地外天体固体样品封装技术综述

耿智伟 王名亮 王波 何华东 马动涛 位博宇 赵家岱 牛壮葳 孔宁

(1 北京科技大学机械工程学院，北京 100083)(2 兰州空间技术物理研究所，兰州 730000)(3 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(4 天津航天机电设备研究所，天津 300301)

对地外天体进行多途径、全方位的探测，是探索地外天体起源、演变的主要方法，能够更加深入地探索地外天体的地质特性和空间环境[1]。20世纪以来，许多航天大国投入大量的研发经费，并制定了长期地外天体探测的发展规划，同时把地外天体探测作为主要发展的航天技术领域[2]。对于地外天体采样返回任务，探测器须前往目标天体采集土壤样品并将其封装在特殊的密封容器后返回地球[3]。

自20世纪60年代以来，美国、苏联、日本和欧洲均开展了针对月球、小行星、彗星等地外天体的采样返回活动，采集到了宝贵的地外天体土壤、微粒样品，为人类探索地外天体提供了重要的研究对象[4]。目前为止，已成功实现或计划实施采样返回任务的典型探测器包括美国的阿波罗号系列、起源号、星尘号、奥里西斯-雷克斯号和毅力号；苏联的月球号系列；日本的隼鸟号系列；欧洲的罗塞塔号、惠核号、马可波罗号以及我国的嫦娥五号等。样品的原始状态与完整性对研究人员进行准确分析至关重要，整个任务过程中需将样品以极高气密性完整地密封在封装容器中，避免出现因密封失效致使微量空气的进入对样品造成污染，降低地外天体样品的科学意义[5-6]。由于阿波罗号、星尘号以及隼鸟1号的样品容器返回后均出现了不同程度的泄露，导致样品被污染[7]，不能准确地进行科学分析实验，因此，地外天体采样返回任务中的密封技术已成为地外探测科学发展的焦点。为此，国内外学者提出并应用了多种样品封装技术，主要包括密封技术和封装机构两个方面[8]。本文基于国内外地外天体样品封装技术相关进展，概述了近30年来国内外的研究成果，对比分析了其技术特点，并提出了我国地外天体样品封装技术的发展方向。

1 地外天体固体样品密封技术

随着世界各国对月球、火星及其它行星探索技术的飞速发展，对密封材料及高真空密封技术提出更严、更高的要求。高真空密封技术的密封材料主要包括橡胶塑料和金属两种材料由于样品容器和容器盖件不包含其他活动部件，样品容器的密封通常采用静态密封，静态密封分为两大类：预加载方式和熔接密封方式[9]。预加载方式密封主要包括O形圈密封、金属挤压密封、形状记忆合金密封和复合密封；熔接密封方式主要有爆炸熔接密封和钎焊熔接密封。

1.1 预加载密封

1.1.1 O形圈密封

橡胶塑料材料尤其是性能兼有氟素橡胶及硅橡胶优点的氟硅橡胶与聚四氟乙烯材料，在高真空、高低温、强辐射等环境下能够保持正常工作，目前被广泛应用于各种非载人和载人航天器的结构与机构密封。

2003-2010年，日本的隼鸟1号探测器采集丝川小行星地表的岩石样本并返回地球[10]。如图1所示，在隼鸟1号样品容器的内盖下侧连接两个氟橡胶O形密封圈，通过非火工作动器(NEA)和压缩弹簧提供约1336 N的传递力压紧双O形氟橡胶密封圈，实现样品容器盖与筒体的密封。两个不同直径O形密封圈的设计方式，更好地保证了样品的原始性和完整性。密封要求100 h内容器的内部压力保持在1 Pa以下，但在返回地球后最终漏入约5000 Pa的地面空气。

图1 隼鸟1号样品容器截面图Fig.1 Sectional view of sample container of the Hayabusa-1

2011年，EAS发射了福布斯-土壤号[11]拟对火卫一实施采样返回任务，但最终发射失败。如图2所示，福布斯-土壤号采用弹簧激励聚四氟乙烯O形圈预加载的静态冗余密封方法，通过在拱形容器内壁上下两个不同直径的密封槽内放置弹簧激励的O形聚四氟乙烯密封圈实现密封系统的冗余设计。样品容器盖需提供40 N的压紧力来实现容器拱顶与容器罐体的压紧密封，密封性能要求大于0.001 mm的流体颗粒或液滴不得逸出或进入样品罐。

