中心球鎖式零秒脫落連接器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

胡亞濤，王愛偉，張振華，賀建華

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

氣液連接器為地面加注、供氣系統(tǒng)與火箭動(dòng)力系統(tǒng)氣液管路之間的連接接口設(shè)備，需要完成箭地之間氣液管路的對接、鎖緊、密封和解鎖、脫落等功能，在火箭射前或點(diǎn)火起飛后安全可靠脫落[1～5]。目前，中國傳統(tǒng)氣液連接器均為提前脫落（-2 min），因此-2 min后如出現(xiàn)較長時(shí)間推遲（超過3 min）發(fā)射、再次補(bǔ)加，點(diǎn)火后緊急關(guān)機(jī)及中止發(fā)射泄出工況，必須在短時(shí)間（CZ-3A系列約20 min）內(nèi)返回現(xiàn)場搶險(xiǎn)并手動(dòng)完成箭地接口處理、連接器再對接等工作，其實(shí)施難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高，如不能按時(shí)完成上述工作，則可能因錯(cuò)過發(fā)射窗口造成任務(wù)失敗，也可能因貯箱超壓造成危險(xiǎn)。運(yùn)載型號的推進(jìn)劑具有易燃易爆特性、低溫貯箱帶壓且不定時(shí)的現(xiàn)場排放，給操作人員帶來極大心理壓力，并給操作人員、有效載荷、發(fā)射場等帶來重大安全隱患，稍有不慎就可能出現(xiàn)災(zāi)難性事故。

中心球鎖零秒脫落連接器通過設(shè)置冗余拉斷措施，消除了球鎖不能正常解鎖的單點(diǎn)故障模式，并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證了其脫落可靠性，通過對其設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況的分析為類似產(chǎn)品的開發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)。

1 連接器組成及原理

中心球鎖式零秒脫落連接器用于完成箭上各項(xiàng)供氣，起飛后脫落，連接器組成結(jié)構(gòu)如圖 1所示。中心球鎖式連接器外觀如圖1a所示，其主要特點(diǎn)為采用了平衡式插頭，有效地減小了氣動(dòng)分離力，并通過圓周方向管路合理的氣動(dòng)分布盡可能地抵消了起飛脫落時(shí)的偏載，降低了中心球鎖卡滯的風(fēng)險(xiǎn)。

連接器通過支架安裝在發(fā)射臺支撐臂上，可隨支撐臂同步運(yùn)動(dòng)，安裝狀態(tài)如圖1b所示，其中連接器支架主要由支座、拉索、牽制索、限位索、牽制桿等組成。拉索連接支座及球鎖鎖芯，中間留出一定長度的松弛余量。當(dāng)火箭起飛一定高度后，拉索拉緊拽動(dòng)球鎖鎖芯，實(shí)現(xiàn)連接器中心球鎖的解鎖。根據(jù)連接器脫落高度及箭體起飛滾轉(zhuǎn)量，限位索及牽制索留出一定長度，連接器脫落后由限位索進(jìn)行限位，防止連接器

運(yùn)動(dòng)包絡(luò)過大，保證發(fā)動(dòng)機(jī)噴管留有足夠安全距離；箭體起飛到一定高度時(shí)，高溫、高壓燃?xì)饬鲿?huì)作用到連接器及支架上，此時(shí)牽制索可保證連接器不被燃?xì)鉀_擊吹飛，碰撞其它地面設(shè)備。

圖1 中心球鎖零秒脫落連接器Fig.1 Zero Second Separating Connector with Central Ball Lock

2 設(shè)計(jì)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 冗余拉斷設(shè)計(jì)

由于中心球鎖零秒脫落連接器要求帶載脫落，如果發(fā)生卡滯不能正常脫落可能造成箭體損壞，因此設(shè)計(jì)時(shí)采取了冗余拉斷措施，從而消除球鎖不能正常解鎖的單點(diǎn)故障。冗余拉斷試驗(yàn)如圖2所示。冗余拉斷主要由拉斷銷完成，拉斷銷中部加工圓弧槽結(jié)構(gòu)達(dá)到削弱拉力、控制斷力作用，其裝配方式如圖2a所示。在正常解鎖失效情況下，拉斷銷被動(dòng)拉斷，完成連接器與箭體的分離。設(shè)計(jì)拉斷銷的削弱尺寸時(shí)，需要綜合考慮箭上結(jié)構(gòu)承力及連接器對接、解鎖性能，從而保證拉斷力在合理范圍內(nèi)，而且材料、熱處理、加工精度對拉斷力均有一定影響，最終須經(jīng)理論計(jì)算及拉斷試驗(yàn)迭代驗(yàn)證。整機(jī)拉斷試驗(yàn)如圖2b所示，連接器與箭上插座對接好后，拉力機(jī)一端固定拉索，一端固定箭上接口，由拉力機(jī)向上運(yùn)動(dòng)，完成連接器整機(jī)狀態(tài)的冗余拉斷，拉斷后的拉斷銷狀態(tài)如圖2c所示。

