地外采樣裝置電子束焊接密封方案探討

張永和 何 俊 李永春 成 鋼

地外采樣裝置電子束焊接密封方案探討

張永和 何 俊 李永春 成 鋼

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

針對現(xiàn)有的地外采樣裝置高可靠密封術(shù)的優(yōu)劣,結(jié)合空間電子束焊接技術(shù)已取得的成就,提出了人機配合、人員自主以及設備自動三種采樣裝置焊接工作模式,分析了每種模式實現(xiàn)的難易程度和適應性要求,并結(jié)合多日目標、多任務的發(fā)展趨勢，對后期的空間電子束發(fā)展提出了相關(guān)建議。

密封裝置；空間電子束焊接；工作模式

1 引言

隨著我國月球采樣返回任務的成功實施，地外采樣密封裝置及其密封技術(shù)愈發(fā)重要。根據(jù)后續(xù)火星及其他深空探測任務的發(fā)展需求，極高真空環(huán)境下采樣設備的密封是確保采樣品質(zhì)和采樣任務成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。主要是因為采用常規(guī)密封方式時，密封材料在空間特殊環(huán)境下極易老化，失去彈性，甚至出現(xiàn)皸裂等問題，導致密封失效，使樣品污染或任務失敗[1]。

通過對國內(nèi)外成功案例的分析后對地外采樣裝置的密封形式進行創(chuàng)新設計與探討，提出采用空間電子束焊接的方式在地外環(huán)境中實施樣品封裝裝置的密封，確保樣品在返回地球及在地面運輸轉(zhuǎn)移及試驗分析過程中不發(fā)生密封失效，有利于獲得高品質(zhì)、無污染、純原態(tài)的樣品。

2 樣品密封現(xiàn)狀及其優(yōu)劣分析

2.1 樣品封裝密封形式

目前，只有我國、美國及前蘇聯(lián)實現(xiàn)了月壤的采樣、封裝和返回，圖1給出了“阿波羅”任務中采用的圓柱形和圓角箱體結(jié)構(gòu)的月壤封裝結(jié)構(gòu)，主要由筒體、蓋體和密封結(jié)構(gòu)等組成，密封材料主要為氟橡膠、銦銀合金等。裝置采用二次冗余密封結(jié)構(gòu)，O形橡膠密封圈位于外側(cè)，采用卡扣預緊密封；二次密封采用銦銀合金，通過刀口結(jié)構(gòu)形成密封[2]。這種結(jié)構(gòu)下，刀口穿透密封面的月塵直接擠壓切入銦銀合金，該銦銀合金溶化后允許月塵彌散在內(nèi)，消除刀口加壓影響，保證形成可靠的密封。

美國在火星探測任務中采用了如圖2所示的爆炸焊雙層密封結(jié)構(gòu)。將地外樣品裝入內(nèi)膽后，同時引爆上下兩部分的接觸面的炸藥，將內(nèi)外兩層炸斷的同時形成焊接接頭，使外殼與內(nèi)膽分離，樣品被完好地保存在內(nèi)膽里面，任務返回時帶回。

圖2 爆炸焊接雙層采樣筒結(jié)構(gòu)示意圖

除了上述兩種密封方式外，NASA還設計了如圖3所示的釬焊密封結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由上、下蓋體和內(nèi)、外筒體組成，蓋體和筒體提前采用釬焊方式固定。待樣品裝入后將蓋體與簡體貼合，加熱線圈將提前焊接的釬料和貼合面的釬料同時熔化，下蓋中的內(nèi)筒體收到彈力作用與底部分離，并于上蓋內(nèi)筒焊接形成整體密封保存環(huán)境[3]。

我國月球樣品密封封裝子系統(tǒng)作為嫦娥五號探測器的核心裝置之一，如圖4所示，由蘭州空間技術(shù)物理研究所研制，為了確保任務的一次成功，同樣采用了冗余密封技術(shù)，并結(jié)合火工鎖緊機構(gòu)實現(xiàn)了蓋體和筒體的可靠高真空密封。