图2 福布斯-土壤号样品容器截面图Fig.2 Sectional view of sample container of the Phobos-Grunt

1999-2006年，美国的星尘号探测器完成了对彗星的采样返回任务[12]。如图3所示，围绕星尘号样品容器的边缘布置聚四氟乙烯U形密封件，并由不锈钢弹簧卡扣实现加固压紧，使样品容器在整个密封过程中保持6.9×103Pa的压差，防止污染物渗透到样品收集器。另外，样品容器盖的中心设有直径为64 mm的排气过滤器，用于在发射上升和地球再入期间平衡样品容器内的压力，同时防止烧蚀产生的隔热产品污染收集到的样品，阻止大于2 mm的颗粒进入样品容器。

图3 关闭的星尘号样本容器Fig.3 Closed sample container of the Stardust

1.1.2 金属挤压密封

金属挤压密封技术所选用的密封材料一般为铝和银铟合金等软金属材料，通过挤压使其发生塑性变形，填充到密封端面的微小沟壑，达到高真空密封的目的。

1969-1972年，美国阿波罗号系列探测器多次完成月球采样返回任务[13]。如图4所示，阿波罗11号、12号探测器在采样返回任务中采用的是以银铟合金的金属作为金属密封面进行挤压密封的技术，在容器的壳体上加工锋利的刀口，盖体上焊接银铟合金，刀口挤压入银铟合金内形成密封。容器罐体上的刀刃和盖子槽口中的银铟合金均用聚四氟乙烯片包裹起来，以防止灰尘的存在影响密封性能。

图4 气体分析样品容器Fig.4 Gas analysis sample container

2014-2020年，日本的隼鸟2号探测器实施了对小行星1999JU3的采样返回任务[14]。如图5所示，隼鸟2号探测器的密封方式是在隼鸟1号的基础上将双氟碳O形橡胶圈密封改为铝金属挤压密封。样品容器由A6061铝合金制成，内盖由A1070铝合金制成，减少了样品收集器和容器本身的潜在污染。通过激活NEA来释放2683 N的弹簧张力将曲面内盖压紧到样品容器边缘实现密封，密封性能要求在大气压下100 h可保证内部压力不大于1.33 Pa。

图5 隼鸟2号样品容器截面图Fig.5 Sectional view of sample container of the Hayabusa-2

针对阿波罗号月球采样返回任务中出现由于月尘粘附导致样品容器密封失效的情况，NASA提出了行星返回样品密封容器方案[15]。如图6所示，该方案采用刀口挤压铟金属的密封构型，利用聚四氟乙烯材料制作隔离层将软金属铟与外界隔绝开，确保样品不受星尘和碎片的污染影响并且在正常挤压力的作用下，软金属铟作为密封材料发生塑性变形填充盖体上的槽口实现高真空密封。刀刃嵌入软金属铟材料内部，有效地保证了密封性能。

图6 行星返回样品容器截面图Fig.6 Sectional view of sample container of the planetary return

1.1.3 形状记忆合金密封

形状记忆合金是一种新型功能材料，镍钛(Ni-Ti)形状记忆合金具有最佳的形状记忆效率性能，而且形状记忆效应性能稳定，被广泛地应用在航天领域，用于制作高密封件及坚固连接件。

2020年7月美国发射毅力号火星探测器，计划实施火星样品的采样返回任务[16]。毅力号采用翅片记忆合金塞来实现火星样品管的密封。如图7所示，翅片记忆合金塞的主体由镍钛合金制成，镍钛合金形状记忆特性使其在转变为马氏体时能够产生高达8%的应变，在加热回奥氏体时恢复到原来的形状。

图7 翅片记忆合金塞Fig.7 Finned memory alloy plug

利用镍钛合金的形状记忆合金特性，翅片塞被冷却到其最终马氏体转变温度以下，翅片向内弯曲减小外径，以便将塞子安装到样品管中，塞子保持其形状，直到加热超过其奥氏体转变温度，在此期间翅片放松回到其初始加工几何形状并膨胀到样品管的内壁中形成密封。另外，弹簧特氟龙套圈的设计保证在合金塞失效的情况下实现防尘密封，也可将热量与垫片隔离，以防止热量进一步传递到管内样品从而影响样品的原始性，不锈钢垫片被加工成与样管内径相匹配的形状，并擦拭样管表面，以清除任何较大的灰尘或污物颗粒。