圖2 冗余拉斷試驗(yàn)Fig.2 Redundance Tension Test

2.2 解鎖力設(shè)計(jì)分析

連接器對接鎖緊是由對鎖緊螺母施加鎖緊力矩實(shí)現(xiàn)的，鎖緊力矩過大會(huì)使拉斷銷額外受力，影響正常的冗余措施；鎖緊力矩小無法達(dá)到對接密封的要求，或者在起飛振動(dòng)時(shí)可能發(fā)生提前脫落的故障。為保證合理的解鎖力，擰緊力矩的確定需經(jīng)過帶載脫落試驗(yàn)及可靠性的驗(yàn)證，脫落試驗(yàn)如圖3所示。

圖3 脫落試驗(yàn)Fig.3 Separating Test

起飛解鎖過程力的傳遞關(guān)系為：拉索拉緊→克服正常解鎖力，或者拉索拉緊→正常解鎖失效→冗余拉斷（正常解鎖失?。鄳?yīng)的零件依次為拉索→鎖芯→拉斷銷。點(diǎn)火后至連接器脫落階段，拉索會(huì)受到一定的燃?xì)饬饕髯饔?，?jīng)計(jì)算分析，引流負(fù)壓產(chǎn)生的解鎖干擾力為43 N小于連接器正常解鎖力400～1200 N（解鎖力與解鎖速度，密封圈是潤滑情況，解鎖時(shí)帶載情況等相關(guān)，因此有一定的離散度），因此連接器不會(huì)提前脫落；拉索拉斷力（不小于22.5 kN）大于連接器正常解鎖力及拉斷銷拉斷力（13.6～15 kN），可以保證連接器正常及冗余拉斷，各力的相互關(guān)系如圖4所示。

連接器支架包含拉索、限位索、牽制索3種鋼絲繩索具，拉鎖承擔(dān)起飛拉直、連接器解鎖作用；限位索安裝在限位桿內(nèi)，承擔(dān)著連接器脫落后對連接器進(jìn)行限位、防止其甩擺范圍過大、碰撞噴管（連接器脫

落時(shí)，噴管仍位于連接器下方，隨著起飛高度增加，噴管沿高度方向接近連接器）的作用；牽制索的強(qiáng)度大于拉索及限位索，用于火箭起飛一定高度后，燃?xì)饬髦苯幼饔玫竭B接器上時(shí)，對連接器起牽制作用，防止連接器在高溫、高壓燃?xì)饬髯饔孟卤淮碉w、碰撞、損壞其它地面設(shè)備。

圖4 受力關(guān)系示意Fig.4 Force Relationship

3種鋼絲繩索的拉緊順序?yàn)椋合壤?、再限位索、最后牽制索，如果拉緊順序錯(cuò)誤會(huì)造成無法正常解鎖，損壞箭上接口。因此要求這3種鋼絲繩索松馳量的關(guān)系為：起飛跟隨高度＜拉索松馳量＜限位索松馳量＜牽制索松馳量?？紤]安裝及測量誤差，各松馳量間需留有一定余量，如起飛跟隨高度要求90 mm時(shí)，松馳量依次為90 mm、150 mm、180 mm。

另外，鋼絲繩索尤其是解鎖拉索的安裝及松馳量的設(shè)置還需考慮由于垂調(diào)及加注過程箭上尾端面的高度變化，防止產(chǎn)生剛性約束或由于松馳量設(shè)置過小造成誤解鎖。

2.3 脫落可靠性驗(yàn)證[6，7]

為驗(yàn)證中心球鎖零秒脫落連接器的脫落可靠性，設(shè)計(jì)了脫落可靠性驗(yàn)證系統(tǒng)[8]，主要由振動(dòng)臺、模擬接口、脫落機(jī)構(gòu)、供氣系統(tǒng)組成，如圖5所示。

圖5 脫落可靠性試驗(yàn)Fig.5 Separating Reliability Test

試驗(yàn)過程中，模擬接口固定在振動(dòng)臺上，提供起飛環(huán)境的振動(dòng)量級；脫落機(jī)構(gòu)帶動(dòng)連接器完成起飛跟隨及帶氣脫落。3種連接器各完成振動(dòng)帶氣脫落試驗(yàn)168次，包括X，Y，Z 3個(gè)方向各56次；完成非振動(dòng)帶氣脫落試驗(yàn)662次，共計(jì)830次。試驗(yàn)中連接器起飛隨動(dòng)100 mm，漂移量55 mm，連接器氣密、脫落正常。

