一種在軌補加用浮動斷接器設計

馬海濤，陳 健，魏 青，唐妹芳

（上?？臻g推進研究所，上海200233）

0 引言

從上世紀90年代以來，發(fā)射長期在軌的載人近地空間站已成為當今世界各大國在航天領(lǐng)域中爭相追逐的目標。研制和發(fā)射載人的近地空間站并不等于它可以長期在空間在軌運行。如果要達到這個目標，首先必須解決空間站推進系統(tǒng)能夠持續(xù)工作的基本條件——推進劑及增壓氣體的補給。推進劑目前大部分是消耗量大、有毒、易燃、易爆的液體，而增壓氣體是高壓、易漏的氣體，能否安全地、可靠地進行在軌補加成為各國空間站研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。

浮動斷接器也稱“在軌補加接頭”，是在軌補加的關(guān)鍵技術(shù)之一。其主要作用是隨著兩飛行器（如空間站與貨運飛船）的對接和分離，依據(jù)一定要求來實現(xiàn)液路和氣路的連通和斷開，從而實現(xiàn)兩飛行器之間的燃料、氧化劑和氣體的傳輸。

1 浮動斷接器的功能要求

在貨運飛船與空間站對接時，浮動斷接器的主動與被動部分可能出現(xiàn)不同的軸度，為了補償這個偏差，浮動斷接器的主動部分一般設有不同軸度的補償器。因此，根據(jù)空間飛行器以及其工作環(huán)境的特點，浮動斷接器必須具有如下的功能：

1）具有“浮動”適應對接后可能產(chǎn)生的相對位置（角度和徑向）偏差的能力；

2）具有小的反作用力，不能影響對接機構(gòu)的對接和分離；

3）具有自動鎖緊/解鎖的能力；

4）具有位置顯示的能力。

2 國外的研制情況

浮動斷接器有兩類方案：無源方案和有源方案。

無源方案：本身不具備自動插合能力，即本身沒有執(zhí)行機構(gòu)，所有的主動位移的產(chǎn)生均依靠兩個對接飛行器的移動得到，這就意味著，必須在飛行器完成對接的同時也完成浮動斷接器的對接，這會給對接機構(gòu)的分離帶來額外的干擾力，可能影響運輸飛船分離姿態(tài)。

有源方案：本身具備主動移動功能，即自帶執(zhí)行機構(gòu)，可以實現(xiàn)一端接頭的推出和回縮。由于浮動斷接器自身具備了執(zhí)行功能，可以在對接機構(gòu)完成對接后（或分離前）進行自身的對接和分離，這樣對對接機構(gòu)的影響降到最低。但同時由于不能依靠對接結(jié)構(gòu)進行鎖緊/解鎖，因此自身必須具備鎖緊/解鎖功能。要產(chǎn)生浮動斷接器的直線運動，有多種方式。但由于空間環(huán)境和資源的限制，一般采用兩種方式：一種是美國的電機驅(qū)動方式，另一種是俄羅斯的氣動驅(qū)動方式。

氣動驅(qū)動：利用氣體的壓力驅(qū)動活塞運動，這在工業(yè)上應用十分廣泛，技術(shù)相對成熟，但需要提供額外的氣源，在一定程度上，增加了系統(tǒng)的負擔。

電機驅(qū)動：利用蝸輪蝸桿將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，同樣在工業(yè)上廣泛應用，但對于電功率需求較大，并且體積、重量也相對較大。但是，若同時控制多個浮動斷接器的對接，其體積和重量平均下來還是有一定的優(yōu)勢。

2.1 俄羅斯

在上世紀80年代左右，在軌補加技術(shù)在蘇聯(lián)的“禮炮”空間站成功進行了應用，后經(jīng)過二十多年的發(fā)展，俄羅斯（前蘇聯(lián)）在此領(lǐng)域取得了國際領(lǐng)先地位。在90年代初，美國也開始進行在軌補加技術(shù)的研究，并取得了一定的成果。

