新一代某型運載火箭捆綁機構(gòu)對接特性研究

常 娟，李新寬，劉振東，徐 華

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新一代某型運載火箭捆綁機構(gòu)對接特性研究

常 娟，李新寬，劉振東，徐 華

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海，201109）

通過理論分析，得到新型運載火箭捆綁機構(gòu)的對接特性，探討了助推器與芯級對接距離與拉力的關系、周向可對接的范圍，以及對接操作對于吊裝精度、助推器姿態(tài)的需求。試驗驗證了理論分析的正確性，通過實際操作中出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象，修正理論可對接范圍值，保證試驗操作模式的便捷有效。為新一代捆綁火箭的研制提供依據(jù)和參考，以保障超重型助推器順利吊裝對接及其全程安全。

運載火箭；捆綁機構(gòu)；對接特性

0 引 言

現(xiàn)役火箭捆綁機構(gòu)多采用“插頭式”，即助推器通過球頭球窩機構(gòu)與芯級聯(lián)接。由于目前的助推器質(zhì)量相對較輕，吊裝起來后，人員推動產(chǎn)品時，可較為輕松地調(diào)整產(chǎn)品姿態(tài)，通過觀察助推器與芯級的關系，邊推裝邊調(diào)整，將助推器上的球頭結(jié)構(gòu)直插入芯級固定的球窩內(nèi)，完成對接操作。

對于捆綁火箭來說，助推器與芯級之間的捆綁機構(gòu)是影響成敗的關鍵部件之一，目前文獻研究集中于捆綁機構(gòu)的形式與承力方案[1,2]、飛行工況下的動力學特性[3,4]，以及飛行大載荷情況下，摩擦熱對機構(gòu)材料性能的影響[5]等方面，從而進一步改進設計，提高火箭結(jié)構(gòu)設計的合理性和可靠性。但對捆綁機構(gòu)對接特性的研究較少。

新一代某型捆綁火箭與現(xiàn)役捆綁火箭差異較大，由于助推為實心裝藥，用于捆綁機構(gòu)的設計空間遠小于現(xiàn)役火箭，無法直接借用現(xiàn)有成熟的球頭球窩捆綁機構(gòu)，需研制錐面導向的捆綁機構(gòu)，從而使得產(chǎn)品對接方式與傳統(tǒng)模式存在區(qū)別；同時，由于吊裝對接的助推器重達700 kN，遠大于現(xiàn)役10噸級助推器，給捆綁機構(gòu)對接工作帶來更多不確定性。因此，有必要開展對新研捆綁機構(gòu)對接特性的研究，為新一代捆綁火箭的研制提供依據(jù)和參考；同時，在快速發(fā)射需求的背景下，了解該機構(gòu)的對接特性，對于加快火箭在發(fā)射場組裝的操作，保證超重型助推器順利吊裝對接，及其全程的安全性有重要意義。

1 捆綁機構(gòu)

典型的捆綁火箭，助推器一般通過前、后兩套捆綁機構(gòu)與芯級相連[6]，如圖1所示。前捆綁機構(gòu)由連桿組成，起限制助推器轉(zhuǎn)動自由度、傳遞剪力、扭轉(zhuǎn)和徑向載荷的作用；后捆綁機構(gòu)靠近助推器發(fā)動機，主要傳遞來自助推器的推力，為主承力裝置。

圖1 捆綁機構(gòu)位置示意

助推器的對接過程往往是先連接主承力裝置，然后連接前捆綁機構(gòu)的各連桿，連桿收緊，完成助推器與芯級對接。因此，對接的重要步驟是完成主承力裝置的對接。本文主要研究主承力裝置即后捆綁機構(gòu)對接特性，如圖2所示。