1.1.4 复合密封

复合密封即双重密封，大多通过金属密封为主密封，橡胶圈密封为辅助密封的方式来提高样品容器的密封性能，可避免单一密封若发生失效导致样品被污染情况的发生。

阿波罗号采样返回任务开发了一种复合冗余密封结构[17]，如图8所示，样品容器的外侧密封采用O形橡胶密封圈，O形圈使用复合L608-6氟硅橡胶，凭借弹簧卡扣构成密封预紧力；第二密封使用金属熔焊密封，在密封箱U形槽分布着软金属铟，将密封板安装在容器盖体上。焊接前，密封板嵌入在有U形口的金属铟内，将金属铟加热使其熔化，从而将密封板和槽口焊接在一起。

文献[18]设计的真空冗余密封方案是以金属挤压密封为主密封、橡胶圈径向密封为辅助密封其通过地面环境试验验证并用于嫦娥五号的月球样品密封。结果显示：该方案密封漏率优于5×10-9Pa·m3/s，能够实现地外天体样品高真空密封，防止地外天体样品被污染。如图9所示，该密封结构在容器盖体上加工了与橡胶圈匹配的密封槽，并在盖体下侧焊接银铟合金，将容器罐体的口部设计成环形刀口。当月球样品采集完成后装入封装容器，电机驱动盖体关闭，通过火工作动机构驱动盖体向下运动，将封装容器刀口嵌入盖体密封材料形成刀口挤压密封，橡胶圈与封装容器形成橡胶圈径向密封，完成地外天体样品的锁紧及真空密封。

1.2 熔接密封

1.2.1 爆炸熔接密封

利用火药爆炸的能量将不同种类的金属材料熔接成一体，这种加工工艺称为爆炸熔接工艺，主要适用于内腔温度和压力较小的沟槽内焊接。如图10所示，被焊金属表面在炸药爆炸的过程中发生高速倾斜撞击，同时在撞击面上造成薄层金属的塑性变形、适量熔化和原子间的相互扩散等，并且同种或异种金属在短暂爆炸过程中形成结合。

图10 爆炸熔接原理图Fig.10 Schematic diagram of explosive welding

NASA设计了适用于火星采样返回任务的爆炸熔接密封构型[19]，该构型采用双层采样密封容器结构。如图11所示，为了保证密封封装的样品不被外界污染，采样封装容器的筒体设计成内、外两层结构，两层筒壁之间与外界完全隔绝；筒体也设计成上、下两个组件，当火星样品采集完毕后装入封装筒体后，启动点火器引爆火药，使上、下筒体的接触表面产生焊接接头，同时将焊接表面炸断，使内层筒体焊接成一体，与外层采筒体彻底分离，仅内层采样密封筒体被返回器带回，这种爆炸熔接密封构型有效的防止了外界环境对采集样品的污染。

图11 爆炸熔接构型Fig.11 Explosive welding configuration

1.2.2 钎焊密封

如图12所示，钎焊技术采用的钎料是比焊件熔点低的金属材料，将焊件和钎料均加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，母材表面被液态钎料润湿并借助毛细管作用，沿接缝流动铺展，因此钎料填充接头间隙并与母材相互扩散、相互溶解、相互渗透，形成合金层，冷凝后形成钎焊接头，从而实现焊件连接。

图12 钎焊密封原理图Fig.12 Schematic diagram of brazing sealing

NASA喷气推进实验室的Yoseph Bar-Cohen[20]等人设计了钎焊熔接密封构型。如图13所示，封装前该装置由盖体组件和筒体组件两部分组成，盖体组件分为上、下盖体，筒体组件分为内、外筒体，均利用钎料焊接成一个整体。密封封装时，样品装入筒体，盖体与筒体贴合，开启加热感应线圈的电源，当黄色所示的感应线圈温度达到500 ℃时钎料熔化，完成盖体与筒体的焊接。上、下盖体的钎料和内、外侧筒体的钎料也受热处于熔化状态，并在底部弹簧力的作用下实现分离。最终上层盖体和内筒体形成一个整体，完成样品封装并取出，如图14所示。