俄羅斯在補加技術(shù)上研究較早，其技術(shù)相對比較成熟。圖1是用于貨運飛船和軌道站對接的補加接頭。其主要的工作特點是：采用插入式結(jié)構(gòu)，主動端較為復雜，被動端簡單。由于被動端位于空間站上，長期在軌運行，空間環(huán)境惡劣，因此采用簡單的結(jié)構(gòu)設計以增加可靠性。

其工作原理：在對接時，依靠氣體壓力推動插入管，在主動插入管的錐形接頭和被動端的錐面導引下插合。在分離時，排空氣腔壓力，插入管依靠彈簧力自動回縮。通過一個鍥型塊，實現(xiàn)對接偏差的補償。密封結(jié)構(gòu)采用雙道O形圈密封。補加接頭的鎖緊采用氣動方式，通過氣體壓力推動鎖緊裝置鎖緊，反之，卸壓解鎖。

2.2 美國

在80年代末期到90年代初期，美國為了實現(xiàn)利用航天飛機對衛(wèi)星或空間站進行推進劑補加，開始對在軌補加技術(shù)進行研究。在補加接頭技術(shù)上形成了標準的模塊，并將補加接頭模塊系列化和組合化，并已完成了地面試驗。在補加接頭上，主要包括兩大產(chǎn)品，一個是自動流體接口系統(tǒng) （Automated Fluid Interface System，簡稱AFIS），另一個是通用補加接口系統(tǒng)（Universal Refueling Interface System，簡稱 URIS）。

通用補加接口系統(tǒng)工作原理：在每個獨立的接頭上不具備鎖緊/解鎖功能，而是通過模塊上的電機轉(zhuǎn)動進行鎖緊/解鎖，其類似于卡口式電燈泡的安裝；利用電機實現(xiàn)一組補加接頭（在一個模塊內(nèi)）的鎖緊/解鎖，其重量和體積可以得到減少。但是，在需獨立控制每付（或不再同一模塊內(nèi)的）補加接頭的時候，就必須為每個接頭配備一臺電機，增加結(jié)構(gòu)重量。

3 浮動斷接器方案

3.1 方案選擇

表1是各種浮動斷接器方案的比較，通過比較可知：有源方案的浮動斷接器自身具備了執(zhí)行機構(gòu)使得其可以在飛行器完成對接后（或分離前）自己進行對接（或分離），其不對飛行器的對接和分離帶來的影響，并可實現(xiàn)多次嘗試。其中，采用氣動驅(qū)動方案，其氣體可利用運輸飛船推進系統(tǒng)的增壓氣體，這樣可以不需要獨立的一整套供氣系統(tǒng)，對系統(tǒng)資源的影響可相對減少。

綜上所述，浮動斷接器采用有源的氣動驅(qū)動方案是比較適宜的。

表1 浮動斷接器方案比較Tab.1 Comparison of floating coupling schemes

3.2 方案設計

補加系統(tǒng)方案如圖2所示，浮動斷接器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。當需要進行推進劑補加時，首先對主動端（貨運飛船）的控制氣進口1通氣（2排氣），推動插入管前進。在和被動端（目標飛行器）接觸后，由浮動機構(gòu)對徑向偏移和角度偏轉(zhuǎn)進行補償，最終使得插入管和被動端的接受管插合。永磁鐵提供鎖緊力，確保主動端的插入管不會退出。當完成補加后，關(guān)閉浮動斷接器兩端的電磁閥，開啟吹除路的電磁閥，浮動斷接器兩端電磁閥之間的管路進行吹除。吹除完成后，從控制氣進口2進氣（1排氣），在氣體壓力的驅(qū)動下，克服摩擦力，使插入管退出接受管，最終完成分離。