圖2 捆綁對接示意

2 捆綁機構(gòu)對接特性分析

助推器與芯級通過捆綁機構(gòu)對接的工作，是在火箭組裝階段進行的，一般以吊裝對接為主，輔以人員推拉導向。

2.1 對接過程分析

對接過程分為3步：吊裝到位；在拉力作用下助推器支座法蘭盤與芯級支座接觸；助推器支座法蘭盤進入芯級支座對接到位。

b）助推器支座法蘭盤與芯級支座接觸的過程中，吊車已經(jīng)不動作，由橫向拉力拉動助推器靠近芯級；

c）助推器支座法蘭盤進入芯級支座的過程是錐面導向定位的過程，當法蘭盤與芯級支座斜面接觸后，法蘭盤受到支反力和摩擦力，球頭適應性調(diào)整，在橫向拉力作用下，最終對接到位。

在步驟a、b中，主要是助推器吊裝到位，再經(jīng)橫向拉力靠近、姿態(tài)略微變化后，仍在可對接的范圍之內(nèi)。分析可對接范圍及相應吊裝精度、助推器吊裝姿態(tài)要求。在步驟c中，主要是分析助推器支座法蘭盤在多力作用下的受力和運動情況以及對接時所需要的最大拉力，是否具備可操作性。

2.2 機構(gòu)對接受力分析

由于芯級支座斜面導向喇叭口的存在，當助推器支座水平中心線低于芯級支座水平中心線時，對接過程中，助推器支座法蘭盤下沿先與芯級支座接觸，靠斜面導向?qū)?，其受力分析如圖3所示。

圖3 法蘭盤下沿先接觸時受力分析

法蘭盤上沿先與芯級支座接觸，靠斜面導向?qū)?，其受力分析如圖4所示。

圖4 法蘭盤上沿先接觸時受力分析

2.2.1 法蘭盤下沿先接觸時的受力分析

假設助推器支座法蘭盤與芯級支座接觸后，沿斜面平穩(wěn)導向到位。

多力平衡可得：

表1 法蘭盤下沿先接觸時對接距離與拉力關系

Tab.1 Connection Distance and Tension Relation When the Lower Edge of the Flange Contacts

對接距離L1/mm50100120170220 （=330kN）/kN0.962.012.373.414.01 （=700kN）/kN2.044.265.037.238.51

2.2.2 法蘭盤上沿先接觸時的受力分析

假設助推支座法蘭盤與芯級支座接觸后，沿斜面平穩(wěn)導向到位。

多力平衡可得：

表2 法蘭盤上沿先接觸時對接距離與拉力關系

Tab.2 Relationship Between Distance and Tension When Flannel’s Upper Edge Contact

對接距離L1/mm50100120170220 （=330kN）/kN0.571.191.402.012.46 （=700kN）/kN1.212.522.974.275.22

由表1、表2可知，當70噸級助推器、33噸級模擬件在對接距離小于220 mm時，對接所需要的拉力不超過10 kN，且法蘭盤下沿先接觸時拉力相對上沿先接觸時略大。

2.3 周向可對接范圍分析

2.3.1 芯級支座、助推器支座無傾角的情況

初始設計時，認為芯級支座、助推器支座無傾斜，助推器支座可對接范圍與芯級支座喇叭口斜率有關，如圖5a所示，在-4.4~4.5 mm（正值表示向上，負值表示向下）范圍內(nèi)對接；對接過程中，如圖5b所示，利用法蘭盤繞心轉(zhuǎn)動，可以擴大對接范圍，實現(xiàn)-11.9~7.0 mm的對接范圍，由于對接面初始有一定傾斜角度，可對接范圍下限（11.9 mm）大于上限（7 mm），其可對接范圍分析如圖5所示。

圖5 可對接范圍分析

2.3.2 芯級支座無傾角、助推器支座傾斜的情況

對接時，助推器是吊裝狀態(tài)，質(zhì)心的偏斜很容易引起懸吊狀態(tài)下助推器支座的傾斜。如圖6、表3所示，當支座的傾角逆時針轉(zhuǎn)動時，可對接的范圍明顯減小；當支座順時針轉(zhuǎn)動時，可對接范圍的下限增加。