图13 封装前分离、搭接和密封(S3B)样品返回容器的结构Fig.13 Structure of separation,seaming,and sealing sample return container before encapsulation

图14 封装后分离、搭接和密封(S3B)样品返回容器结构Fig.14 Structure of separation,seaming,and sealing sample return container after encapsulation

从结构复杂性、密封性能、抗污染能力等方面对6种密封方式进行对比分析，见表1。

表1 地外天体样品密封技术对比Table 1 Comparison of sealing technologies for extraterrestrial objects

2 地外天体固体样品封装机构

目前，应用较为广泛的封装机构包括铰链开合式和活塞罐体式两种，按照技术发展历程对在实施采样返回任务的探测器上应用到的封装机构进行分析阐述。

2.1 铰链开合式机构

美国阿波罗号系列探测器在多次月球采样返回任务中，使用了一种铰链连接的矩形箱封装容器。如图15所示[6]，该容器外箱尺寸为480 mm×270 mm×200 mm，箱壁厚度约为2 mm，容积约为1.6×107mm3，可容纳17 470 g样品。

1970-1973年，苏联通过月球号系列探测器实现了对月球样品的自动封装[21]。如图16所示，在月球16号探测器中，样品容器集成在返回舱内，并和球形返回舱共存于一个盖体中，以外部橡胶圈和内侧刀口作为密封，刀口密封的材料是一种软金属，盖体关闭机构为铰链机构，利用返回舱内的火工驱动机构进行驱动。

图16 密封结构Fig.16 Structure for the sealing

星尘号探测器的样品容器与返回舱集成设计，样品容器的基板安装在返回舱的后壳上，如图17所示，样品容器的底部是一个厚25 mm、近乎圆形的全铝蜂窝板，容器盖是一个接近圆形的6061-T62铝盖。样本收集装置安装在样本容器内部，收集彗星尘埃时，后壳结构像蚌壳一样打开，释放出气凝胶尘埃收集器来捕获尘埃粒子，待取样完成后，气凝胶尘埃收集器能自动向下折叠收进返回舱，样品容器的打开或关闭都是通过铰链机构进行的。

图17 打开的星尘号样本容器Fig.17 Opened sample container of the Stardust

2001-2004年，美国起源号探测器完成了对太阳风粒子的采样返回任务[22]，如图18所示，其返回舱是一个直径为1520 mm的钝头锥体，在其中间位置设有样品容器，该样品容器内部安装有用于采集太阳分粒子的由六边形硅化玻璃盘组成的采集阵列，在探测到太阳表面喷发的时候，采集阵列可通过中心旋转机构展开，以捕获太阳风物质，最后通过铰链机构进行样品容器舱盖的打开或关闭操作。

图18 起源号组成结构Fig.18 Structure of the Origin

2016年美国发射了奥里西斯-雷克斯号小行星探测器对小行星1999RQ36实施采样返回任务[23]，预计2023年9月返回地球。如图19所示，样品容器被设计为返回舱结构的一个组成部分，样品容器的下部连接到隔热罩(见图19中白色部分)。当样品采集到之后，返回舱打开时即样品容器也打开，样品收集器固定在电子设备甲板上的捕获环中。当返回舱关闭时，电子设备甲板和样品容器下部之间的密封可保护封闭的样品收集器免受外部污染。

图19 奥里西斯-雷克斯号返回舱结构Fig.19 Structure of return capsule of the OSIRIS-Rex

2.2 活塞罐体式

如图20所示[24]，隼鸟1号探测器的样品容器形状如同大法兰的圆柱体，宽120 mm，高约130 mm，主要由装有插销的外盖、内盖、插销架、非火工作动器和样品收集器组成。其中样品收集器为圆筒形，直径为60 mm，高约70 mm，分为A、B两个舱室，可收集两个不同位置处的样品。为避免零件之间的材料污染，隼鸟号样品容器的材料成分仅限于由纯铝涂层的A6061铝合金、304不锈钢和氟橡胶密封圈，在发射前，样品容器的每个部分都使用超声波清洗机在2-丙醇中清洗[24]。