浮動斷接器方案的主要特點：

1）采用控制氣作為驅(qū)動氣體；

2）位置補償機構(gòu)采用徑向均勻布置8根彈簧、軸向布置4根彈簧，完成浮動功能；

3）在插入管上安裝永磁鐵達到自鎖功能；

4）具有位置指示功能；

5）被動端結(jié)構(gòu)簡單、可靠。

3.3 工作原理

當需要進行推進劑補加時（在完成空間站和貨運飛船的對接后），首先對主動端（運輸飛船）的控制氣進口1進氣（2排氣），克服永磁力和摩擦阻力，推動插入管前進。在和被動端（空間站）接觸后，由浮動機構(gòu)對徑向偏移和角度偏斜進行補償，最終使得插入管和被動端的接受管插合。此時永磁力和氣動力（也可只依靠永磁力）提供鎖緊力，確保主動端的插入管不會退出。

當完成補加后，關(guān)閉浮動斷接器兩端的電磁閥，開啟吹除路的電磁閥，浮動斷接器兩端電磁閥之間的管路進行吹除。吹除完成后，從控制氣進口2通氣（1排氣），克服永磁力和摩擦阻力，使插入管退出接受管，最終完成分離。浮動斷接器的實物外形如圖4所示。

3.4 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

3.4.1 偏差的補償

在對接機構(gòu)完成對接后，浮動斷接器的兩端不可避免的存在徑向偏移和角度偏斜，因此必須采用浮動結(jié)構(gòu)對此進行補償。其關(guān)鍵點在于結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高兩方面。

對于角向偏移的補償：在被動端，采用了全角 60°～90°錐孔進行導向。

對徑向偏移的補償：在主動端，利用一周向柔性支撐機構(gòu)，使其具備在徑向的移動能力，滿足徑向偏移的補償要求。周向柔性支撐機構(gòu)原理如圖5示。

3.4.2 氣動驅(qū)動機構(gòu)

氣動驅(qū)動機構(gòu)是整個浮動斷接器中的關(guān)鍵裝置，其關(guān)鍵在于：在保障可靠性的前提下，盡可能的減少體積和重量。設計方案是：直接采用活塞原理，利用氣體帶動插入管前移，其密封采用兩道O型圈密封，上游通過電磁閥控制進氣或放氣。

3.4.3 永磁路的設計

永磁鐵在浮動斷接器中主要完成兩個功能：

1）提供由于位置變化引起的磁場強度變化量。浮動斷接器在進行對接的時候，需要對插入管的狀態(tài)進行位置顯示。本方案采用霍爾微動開關(guān)，通過感應磁場強度的變化，來對插入管的位置進行顯示。因此在設計永磁鐵時，將永磁鐵固定在插入管活塞的兩側(cè)，使磁場的變化量較大，永磁磁場分布圖如圖6所示。通過對霍爾微動開關(guān)的試驗，驗證了方案設計的合理性。

2）具有位置自鎖功能。永磁鐵采用環(huán)形磁鐵，一面為N級，另一面為S級，分布在插入管活塞的兩側(cè)，通過對該磁路進行仿真計算，得到永磁吸力約為40 N。經(jīng)過計算由于加速度產(chǎn)生的沖擊力為9 N，不會引起插入管的位置變化。通過力學環(huán)境試驗驗證了浮動斷接器的位置自鎖功能。

3.5 試驗驗證

該方案的浮動斷接器進行了插合試驗、漏率檢測試驗、動作裕度試驗，能夠滿足有位置及角度偏差下的插合及回退，并且在插合下氦氣漏率檢測，能夠滿足小于1×10-6Pa·m3/s的要求。進行并通過了力學環(huán)境、溫度環(huán)境及壽命試驗考核，初步驗證了該浮動斷接器方案的可行性。

4 結(jié)束語

通過對國外浮動斷接器技術(shù)的分析，提出了一種浮動斷接器的方案，并對方案的工作原理進行了闡述。目前，該方案的產(chǎn)品通過了力學環(huán)境試驗、溫度環(huán)境試驗及壽命試驗的初步考核，驗證了方案設計合理，密封形式可靠。

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