圖6 助推器支座傾斜時可對接范圍分析

由表3可見，當助推器相對芯級反向傾斜5°時，可對接范圍達到25.6 mm；即使在助推器相對芯級傾斜5°的情況下，仍有15 mm可對接范圍。一般后捆綁支座靠箭體尾端，芯級尾端傾斜不超過3′，考慮加工偏差，芯級支座的傾斜不超過5′；同理助推器支座傾斜不超過5′，吊裝狀態(tài)下，由于質(zhì)心與吊點不共面，增加傾斜量也不會超過2′，因此助推器支座與芯級支座間角度傾斜值遠不會超過5°，因此只需保證助推器吊裝時與周邊的安全距離，對接過程對于助推器的姿態(tài)沒有特殊要求。

表3 助推支座傾斜角度與可對接范圍關系

Tab.3 Relationship Between Booster Support’s Tilt Angle and Docking Range

支座傾斜角/（°）521-1-2-5 上限/mm10.68.57.56.15.54.5 下限/mm4.48.910.512.915.521.1 對接范圍/mm1517.118192125.6

注 ：角度逆時針為正，瞬時針為負

3 捆綁機構(gòu)對接驗證試驗

通過搭建模擬試驗平臺對上述理論分析結(jié)果進行驗證。試驗平臺如圖7所示。圖7中芯級支座固定安裝于墻面上，其傾斜角度與實際產(chǎn)品保持一致；將助推器支座與鑄塊連接后，與圓臺配重連接，為盡量使產(chǎn)品吊裝時平衡，在圓臺對稱位置增加相應鑄塊配平，助推器模擬裝置總重約330 kN；助推器支座下方中心引出拉繩，通過芯級支座下方的定滑輪換向后朝側(cè)面拉出，連接測力計、葫蘆。助推器模擬裝置吊裝到位后，人員在旁側(cè)觀察調(diào)整法蘭盤姿態(tài)，通過拉葫蘆施加拉力進行對接。

圖7 捆綁對接驗證試驗

表4 對接距離與拉力關系

Fig.4 Relationship Between Distance and Tension

對接距離L1/mm50100120170220 靠下沿對接時實測拉力/kN0.8—2.53.5— 靠上沿對接時實測拉力/kN1.5—4.04.5— 靠下沿對接時理論計算拉力/kN0.962.012.373.414.01 靠上沿對接時理論計算拉力/kN0.571.191.402.012.46

注 ：a）由于拉力器自身較重，在拉力器拉到水平，助推器支座開始動作時，拉力值為0.5kN，在記錄數(shù)據(jù)時該值作為初始偏差已去除；b）實測拉力值記錄的是在周向可對接范圍內(nèi)，從助推器支座接觸芯級支座開始到完全進入的多次試驗的綜合數(shù)值范圍

從表4可見，靠下沿對接時，不同對接距離的拉力值與理論計算值均符合較好；靠上沿對接時，測量的力相對理論計算值偏大。

通過試驗，可得到如下結(jié)論：

a）可對接范圍。

在20 m吊高下，助推器支座受到橫向拉力前移220 mm時，助推器質(zhì)心抬高1.2 mm；70 m吊高下，助推器支座受到橫向拉力前移220 mm時，助推器質(zhì)心抬高0.3 mm，因此在吊高較高時，由于橫向拉力抬升對于可對接范圍的影響非常小，可忽略。

b）下沿先接觸的狀態(tài)進行對接實際所需拉力試驗。當助推器支座與芯級支座下沿剛好齊平對接時，法蘭盤可繞球頭轉(zhuǎn)動，人員很難控制住法蘭盤的姿態(tài)，碰觸時，容易形成臺階，無法直接進入，實際操作時必須留出一定間隙，即保證法蘭盤下沿的倒圓角進入后，產(chǎn)品可順利拉入。

當助推器支座法蘭盤下沿先接觸時，如表4所示，不同對接距離的拉力值與理論計算值均符合較好。

c）上沿先接觸的狀態(tài)進行對接實際所需拉力。

試驗中，當助推器支座法蘭盤水平軸線高于芯級支座水平軸線4 mm以上時，上沿先碰到芯級支座上沿，開始對接時，法蘭盤上沿與芯級支座接觸，下沿則在橫向拉力和接觸部位支反力的共同作用下，繞接觸部位旋轉(zhuǎn)，法蘭盤下部先擺入芯級支座，之后上部形成間隙，繼而整個法蘭盤沿斜面向內(nèi)運動，此時的受力狀態(tài)為非穩(wěn)定狀態(tài)，不同于理論分析的穩(wěn)定狀態(tài)，因此測量的力相對理論計算值大。