图20 隼鸟1号样品容器Fig.20 Sample container of the Hayabusa-1

福布斯-土壤号的样品容器安装在采样机械臂的尖端，在发射期间和采样结束之前保持在机械臂上。采样完毕后，机械臂控制着样品收集器将其放入返回舱中的样品容器中并固定锁紧，样品容器为最大外径16 mm，高40 mm的薄壁桶，固定锁紧动作需要机械臂施加40 N的压紧力。如图21所示，拱顶固定在地球返回舱(ERC)内部结构上，密封元件为避免样品污染的关键部件。

图21 福布斯-土壤号样品容器Fig.21 Sample container of the Phobos-Grunt

隼鸟2号的样品容器是在隼鸟1号的基础上加以改进，在锁紧机构下部与样品容器接触处设计了金属真空密封点，为了在返回舱回收后对样品容器进行迅速抽真空并收集气体。如图22所示，将稀释的气体取样接口放置在容器底部，用作气体收集和排空的端口。样品收集器的直径变为48 mm，高度为57.5 mm，容积约为70 000 mm3，具有3个分区仓位的密封舱设计，包括一个大仓A，两个小仓B/C，可以收集3个不同区域的样品。另外，样品收集器和样品容器的内表面经过机械抛光成镜面抛光表面，有助于最大限度地减少吸附的污染气体。

图22 隼鸟2号样品容器Fig.22 Sample container of the Hayabusa-2

2020年我国发射了嫦娥五号探测器实施月球样品的采样返回任务[25]，其密封封装装置如图23所示，整体为圆柱形，直径160 mm，高度为219 mm。密封封装装置外部一体化设计导向棘齿，用来协同月球轨道交会对接过程中完成样品容器从上升器到返回器的转移过程。利用大、小升角的螺旋运动副，实现样品密封容器盖体的直线和旋转运动，满足整体集成的方案目标。锁紧机构采用火工驱动，使用小体积、低冲击的火工作动器，以降低火工锁紧时的冲击危害。

图23 嫦娥五号样品容器Fig.23 Sample container of the CE-5

ESA计划2023年发射马可波罗号探测器，针对近地C型小行星2008 EV5开展采样返回任务[26]。其样品容器安装在返回舱中，在采集样品前样品罐门打开，开口为30 mm，样品罐的直径为100 mm，高度为200 mm，容积约700 000 mm3，样品罐的形状可产生涡流，以耗散粒子动能并捕获样品。当机械臂转移样品罐时，样品容器启封，返回舱通过铰链锁紧机构打开。返回舱的样品容器继承了“起源”号任务的容器和密封设计，如图24所示。样品罐进入样品容器后，样品容器重新处于密封状态，样品容器将进行防污染密封控制，样品容器与返回舱采用了集成设计，并作为返回舱前端和后端的连接结构。为避免污染样品，容器仅在样品罐进入时打开采集获得的样品不会被大于0.001 mm的尘埃或液体粒子污染，返回地球后样品的含水量等级低于0.1 ppm。

图24 马可波罗号返回舱样品容器Fig.24 Sample container in return capsule of the Marco Polo

3 地外天体固体样品封装技术应用分析与改进方向

目前，应用较为广泛的密封技术有以下6种形式：O形圈密封、金属挤压密封、形状记忆合金密封、复合密封、爆炸熔接密封、钎焊熔接密封。

(1)O形圈密封常使用橡胶和塑料材料，密封结构简单，在常温下密封性能良好，不需要额外的驱动机构，功耗极小。但在空间环境下的一些性能还存在缺陷，其材料弹性在-100 ℃以下难以保持，难以长期承受复杂多变的空间环境[27]。因此，要根据目标天体的空间环境和任务需求来选择密封圈的材料，如采用不锈钢丝制成的金属密封圈，能够在高真空、高低温、强辐射及各种腐蚀等环境下正常工作。

(2)金属挤压密封利用软金属特别是银铟合金受到挤压后发生塑性变形的特性能够实现较好的样品密封功能。其结构较为简单，需要电机或作动机构提供密封的驱动力。但由于星尘的粘附或多次重复密封动作都会影响密封性能，可能导致样品造成污染。因此，后续应对密封结构进行优化改进，增加防尘处理确保密封性能，还可研究在保证密封性能的前提下如何降低驱动力以减小功耗。

