火箭發(fā)射裝置上一種插拔機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

楊 森，趙憲斌，曾 志，張 樂(lè)，高 昱（航天科技集團(tuán)第四研究院第四十一研究所，西安 710024）

火箭發(fā)射裝置上一種插拔機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

楊 森，趙憲斌，曾 志，張 樂(lè)，高 昱
（航天科技集團(tuán)第四研究院第四十一研究所，西安 710024）

針對(duì)某次飛行試驗(yàn)中插拔機(jī)構(gòu)出現(xiàn)的插頭脫落不暢的問(wèn)題，進(jìn)行了原因分析。根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行了改進(jìn)性設(shè)計(jì)，通過(guò)數(shù)值仿真說(shuō)明改進(jìn)后的插拔機(jī)構(gòu)能夠滿足火箭發(fā)射的實(shí)際需求。最終通過(guò)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了插拔機(jī)構(gòu)改進(jìn)方案和分析方法、結(jié)論的準(zhǔn)確性。

發(fā)射裝置；插拔機(jī)構(gòu)；協(xié)同仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0　引言

發(fā)射裝置作為火箭發(fā)射的地面裝置，起著裝載火箭、調(diào)節(jié)發(fā)射方位角和高低角的作用。在火箭發(fā)射前，需要使用測(cè)發(fā)控設(shè)備對(duì)火箭進(jìn)行射前檢測(cè)，地面檢測(cè)設(shè)備和裝載在發(fā)射裝置上的火箭通過(guò)電纜進(jìn)行連接。在火箭發(fā)射時(shí)，需要使發(fā)控電纜插頭和箭上插座自動(dòng)分離，完成這樣功能的機(jī)構(gòu)稱為插拔機(jī)構(gòu)。

1　插拔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則和基本設(shè)計(jì)狀態(tài)

插拔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要遵從以下幾個(gè)原則：（a）電纜插頭和箭上插座之間分離順暢，并且不能給火箭施加較大的附加載荷，否則影響火箭的發(fā)射初始狀態(tài)，包括改變火箭發(fā)射初始速度、火箭的出軌姿態(tài)等；（b）插拔機(jī)構(gòu)應(yīng)該具有一定的燃?xì)饬鳠岜Ｗo(hù)功能，避免發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的高溫、高速燃?xì)饬鲗?duì)插拔機(jī)構(gòu)上的電纜、插頭等具有一定的熱防護(hù)功能。

插拔機(jī)構(gòu)能夠保證電纜插頭和箭上插座在發(fā)射裝置起豎過(guò)程中可靠連接。插拔機(jī)構(gòu)的工作原理是利用平行四邊形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，由于插拔機(jī)構(gòu)的上端插入在火箭上的插座內(nèi)，當(dāng)火箭發(fā)射運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)插拔機(jī)構(gòu)上端的連桿水平運(yùn)動(dòng)，同時(shí)連桿下端的兩個(gè)曲柄在拉簧的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿在垂直方向的高度下降，插拔機(jī)構(gòu)上端的插頭便順利地從火箭上的插座內(nèi)部拔出，實(shí)現(xiàn)插頭脫落功能。

2　插拔機(jī)構(gòu)基本設(shè)計(jì)中問(wèn)題及原因分析

在某次外場(chǎng)飛行試驗(yàn)結(jié)束之后，對(duì)發(fā)射裝置進(jìn)行例行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)插拔機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了插頭分離不暢現(xiàn)象，并且插拔機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了一定的結(jié)構(gòu)變形，加上發(fā)射過(guò)程中火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的燃?xì)饬饔绊?，造成脫插電纜插頭損壞，插頭內(nèi)部指針彎曲。針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題，總結(jié)產(chǎn)生的原因如下：（a）火箭的在發(fā)射軌道上的運(yùn)動(dòng)和插拔機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)不匹配，造成插頭和箭上插座之間卡死，最終導(dǎo)致脫插不暢。產(chǎn)生這樣結(jié)果的一方面是由于插拔機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)部件設(shè)計(jì)不合理，火箭已經(jīng)平動(dòng)一段距離而插拔機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)部分高度下降不明顯，插頭未能及時(shí)拔出；另一方面是由于插頭在插頭支架上固定方式設(shè)計(jì)存在缺陷，連接剛度過(guò)低，插頭變形過(guò)大，這樣插頭也會(huì)與箭上插座產(chǎn)生“卡死”現(xiàn)象；（b）電連接器上除了插針連接外，還有套筒配合，便于防水。使得分離力增大，單一的平行四連桿作用難以使得分離通暢；（c）火箭熱防護(hù)功能失效?；鸺诎l(fā)射導(dǎo)軌上時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的高溫高壓燃?xì)饬髦苯幼饔迷诓灏螜C(jī)構(gòu)上的電纜和插頭上，這樣造成電纜和插頭熱燒蝕嚴(yán)重，發(fā)射完成之后需要換掉插頭和電纜，從而增長(zhǎng)發(fā)射周期，提高試驗(yàn)成本。

3　插拔機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算

針對(duì)靶場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題和原因，對(duì)發(fā)射裝置的插拔機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)措施主要有以下幾個(gè)方面：