圖4 我國月球樣品密封封裝裝置

2.2 密封方式優(yōu)劣分析

上述密封形式各有優(yōu)劣并均在深空探測中進行了應用驗證，表1給出了各種密封方式能夠達到了漏率情況[4]。

表1 三種密封方式漏率

從表1可以看出，三種密封方式均能夠?qū)崿F(xiàn)高真空封裝要求，但焊接方式能夠達到極高真空。在具體實施方面，擠壓密封和O形橡膠圈組合的冗余密封方式需要綜合考慮橡膠選型、老化固化、刀口設計以及擠壓力等問題，結(jié)構(gòu)復雜，可靠性低；爆炸焊在實施過程中會產(chǎn)生較大的機械沖擊，炸藥引爆順序和引爆能量會對周圍部件造成結(jié)構(gòu)損傷和沖擊，環(huán)形焊接還存在交匯碰撞問題，一旦在接頭處形成“褶皺”缺陷就會產(chǎn)生泄露；釬焊方式對釬料的選擇和實施時機要求嚴格，受周圍環(huán)境影響較大，如月塵及其它碎片會污染熔化的釬料[5]。

3 電子束焊接密封方案

嚴格意義來說，爆炸焊屬于壓力焊，而銦銀合金的焊接屬于釬焊，均不屬于熔化焊。為了徹底解決密封漏率在經(jīng)歷了高低溫循環(huán)、熱輻射、高真空等環(huán)境后發(fā)生變化的問題，采用熔焊技術(shù)對蓋體和筒體焊接密封無疑是行之有效且可靠性高的方法。同時，為了保證地面解封分析的需要，建議參照前期的設計方法，采用雙層結(jié)構(gòu)。其中，里層采用銦銀合金與O形橡膠圈組合密封方式一次密封，滿足地面解封后短時間內(nèi)的拆分和分析；外層采用熔焊方式焊接密封，確保在返回地面后漏率不發(fā)生變化。中間的夾層為采集的月球氣體樣品，可以保護里層的樣品始終處于原始環(huán)境下。地面解封在真空環(huán)境下進行，將外層切開后，逐漸充入大氣，在氣體壓力下里層的密封仍然可以保證。

針對地外采用封裝裝置的密封，建議采用高能密度的電子束焊接技術(shù)熔化焊接，形成理想的熔焊焊縫，漏率性能指標達到5×10-13Pa?m3/s要求。該指標優(yōu)于現(xiàn)階段國內(nèi)外已經(jīng)實現(xiàn)的漏率指標，達到國際先進水平。

3.1 空間電子束焊接研究進展

空間焊接是指在地外特殊空間環(huán)境下開展焊接工作，與地面焊接相比較，優(yōu)于地外空間微重力環(huán)境的作用，熔體表面張力效應凸顯，極易發(fā)生球化，潤濕和鋪展較難，焊縫的形成過程與地面截然不同?？臻g焊接技術(shù)的國外發(fā)展歷程已證明，電子束是最適合空間在軌使用的加工熱源。對封裝裝置采用電子束焊接方式密封會達到理想的密封效果。