若助推器支座水平軸線高于芯級支座水平軸線過多時，支反力加大，法蘭盤上半部分的圓角所受的接觸力使法蘭盤下壓，圓角順著芯級支座斜面導入，拉力陡增，該狀態(tài)影響對接操作和產(chǎn)品的安全性，實際操作中應盡量避免。

d）距離與拉力關系。

表4中試驗對接距離從50 mm加大到220 mm時，拉力大小及的趨勢與理論計算值符合較好，即使在非穩(wěn)定工況下，拉力值在10 kN以內(nèi)。

e）對接范圍與拉力關系。

縱向?qū)臃秶鸀?9 mm，一般在-7~3 mm對接時操作輕松，在4~7 mm時容易出現(xiàn)拉力陡增，助推器支座法蘭盤進入動作不明顯的情況。因此，實際操作時，盡量在-7~3 mm范圍內(nèi)進行對接操作，保證產(chǎn)品的安全性。

f）對接過程對吊裝及助推器姿態(tài)的要求。

試驗中，可對接范圍較大，而成熟吊車上升過程中，可實現(xiàn)1~2 mm的點動步進量，完全滿足對接要求；助推器模擬裝置在傾斜2°的情況下，可順利實現(xiàn)對接操作，因此對接過程對于吊裝及助推器姿態(tài)無特殊要求，與理論分析一致。

g）可操作性。

單人操作葫蘆，可提供10 kN拉力，滿足對接拉力需求；對接后需要一定時間連接對接面螺栓，葫蘆拉到位后具備限位功能，又可防止助推器在重力和拉力形成的回復力作用下退出；將橫向拉力作用點設置在助推器支座中心，有利于在拉近的過程中消除助推器支座與芯級支座左右偏差，自動對心；芯級支座下的定滑輪，將拉力轉(zhuǎn)換方向，將狹小空間的操作轉(zhuǎn)到側(cè)面較大的空間中。整個拉力提供裝置簡單方便、實用性強，可直接應用于型號現(xiàn)場操作。

4 結(jié)束語

本文通過理論分析得到捆綁機構(gòu)的對接特性，并通過試驗進行驗證和完善。建議采用錐面導向捆綁機構(gòu)的捆綁火箭，實際對接操作中，對接范圍取值為-7~3 mm；對接距離在220 mm以內(nèi)時，拉力在10 kN以內(nèi)，實際操作時，考慮產(chǎn)品間安全距離，可取150 mm；當遇到助推器支座進入芯級支座拉力陡增，進入動作不明顯時，建議退出，點動調(diào)整產(chǎn)品高度后，再進行對接；同時，試驗中所采用拉力提供裝置簡單方便、可靠有效，可直接應用于型號現(xiàn)場操作。

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Research on the Docking Feature of Strap-on Equipmentfor the New Generation Launch Vehicle

Chang Juan, Li Xin-kuan, Liu Zhen-dong, Xu Hua

(Aerospace System Engineering Shanghai, Shanghai, 201109)

Through the theoretical analysis, the docking features of the new generation launch vehicle are obtained. This paper discusses the relationship between the booster and the core, the perimeter of the circle can be connected, and the docking operation is required for the precision of the suspension and the stance of the booster. The correctness of theoretical analysis is verified by experiment. By analysis the special phenomena in practice, the correcting theory can be applied to the range of docking. It is proved that the convenient and efficient method of operation in the experiment can be applied directly to the docking operation of the launch site. The conclusion provides reference and foundation for the new generation strap-on launch vehicle. It is of great significance for booster hoisting docking well and safety of the super heavy booster.

Launch vehicle; Strap-on equipment; Docking feature

1004-7182(2018)01-0078-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20180116

V55

A

2017-06-03；

2017-12-18

常 娟（1983-），女，高級工程師，主要研究方向為運載火箭總體地面設計