月球样品密封结构的泄漏分析与地面实验

发布时间：2018-03-05 23:07

本文选题：月球样品密封　切入点：O形橡胶圈　出处：《浙江大学》2014年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：对于我国开展的探月三期工程,可靠的月球样品密封装置是后续地面分析科学性的保证。然而,无论是美国阿波罗计划还是苏联月球计划,样品封装之后均出现了不同程度的泄漏,在返回地球后难以继续维持样品原有的月球高真空环境。因此,本课题对于月球样品密封结构的研究不仅符合国家重大需求,同时具有一定的挑战性。本论文针对我国探月工程三期所提出月球样品封装的可靠性、自动化和轻量化要求,结合国内外深空样品密封技术研究成果,提出了爆炸焊接密封、钎焊密封、以及O形橡胶圈与刀口挤压冗余密封(简称“冗余密封”)三种方案,设计相应原理样机并分析优化,最终从可靠性角度出发,选择冗余密封方案。基于Roth挤压填充密封机理,对冗余密封的O形橡胶圈和刀口挤压密封结构分别建立数值模型并优化,分析泄漏形成的各类途径及其影响因素；另外,重点对关键密封材料铟银合金的特性与焊接性能进行研究,包括铟-银二相图分析、铟银合金冶炼工艺选择、与各类基体材料的浸润性试验、焊接强度检测试验、X射线照射焊接孔洞率分析检测试验等,验证铟银合金用于月球样品密封装置的初步可行性,并为后续地面实验奠定基础。在泄漏分析的理论基础上,基于氦质谱检漏法,进行冗余密封结构地面漏率检测实验台设计与搭建,一方面,分析橡胶种类、安装方式、温度交变等对O形橡胶圈密封性能的影响；另一方面,检测刀口挤压铟银合金密封结构的漏率、压紧力及温度承受范围等,进行可行性验证。结合上述泄漏理论分析与地面实验结果,该论文最后给出冗余密封用于月球样品密封装置的推荐材料、结构参数与工艺选择等结论性建议。本论文的主要内容如下：第一章介绍了月球样品密封技术在探月工程中的意义,随后阐述国内外空间活动中行星样品封装技术的研究现状,着重于对比分析多种密封材料、密封结构,最后提出了本课题的研究内容与研究难点。第二章对月球样品装置的密封任务进行分解,并对可能影响密封可靠性的工况因素进行分析,在此要求下,提出了三种适用于月球样品密封装置的方案,包括：爆炸焊接密封、熔化钎焊密封、O形橡胶圈径向安装和刀口挤压铟银合金的冗余密封。对三种方案建立相应理论模型并比较分析各自优缺点,最终从可靠性角度出发,选取冗余密封作为后续泄漏理论分析和地面考核实验的方案依据。第三章对月球样品的冗余密封结构进行泄漏理论分析。针对O形橡胶圈密封结构,在Roth挤压填充密封机理的基础上,通过经验公式,建立漏率数值模型,并分析0形橡胶圈压缩率、老化渗透、温度变化对密封性能的影响,为密封结构以及地面考核实验设计提供理论依据；针对刀口挤压铟银合金密封结构,一方面,在挤压填充密封机理的基础上,通过有限元分析计算刀口表面应力分布得到漏率数值模型,从而对刀口结构进行优化,并从理论上探究刀口挤压密封低漏率的本质,另一方面,探索了月球表面超高真空环境下刀口挤压铟银合金的固态焊接成型机理,用以进一步提高密封可靠性。最后,分析了冗余密封结构的关键密封材料铟银合金的各方面特性及冶炼加工方法,并鉴于其焊接固定于筒体沟槽,开展了多种焊接试验,包括不同金属镀层的浸润性比较试验、钎焊焊接强度检测试验、X射线照射下焊接孔洞率的图像分析、以及高低温交变环境试验、形位公差检测等。上述研究对冗余密封结构用于月球样品返回计划进行了初步可行性论证,也对后续的地面漏率检测实验设计提供依据。第四章针对月球样品冗余密封装置的O形橡胶圈密封结构和刀口挤压铟银合金密封结构,采用氦质谱检漏法分别进行了地面漏率检测实验。对于O形橡胶圈密封结构,实验进行了三种不同型号的橡胶材料以及两种不同安装方式在温度交变环境下的漏率变化对比。通过实验结果的分析,综合低温交变橡胶回弹性、室温漏率值以及渗透率等因素,初步选择丁腈橡胶5080,另外,O形橡胶圈的轴向安装相对于径向安装密封结构,具有更大的温度适用区间,原因是O形橡胶圈的收缩方向对不同安装方式下不同接触应力补偿所带来的差别。对于刀口挤压铟银合金密封结构的漏率实验,结果表明该结构具有更低的漏率和更小的压紧力,适合于驱动装置轻量化的实现,同时合金中少量银的添加扩大了密封结构的温度适用范围。第五章概括了全文的主要研究内容,总结了研究成果,验证冗余密封用于月球样品密封装置的初步可行性,并给出推荐材料、优化结构与工艺选择等结论性建议,最后展望该课题的进一步研究的思路与方法。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V476.3;TB42

【参考文献】