連接器脫落可靠性特征量服從威布爾分布，產(chǎn)品發(fā)射任務(wù)可靠度的單側(cè)置信下限評估公式為

式中 t0為由產(chǎn)品在發(fā)射任務(wù)中的動(dòng)作次數(shù)；ti為每套產(chǎn)品的試驗(yàn)次數(shù)；f為試驗(yàn)過程中的故障數(shù)；n為試驗(yàn)投試產(chǎn)品數(shù)；2 f +2)為自由度為(2 f + 2)的卡方分布，可查表得到。在本次可靠性試驗(yàn)過程中，參試產(chǎn)品出現(xiàn)責(zé)任故障0個(gè)，根據(jù)式（1）計(jì)算得到產(chǎn)品發(fā)射任務(wù)可靠度的單側(cè)置信下限值為0.999 956 3。

3 應(yīng)用情況

中心球鎖零秒脫落連接器經(jīng)過了真實(shí)發(fā)射工況的考驗(yàn)，密封、脫落性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過高速攝影相機(jī)捕捉到起飛過程連接器的跟隨、脫落過程，如圖6所示。

圖6 連接器起飛跟隨、脫落過程Fig.6 Following and Separating Process

續(xù)圖6

火箭點(diǎn)火后，如圖6a所示，在起飛振動(dòng)工況下，連接器與箭上接口對接良好，此時(shí)箭體支腿仍然在支承臂托盤上，火箭未起飛；開始起飛后，箭體支腿向上離開支承臂托盤，連接器適應(yīng)起飛滾轉(zhuǎn)、漂移并跟隨箭體向上運(yùn)動(dòng)，箭地接口繼續(xù)保持對接狀態(tài)且連接器與供氣管路連接狀態(tài)良好，如圖6b所示；當(dāng)箭體起飛高度達(dá)到拉索松馳量設(shè)定值時(shí)，連接器完成起飛跟隨過程，順利脫落，脫落后限位索拉緊，連接器距離噴管仍有較大安全距離，如圖6c所示，整個(gè)起飛、跟隨、脫落過程在1 s內(nèi)完成；發(fā)射后狀態(tài)如圖6d所示，連接器及鋼絲繩索雖然均有一定程度的表面燒蝕（連接器為一次性使用產(chǎn)品），但整體仍系固良好。

中心球鎖式零秒脫落連接器的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)連接器提前脫落后無法滿足火箭-2 min后可能出現(xiàn)的如緊急關(guān)機(jī)、中止發(fā)射等各種工況需求；其采用冗余拉斷方式，提高了脫落的可靠性，保證了箭地接口安全可靠分離；通過合理設(shè)置鎖緊力，解決了起飛振動(dòng)、燃?xì)饬鞲蓴_等難題，保證了連接器正常的對接及起飛時(shí)隨動(dòng)和脫落；通過設(shè)置拉索的松馳量，可在一定高度范圍內(nèi)完成起飛跟隨。

對于零秒連接器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用來說，如有類似球鎖的鎖緊機(jī)構(gòu)應(yīng)有一定的防松措施，防止起飛振動(dòng)下鎖緊失效，造成提前脫落；零秒連接器一般安裝于箭體尾端面，起飛時(shí)不受燃?xì)饬鞯闹苯幼饔茫珪?huì)受到一定的引流作用及較大熱流輻射，設(shè)計(jì)時(shí)也需要經(jīng)過分析及驗(yàn)證；連接器下方管路長度應(yīng)有一定的余量，起飛時(shí)能隨連接器一起運(yùn)動(dòng)；應(yīng)盡量減少脫落時(shí)持續(xù)供氣的路數(shù)，減小高壓氣造成的偏載，影響正常解鎖；鋼絲繩拉索為解鎖的關(guān)鍵點(diǎn)，首先要保證其質(zhì)量，出廠前均須進(jìn)行加載試驗(yàn)；現(xiàn)場安裝時(shí)各鋼絲繩索的松馳量必須保證正確，連接螺栓也應(yīng)采取一定防松措施。

4 結(jié)束語

中心球鎖零秒脫落連接器可適應(yīng)起飛時(shí)箭體滾轉(zhuǎn)、漂移，并能跟隨箭體起飛一定高度，出現(xiàn)緊急關(guān)機(jī)時(shí)仍能保持可靠對接、密封，無需人員進(jìn)行現(xiàn)場搶險(xiǎn)處理及二次對接。連接器采用了冗余拉斷設(shè)計(jì)，提高了脫落可靠性。連接器研制和成功應(yīng)用為后續(xù)類似產(chǎn)品開發(fā)提供了有利的依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，具有較高的技術(shù)推廣意義。