机械机构的影响是非常大的，主要表现为机构间的运动磨损、粘着、疲劳等。两个材料的接触表面在大气环境中容易形成气体分子润滑层，起到保护材料接触表面的作用。而在真空环境下，两个材料接触表面不会出现气体分子润滑保护层，因此机构运动接触表面的摩擦系数和粘着力都会增加，致使机构的运动功耗增加，尤其在真空低温环境下，机构中的运动副极易出现冷焊现象。月尘的成分中大部分是SiO2（占40%以上），而直径小于50μm的粒子又占50%以上，尘埃粒子的硬度较高且表面极不规则，所以月尘具有很强的磨损力。由于带有静电的月尘附着在机构的表面，会对机构造成磨损、卡死现象。在美国6次成功登月的“阿波罗”任务中，都发生了由于月尘导致机械机构卡死的现象。月表昼夜温差大。在高温和低温下，机构运动副材料的热胀冷缩程度不同，也有可能导致机构运动副卡死。以上这些因素都会对月球探测器及其机构的可靠性分别造成程度不等的影响。为了确保整个采样返回任务的成功和月球样品封装容器的盖体及其机构的可靠性，在月球样品封装容器的设计中需要充分考虑这些因素的影响。3样品容器密封迄今为止，只有美国和前苏联成功地完成了月球采样返回的任务。美国在“阿波罗”登月计划中，进行了人工采样和封装，所采用的封装容器为一个箱体（见图1）。这是封装容器的外形图，盖体打开时可以和箱体完全分离，盖体的开合和锁紧均依靠航天员手工完成。值得关注的是该容器的密封采用了一次和二次密封结构，其结构如图2所示。样品封装容器为矩形箱体，密封面的形状为矩形。样品容器的一次密封采用O形橡胶密封圈，位于密封结构的外侧，依靠弹簧卡扣形成密封预紧力。二次密封采用金属熔焊密封方式，即在容器盒体上开槽口和在容器盖体上焊接密封板，并在槽口内安装有U形口的金属铟。在熔焊之前，密封板插在金属铟的U形口内；在密封时，用加热管加热金属铟使其熔化后，将密封板熔焊在槽口内并形成密封。这种由O形橡胶圈密封和金属熔焊密封构成的密封方式为一种冗余密封结构。此外在“阿波罗”计划中，还采用了一种圆柱形的样品容器，见图3。这种容器用来收集岩芯样品或微量气体样品，容器的密封采用了金属挤压密封技术，在容器的壳体上加工有锋利的刀口，在盖体上安装铟银合金，利用刀口挤压入铟银合金内形成密封。容器的盖体上安装拉爪机构，拉爪可以把容器盖体压紧在容器壳体的刀口上并锁紧。前苏联发射了Luna系列的月球探测器，成功完成了3次无人月球样品采样返回的任务。月球样品容器集成在球形返回舱内，样品容器为圆柱形结构，容器的盖体也是返回舱的盖体，盖体的开合为机电机构，容器采用橡胶密封方式。4中国月亮样品自动密封技术的考虑4.1我国球前两种立法关于采集和封装方式的问题根据我国探月工程三期的安排，在采样返回过程中，月球探测器需要实现月球轨道交会对接和月球样品容器的转移，月球样品封装容器在功能上应成为独立的系统，必须在月表独立完成自动封装功能。从上面的调研分析，我国的月球样品采样与封装既不同于美国的月球样品人工采集和封装，也不同于前苏联的月球样品采集和封装方式。因为前苏联的月球探测器不需轨道交会对接，探测器携带样品封装容器从月球表面起飞并直接返回地球，月球样品封装容器集成在探测器返回舱内，月球样品的封装功能由返回舱执行完成。总体而言，我国月球样品的采集和封装须采用自动控制技术，主要功能包括自动密封、自动锁紧/解锁以及自动开合等3个单元，因此样品容器的自动密封技术、自动锁紧/解锁技术以及容器盖体的自动开合技术就成为实现我国月球样品采集与自动封装的支撑技术。4.2金属挤压密封根据月球样品封装容器的实际结构，我国的月球样品封装容器宜采用两次密封方式。一次密封采用O形橡胶圈密封，位于密封结构的外侧；二次密封采用金属挤压密封，位于密封结构的内侧，见图4。该密封结构在盖体上加工橡胶圈密封槽，它和O形橡胶圈及防护裙共同形成一次密封结构。在盖体上安装铟银合金，容器口部加工成刀口。在二次密封之前，O形橡胶圈压在防护裙上形成一次密封，防护裙使刀口和铟银合金保持一定的距离，从而保护了刀口和铟银合金。当进行二次密封时，锁紧机构将样品容器的盖体向下压紧，在压紧力的作用下，防护裙发生变形，最终使刀口嵌入铟银合金内形成了二次密封。4.3容器盖体驱动机构设计为了符合航天器的结构要求并尽可能多地容纳月球样品，要求月球样品封装容器的开合机构结构简单紧凑、可靠性高、功耗低，盖体开合方向和盖体旋转轴成90°交错。为了实现月球样品封装容器的自动开合，须对容器盖体的驱动机构进行机电一体化设计，选用输出扭矩小、功耗较低的电机型号。由于蜗轮-蜗杆传动机构结构紧凑，传动比大，传动稳定而且具有自锁功能，故可采用蜗轮-蜗杆作为盖体开合的传动机构。4.4拉嘴唇和剪切销构成锁紧/解锁机构可采用火工品锁紧/解锁技术，火工品锁紧/解锁机构见图5。锁紧/解锁机构由两个锁紧火工品作动筒、两个拉爪和剪切销构成，机构的工作原理见图6。利用作动筒输出的大推力使拉爪扣紧筒体的外圆台阶面，并将盖体向筒体刀口部作压紧运动，作动筒产生足够的压紧力使盖体的铟银合金被刀口嵌入，形成金属挤压密封。火工品作动筒采用微冲击的小型火工品作动筒，这种作动筒在活塞运动过程中进行阻尼缓冲，可输出较大的力，但产生的冲击非常微小，对航天器不会造成冲击危害。4.5mos2固体润滑膜月球样品封装容器的运动部件主要有蜗轮-蜗杆副和盖体的旋转铰支。由于对盖体的开合位置精度要求低，所以对传动机构的运动精度要求不高，蜗轮和蜗杆的表面可采用喷涂MoS2固体润滑膜，盖体旋转铰支的轴和孔的表面也可喷涂MoS2固体润滑膜。MoS2固体润滑膜可以解决真空环境下的运动副接触表面的干摩擦和粘着力的问题，也可防止运动副在极高真空和低温复合环境下发生冷焊现象。考虑到月球样品封装容器的盖体在月球表面只动作两次，可采用防尘罩防止月尘进入运动副内部。也考虑到月面高低温交变环境下材料的热胀冷缩问题和盖体开合机构的传动精度要求低，铰支的轴和孔可以选择较大的配合间隙，蜗轮和蜗杆的中心距也可选择较大的间隙尺寸。5美国东北部和国内东南角区域自动封装技术方案根据我国探月工程三期的规划要求，所采用的月球样品采集返回方案有别于国外的方案。基于对国外月球样品自动封装技术