月球樣品密封結(jié)構(gòu)的泄漏分析與地面實驗.pdf

1、對于我國開展的探月三期工程，可靠的月球樣品密封裝置是后續(xù)地面分析科學(xué)性的保證。然而，無論是美國阿波羅計劃還是蘇聯(lián)月球計劃，樣品封裝之后均出現(xiàn)了不同程度的泄漏，在返回地球后難以繼續(xù)維持樣品原有的月球高真空環(huán)境。因此，本課題對于月球樣品密封結(jié)構(gòu)的研究不僅符合國家重大需求，同時具有一定的挑戰(zhàn)性。
　　本論文針對我國探月工程三期所提出月球樣品封裝的可靠性、自動化和輕量化要求，結(jié)合國內(nèi)外深空樣品密封技術(shù)研究成果，提出了爆炸焊接密封、釬焊密封

2、、以及O形橡膠圈與刀口擠壓冗余密封（簡稱“冗余密封”）三種方案，設(shè)計相應(yīng)原理樣機并分析優(yōu)化，最終從可靠性角度出發(fā)，選擇冗余密封方案?；赗oth擠壓填充密封機理，對冗余密封的O形橡膠圈和刀口擠壓密封結(jié)構(gòu)分別建立數(shù)值模型并優(yōu)化，分析泄漏形成的各類途徑及其影響因素;另外，重點對關(guān)鍵密封材料銦銀合金的特性與焊接性能進行研究，包括銦-銀二相圖分析、銦銀合金冶煉工藝選擇、與各類基體材料的浸潤性試驗、焊接強度檢測試驗、X射線照射焊接孔洞率分析檢測試

3、驗等，驗證銦銀合金用于月球樣品密封裝置的初步可行性，并為后續(xù)地面實驗奠定基礎(chǔ)。在泄漏分析的理論基礎(chǔ)上，基于氦質(zhì)譜檢漏法，進行冗余密封結(jié)構(gòu)地面漏率檢測實驗臺設(shè)計與搭建，一方面，分析橡膠種類、安裝方式、溫度交變等對O形橡膠圈密封性能的影響;另一方面，檢測刀口擠壓銦銀合金密封結(jié)構(gòu)的漏率、壓緊力及溫度承受范圍等，進行可行性驗證。結(jié)合上述泄漏理論分析與地面實驗結(jié)果，該論文最后給出冗余密封用于月球樣品密封裝置的推薦材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)與工藝選擇等結(jié)論性建

4、議。
　　本論文的主要內(nèi)容如下:
　　第一章介紹了月球樣品密封技術(shù)在探月工程中的意義，隨后闡述國內(nèi)外空間活動中行星樣品封裝技術(shù)的研究現(xiàn)狀，著重于對比分析多種密封材料、密封結(jié)構(gòu)，最后提出了本課題的研究內(nèi)容與研究難點。
　　第二章對月球樣品裝置的密封任務(wù)進行分解，并對可能影響密封可靠性的工況因素進行分析，在此要求下，提出了三種適用于月球樣品密封裝置的方案，包括:爆炸焊接密封、熔化釬焊密封、O形橡膠圈徑向安裝和刀口擠壓銦銀合

5、金的冗余密封。對三種方案建立相應(yīng)理論模型并比較分析各自優(yōu)缺點，最終從可靠性角度出發(fā)，選取冗余密封作為后續(xù)泄漏理論分析和地面考核實驗的方案依據(jù)。
　　第三章對月球樣品的冗余密封結(jié)構(gòu)進行泄漏理論分析。針對O形橡膠圈密封結(jié)構(gòu)，在Roth擠壓填充密封機理的基礎(chǔ)上，通過經(jīng)驗公式，建立漏率數(shù)值模型，并分析O形橡膠圈壓縮率、老化滲透、溫度變化對密封性能的影響，為密封結(jié)構(gòu)以及地面考核實驗設(shè)計提供理論依據(jù);針對刀口擠壓銦銀合金密封結(jié)構(gòu)，一方面，在擠

6、壓填充密封機理的基礎(chǔ)上，通過有限元分析計算刀口表面應(yīng)力分布得到漏率數(shù)值模型，從而對刀口結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并從理論上探究刀口擠壓密封低漏率的本質(zhì)，另一方面，探索了月球表面超高真空環(huán)境下刀口擠壓銦銀合金的固態(tài)焊接成型機理，用以進一步提高密封可靠性。最后，分析了冗余密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵密封材料銦銀合金的各方面特性及冶煉加工方法，并鑒于其焊接固定于簡體溝槽，開展了多種焊接試驗，包括不同金屬鍍層的浸潤性比較試驗、釬焊焊接強度檢測試驗、X射線照射下焊接孔洞率

7、的圖像分析、以及高低溫交變環(huán)境試驗、形位公差檢測等。上述研究對冗余密封結(jié)構(gòu)用于月球樣品返回計劃進行了初步可行性論證，也對后續(xù)的地面漏率檢測實驗設(shè)計提供依據(jù)。
　　第四章針對月球樣品冗余密封裝置的O形橡膠圈密封結(jié)構(gòu)和刀口擠壓銦銀合金密封結(jié)構(gòu)，采用氦質(zhì)譜檢漏法分別進行了地面漏率檢測實驗。對于O形橡膠圈密封結(jié)構(gòu)，實驗進行了三種不同型號的橡膠材料以及兩種不同安裝方式在溫度交變環(huán)境下的漏率變化對比。通過實驗結(jié)果的分析，綜合低溫交變橡膠回彈性

8、、室溫漏率值以及滲透率等因素，初步選擇丁腈橡膠5080，另外，O形橡膠圈的軸向安裝相對于徑向安裝密封結(jié)構(gòu)，具有更大的溫度適用區(qū)間，原因是O形橡膠圈的收縮方向?qū)Σ煌惭b方式下不同接觸應(yīng)力補償所帶來的差別。對于刀口擠壓銦銀合金密封結(jié)構(gòu)的漏率實驗，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具有更低的漏率和更小的壓緊力，適合于驅(qū)動裝置輕量化的實現(xiàn)，同時合金中少量銀的添加擴大了密封結(jié)構(gòu)的溫度適用范圍。
　　第五章概括了全文的主要研究內(nèi)容，總結(jié)了研究成果，驗證冗余密封用