(3)形状记忆合金密封利用形状记忆合金的记忆效应，能够实现良好的密封性能，其活化温度可以通过调整合金比例来改变，并且能够承受较大的冲击和振动。但需要中等功率的加热器装置配合，密封在低温下转变为马氏体状态时可能出现松动现象，从而影响密封性能。

(4)复合密封对样品起着双重保护作用，以金属挤压密封为主密封，橡胶圈径向密封为辅助密封，复合密封能够提供较低的泄露率，密封性能较好。但由于密封容器盖体与银铟合金之间的连接能力欠佳，容易影响密封性能。因此，该密封仅适用于短时间、短距离发射任务和温度范围变化较小的采样环境。

(5)爆炸熔接密封方式对外部环境要求低，无需施加压力，也不易受到污染，理论上可以实现绝对气密性密封。但由于爆炸会产生高能量的冲击和高速碎片的碰撞，会损伤周围产品和组件，同时焊接接头也会造成破坏。因此，在今后的研究中应进行爆炸熔接密封结构的优化设计和爆炸熔接接头表面的防尘处理，以避免爆炸给样品密封带来不利影响。

(6)筒体与盖体之间形成原子间力的是钎焊熔接密封，理论上密封效果好，能够适应长时间的地外飞行，可以为样品创建绝对密封。但钎焊熔接密封对于粉尘或其他碎片较为敏感，导致钎焊熔接头质量严重受影响。另外，钎焊密封需要使用电磁加热装置，其中涉及电路屏蔽装置，使得封装装置内部结构更加复杂，最终影响可靠性。因此，需进行钎焊材料的选择和加热丝布置方式的优化并进行充分的可靠性实验。

封装机构包括铰链开合式机构和活塞罐体式机构。当采集样品的质量和体积较大，需要较大的空间来进行样品封装时，铰链开合式封装机构较为合适；当采集地外天体样品体积较小时，可采用占用返回舱内部空间较小的活塞罐体式机构较为适宜。

4 我国地外天体样品封装技术展望

对比国内外地外天体固体样品封装技术的发展情况可知，国外针对样品封装技术已设计出多种密封技术与封装机构，并进行了在轨验证，总体水平较高。国内目前只完成了月球样品的采样返回任务，在不同密封类型的研发和应用方面仍有较大发展空间，应在封装技术上进行重大突破。本文总结了目前地外天体固体样品封装技术发展情况，并结合我国月球样品封装技术发展现状，为我国未来的深空探测发展方向和发展需求提供如下参考建议。

1)充分继承和发展我国已有封装技术成果

嫦娥五号成功从月球上取回1731 g样品，填补了我国在地外天体样品封装技术方面的空白。在嫦娥五号密封系统的基础上，进行深入研究与分析，对比月球与其他小天体以及火星所处不同的空间环境，针对不同的任务需求，在嫦娥五号样品封装技术的基础上进行深入研究，开发出适合我国地外天体样品封装任务的系列化密封技术与密封结构方案。

2)样品封装技术的大胆探索

地外天体样品封装技术面临的主要挑战是紧凑的设计空间、极高的真空密封性能要求、复杂多变的空间环境以及在发射和返回地球阶段复杂外载。我国接下来将逐步开展远距离小天体乃至火星采样返回任务，包括固体及气体样品的采集。这些苛刻的条件给样品封装技术的开发带来了极大的挑战，传统的封装技术已无法满足样品封装技术的需求。因此，我国在参考国外成熟封装技术基础上，应大力探索全新且适用于我国地外天体样品封装任务的配套封装技术。

3)基于航天任务的样品容器密封与返回舱热密封耦合设计

目前实现地外天体样品的封装工作均采用分级密封模式，即样品容器的气密封和返回舱的热密封分别封装，这种工作模式往往需要设计更加复杂的机械结构。例如采用机械臂进行样品容器的封装工作或者使用多自由度自动封装方式，但多自由度自动封装涉及较为复杂的电路以及程序设计，给封装工作带来了较大的风险。因此，后续可以考虑将样品容器密封和返回舱热密封进行集成设计，既简化了对封装机构的要求，同时又降低了对系统资源的需求，提高整个结构的可靠性，这一集成的设计构思可为封装机构提供新的理论依据和设计视角。