蘭州空間技術(shù)物理研究所在2000年根據(jù)當時國內(nèi)外空間焊接技術(shù)的研究狀況，在863-2空間站技術(shù)領(lǐng)域承擔了《空間焊接技術(shù)的概念研究》課題。課題組調(diào)研了空間焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，了解了國外空間焊接技術(shù)的最新研究成果，國際空間站的最新進展，國內(nèi)焊接技術(shù)的發(fā)展狀況。同時還到烏克蘭巴頓電焊研究所調(diào)研了空間多功能電子束加工裝置的研究過程、應用背景、地面實驗情況、空間焊接試驗結(jié)果等。并與烏克蘭科學院巴頓電焊研究所深入交流空間電子束焊接技術(shù)。2001年3月利用研制的原理性實驗裝置，進行了真空環(huán)境的電子束焊接、切割試驗，取得了滿意的結(jié)果，基本確定了空間焊接用多功能電子束設備的加速電壓、功率、靜電部分結(jié)構(gòu)尺寸等指標，并提出了我國空間站維修方案和多功能電子束加工裝置設計報告。2014年，在載人二期預研項目中開展了《空間損傷檢測與焊接技術(shù)研究》，成功研制了國內(nèi)首臺空間電子束焊接原理樣機，實現(xiàn)了3mm鋁合金材料的焊接。針對已獲得的成果和小型設備研制過程的經(jīng)驗，申報了國家發(fā)明專利《一種用于空間在軌作業(yè)的便攜式手持電子槍》，專利授權(quán)號：ZL201610788797.5?，F(xiàn)階段正在根據(jù)我國空間站運營項目開展空間電子束焊接原理樣機的試驗工作。

3.2 電子束焊接密封工作模式

根據(jù)國內(nèi)外采用的封裝裝置結(jié)構(gòu)和密封形式，焊縫形式主要集中在平面圓形焊縫、平面矩形焊縫、圓周環(huán)形焊縫等。上述焊縫形式均可以實現(xiàn)自動化，區(qū)別在于各種方案對航天員、設備的要求不同，需要比較實現(xiàn)方案優(yōu)劣。

在實施電子束焊接密封過程中，可以考慮采用以下工作模式：

a. 航天員與機械臂配合完成采樣裝置封裝焊接。待采樣結(jié)束后，由航天員將電子束加工裝置安裝在月球空間站維修機械臂末端，操控人員按照待焊接裝置的位置和焊縫種類規(guī)劃機械臂的運動軌跡，電子束加工裝置到達焊縫上方后，通過微調(diào)滿足設備要求的焊接距離，通過啟動按鈕完成電子束出束，電子束加工設備在機械臂的帶動下按照密封面的焊縫形式完成整圈焊接。該方法對電子束加工設備的要求較低，只要能夠發(fā)射一定功率的電子束，確保焊接深度即可。焊接過程的尋縫和工作距離的保持主要由機械臂完成。該方案需要利用機械臂完成焊接，如圖5所示。

圖5 機械手攜帶電子束焊接設備

b. 航天員自主完成采樣裝置焊接。待采樣結(jié)束后，航天員手持便攜式電子束加工設備，在集成電子束加工設備中選擇相應的預置程序，手持設備按照焊縫形式完成焊接。該過程需要航天員能夠確保工作距離在整個焊接過程中變化不大，確保焊接過程平穩(wěn)。該方案對航天員要求較高，需要攜帶便攜式電子束焊接設備進行焊接操作，便攜式電子束焊接設備原理如圖6所示。

1—聚焦線圈 2—陽極 3—聚束極 4—絕緣子 5—殼體 6—陽極 7—陰極 8—連接電極 9—高壓電纜

c. 航天員完成裝配，設備自動焊接。待采用結(jié)束后，航天員將采用裝置安裝在設備自帶的移動轉(zhuǎn)臺上面，并固定。設備較復雜，需要攜帶相應的移動機構(gòu)，實現(xiàn)不同形式焊縫的焊接。航天員通過判斷焊縫結(jié)構(gòu)，并將封裝裝置放置在合適位置，然后選擇電子束加工設備對應的焊縫形式按鈕，電子束設備自動完成焊接。該方案對電子束加工設備要求高，功能更復雜，設備需要具備移動平臺及旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