（1）插頭支架的結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)；插頭支架是電纜插頭的安裝部件，必須保證連接剛度，保證電纜插頭能夠順利插入到箭上的插座內(nèi)，并且保證插頭在使用過(guò)程中不能產(chǎn)生過(guò)大的變形。改進(jìn)前的插頭支架通過(guò)兩個(gè)耳片固定插頭。改進(jìn)前的插頭支架，由于插頭的外徑略小于插頭支架中間圓柱孔的內(nèi)徑，所以兩者之間存在一定的空隙，這樣插頭就會(huì)繞著插頭下部的外露桿轉(zhuǎn)動(dòng)，造成插頭和箭上插座之間不匹配，產(chǎn)生“卡死”現(xiàn)象，最終導(dǎo)致脫插不順暢。所以需要對(duì)插頭支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高連接剛度，保證脫插電纜在插拔機(jī)構(gòu)上固定之后，插頭位置不會(huì)產(chǎn)生較大變化。

（2）前、后連桿結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)。前、后連桿是插拔機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的主要組成部分，插拔機(jī)構(gòu)脫插是否順暢取決于前后連桿是否在火箭運(yùn)動(dòng)較小行程內(nèi)下降較大的距離，從而帶動(dòng)插頭從箭上插座內(nèi)脫出。前后連桿長(zhǎng)度直接影響著機(jī)構(gòu)的脫插性能.

（3）增加新部件剝落桿。為了保證脫插過(guò)程可靠完成，在插拔機(jī)構(gòu)上增加了一個(gè)新部件——?jiǎng)兟錀U。其原理是在插拔機(jī)構(gòu)上的轉(zhuǎn)動(dòng)部分在拉簧的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，固定在后連桿上的剝落桿直接作用在插頭支架的外露拖桿上，為脫插提供一個(gè)額外的脫落力。改進(jìn)后的插拔機(jī)構(gòu)導(dǎo)入到ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件中，進(jìn)行模擬仿真驗(yàn)證改進(jìn)方案是否滿足設(shè)計(jì)要求。導(dǎo)軌平面與水平面發(fā)射角為55°?；鸺ㄟ^(guò)滑塊在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，滑塊與導(dǎo)軌之間動(dòng)摩擦系數(shù)為0.17，靜摩擦系數(shù)為0.25。插拔機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)受力主要包括火箭沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)力、自身拉伸彈簧拉力和壓縮彈簧彈力。其中火箭運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，計(jì)算時(shí)采用常溫下（23℃）助推發(fā)動(dòng)機(jī)推力數(shù)據(jù)作為單向驅(qū)動(dòng)力載荷；插拔機(jī)構(gòu)擺動(dòng)除了彈體的推力以外還有機(jī)構(gòu)拉伸彈簧拉力。

從仿真結(jié)果可以看出，在電連接器分離之前，火箭與插拔機(jī)構(gòu)為牽連運(yùn)動(dòng)，插拔機(jī)構(gòu)平動(dòng)板和插頭在彈體的推動(dòng)下繞底座擺動(dòng)，分離之后，平動(dòng)板和插頭在慣性和拉簧的作用下向下擺動(dòng)，剝落桿剝落插頭支架上的拖桿，最后前連桿接觸緩沖墊，鎖緊卡銷鎖緊前連桿有效防止轉(zhuǎn)動(dòng)部分回彈。在插拔機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，插拔機(jī)構(gòu)底座能夠有效固定整個(gè)插拔機(jī)構(gòu)，而且不會(huì)影響其他部件的正常動(dòng)作，所以改進(jìn)后的插拔機(jī)構(gòu)能夠保證插頭與火箭上插座可靠連接。

4　飛行試驗(yàn)考核驗(yàn)證

改進(jìn)后的插拔機(jī)構(gòu)在外場(chǎng)發(fā)射試驗(yàn)中進(jìn)行了使用，試驗(yàn)前檢查插拔機(jī)構(gòu)，插拔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)合理，脫插電纜能夠方便安裝在插拔機(jī)構(gòu)上，插頭通過(guò)插頭支架能夠順利的插入箭上插座內(nèi)，在發(fā)射裝置起豎過(guò)程中也可靠連接，圓滿完成火箭的地面檢測(cè)任務(wù)。試驗(yàn)后對(duì)插拔機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，插拔機(jī)構(gòu)上的電纜插頭結(jié)構(gòu)完整，未產(chǎn)生任何變形。插拔機(jī)構(gòu)上的增加的防火板對(duì)電纜熱防護(hù)效果明顯，電纜未產(chǎn)生熱燒蝕破壞。插拔機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)部分恢復(fù)迅速，脫插過(guò)程順暢，插頭內(nèi)部的針頭沒(méi)有產(chǎn)生明顯彎曲。試驗(yàn)效果說(shuō)明改進(jìn)后的插拔機(jī)構(gòu)功能完整，改進(jìn)方案所使用的設(shè)計(jì)分析方法準(zhǔn)確無(wú)誤。

5　結(jié)論

改進(jìn)后的插拔機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)外場(chǎng)試驗(yàn)考核，脫插功能符合改進(jìn)設(shè)計(jì)要求，順利完成地面測(cè)控電纜與箭上插座的脫落。這樣的結(jié)果說(shuō)明改進(jìn)后的插拔機(jī)構(gòu)的脫插性能顯著提高，對(duì)脫落電纜和插頭保護(hù)性能也有明顯進(jìn)步，為以后其他類型插頭的插拔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)開拓了新的改進(jìn)思路。

［1］李軍，邢俊文，覃文潔.MSC.Adams實(shí)例教程［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2002.

［2］鄭建榮.虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.217