3.3 電子束焊接密封的適應性要求

截至目前，我國還沒有開展過空間環(huán)境下的焊接試驗，因此，針對采樣裝置的電子束焊接密封，為確保地外環(huán)境施焊的順利進行，需要根據(jù)有效載荷搭載限制和地外環(huán)境特殊的工況，開展小型化、輕量化、集成化的電子束焊接成套設備研發(fā)，并通過大量的地面驗證試驗和模擬試驗，獲得地外環(huán)境下密封焊接的工藝參數(shù)。因此，要實現(xiàn)在地外空間環(huán)境下的金屬材料焊接，還需要著重考慮和解決以下幾方面的問題。

a. 熱源適應性：空間環(huán)境下能夠獲得的熱源有限，研制的電子束焊接設備必須結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，且具有高的能源利用率。現(xiàn)階段能夠?qū)崿F(xiàn)的空間用電子束設備功率約1000W，能夠?qū)崿F(xiàn)3～5mm的常用航天金屬的焊接，如果空間電能有限，需要考慮研發(fā)更低功率的空間電子束焊接設備。

b. 成形工藝適應性：地外環(huán)境下表面張力起主要作用，金屬熔化、流動和成型均與地面不同，不可避免地會導致焊接工藝參數(shù)與焊縫成型質(zhì)量的關(guān)聯(lián)性發(fā)生變化，因此，必須根據(jù)地外環(huán)境仿真和優(yōu)化焊接工藝，同時也要建立相應的焊縫質(zhì)量評價機制。

c. 電子束加工需求的適應性：對地外環(huán)境發(fā)射有效載荷的成本十分昂貴，因此，電子束焊接設備在實現(xiàn)采樣裝置密封功能的前提下，還應該能夠滿足其他任務和目標的需求，實現(xiàn)對金屬材料多樣化的加工制造，如切割、熔覆以及應急維修工具或結(jié)構(gòu)件的3D打印、修復等。

4 結(jié)束語

通過對地外采樣裝置焊接密封技術(shù)和方案的探討，空間電子束應用設備需要高度集成化、智能化和自動化，具備在軌焊接、切割、熔覆、3D打印、原位修復等多項功能，滿足多任務、多目標的應用需求，實現(xiàn)一機多用的目的，最大限度提高設備的復合型和實用性。如通過改變聚焦線圈的電流，實現(xiàn)對電子束束斑大小和能量密度的控制，在高能量密度時滿足切割功能，在低能量密度時實現(xiàn)熔覆功能，典型應用場景還應該包括地外資源原位利用、地外大型構(gòu)件焊接、地外基地運營過程應急工具及零部件的增材制造等[6]。

1 付朝暉，許旻，杜永剛，等. 極高真空環(huán)境下軟金屬刀口密封研究[J]. 真空科學與技術(shù)學報，2014(3)：221～224

2 杜永剛，楊震春，付朝暉，等. 月球樣品自動封裝技術(shù)的可行性探討[J].航天器環(huán)境工程，2010(5)：566～569

3 張斌，俞敏，楊華勇. 深空樣品密封技術(shù)綜述[J]. 航天器環(huán)境工程，2013(1)：26～33

4 李昊鱗，王春勇，劉軼鑫，等. 月球樣品充氮保護密封技術(shù)的研究[J]. 真空科學與技術(shù)學報，2017(1)：7～12

5 俞敏. 月球樣品密封結(jié)構(gòu)的泄漏分析與地面實驗[D]. 杭州：浙江大學，2014

6 王敏，時云，楊天豪，等. 空間在軌3D打印進展及關(guān)鍵問題分析[J]. 航天制造技術(shù)，2021(3)：62～65

Discussion on Joints Using Electron Beam Welds for Sealing of Extraterrestrial Sample Device

Zhang Yonghe He Jun Li Yongchun Cheng Gang

(Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000)

In view of the advantages and disadvantages of the high reliable sealing technology of the extraterrestrial sampling device, combined with the achievements of space electron beam welding technology, three welding working modes of sampling device are proposed: man-machine cooperation, personnel autonomy and equipment automation. The difficulty and adaptability requirements for each mode are analyzed. Combined with the development trend of multiple target and multi task, some suggestions for the later development of space electron beam are put forward.

sealing device；space electron beam welding；work mode

TG456.3

A

張永和（1981），高級工程師，材料加工專業(yè)；研究方向：高能束特種加工技術(shù)。

2021-07-01