常規(guī)加泄連接器發(fā)訊性能試驗分析

張振華，王建秋，劉照智，王洪麗，孫 賀

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

液氫、液氧等低溫推進(jìn)劑以及硝基氧化劑四氧化二氮、肼類燃料偏二甲肼等常規(guī)推進(jìn)劑作為燃料，在航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。作為火箭與地面加注系統(tǒng)的關(guān)鍵接口設(shè)備，加泄連接器用于推進(jìn)劑加注及泄出，部分連接器還需具備打開箭上活門并發(fā)出打開信號的功能，以此作為允許加注的必要條件；反之，當(dāng)箭上活門關(guān)閉時，通過該信號反饋箭上活門是否關(guān)閉，作為可以脫落的判定條件。針對歷次發(fā)射任務(wù)中舊型干簧管曾出現(xiàn)的誤發(fā)訊、不發(fā)訊等問題，本文以廣泛使用的常規(guī)加泄連接器為研究對象，針對發(fā)訊故障開展可靠性提升工作，經(jīng)過問題排查、方案論證、方案設(shè)計以及試驗驗證，確定提高發(fā)訊可靠性的最終方案。常規(guī)加泄連接器與加注系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、測控系統(tǒng)及火箭等設(shè)備的連接狀態(tài)如圖1所示。

為了驗證發(fā)訊方案的適應(yīng)性和可靠性，本文針對兩種新解決方案-新選型干簧管和行程開關(guān)進(jìn)行對比試驗。干簧管方案的可靠性可通過產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計、二次篩選等途徑進(jìn)行提升[1～3]。本文重點對改進(jìn)后的新型干簧管發(fā)訊性能進(jìn)行試驗驗證，并與行程開關(guān)發(fā)訊性能進(jìn)行對比，為連接器發(fā)訊方案的制定提供技術(shù)支撐。

圖1 常規(guī)加泄連接器連接示意Fig.1 Conneciton Diagram of Propellant Loading and Draining Connector

1 常規(guī)加泄連接器發(fā)訊原理

常規(guī)加泄連接器打開、關(guān)閉活門結(jié)構(gòu)包括氣缸、活塞、頂桿、頂盤、復(fù)位彈簧等，當(dāng)下達(dá)箭上活門打開指令時，供氣系統(tǒng)給連接器氣缸供氣，氣缸推動頂桿、頂盤運動直至箭上活門閥芯完全打開。連接器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 常規(guī)加泄連接器結(jié)構(gòu)（干簧管狀態(tài)）Fig.2 Structure of Propellant Loading and DrainingConnector(Tongue Tube)

1.1 干簧管發(fā)訊原理

干簧管也稱磁簧開關(guān)、舌簧開關(guān)或磁控管，它是一種氣密式密封的磁控性機(jī)械開關(guān)。在永久磁鐵或線圈所產(chǎn)生的磁場作用下，干簧管兩個舌簧磁化，兩個舌簧的觸點位置分別生成N極、S極。當(dāng)磁場吸引力大于舌簧的彈性產(chǎn)生的阻力，舌簧將接觸、導(dǎo)通，即電路閉合；當(dāng)磁場力消除，舌簧因彈力作用又重新分開，即電路斷開。

在連接器產(chǎn)品中，兩套干簧管并聯(lián)安裝在干簧盒內(nèi)，固定在連接器氣缸上方，干簧管與氣缸內(nèi)的磁鋼配合實現(xiàn)發(fā)訊。當(dāng)氣缸活塞與磁鋼一同運動至干簧盒正下方，在磁場作用下干簧管吸合，即電路閉合、發(fā)訊；當(dāng)氣缸放氣后，頂桿、頂盤以及箭上活門閥芯復(fù)位，此時磁鋼遠(yuǎn)離干簧盒，磁場力消除后干簧管舌簧因彈力作用又重新分開，即電路斷開。

1.2 行程開關(guān)發(fā)訊原理

行程開關(guān)，又稱限位開關(guān)，是一種常用的小電流主令電器。一般應(yīng)用中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)置位置，設(shè)備中機(jī)械運動部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關(guān)是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的元件，它的作用原理與按鈕開關(guān)類似。通常，這類開關(guān)被用來限制機(jī)械運動的位置或行程，使運動部件按一定位置或行程自動停止、反向運動等[4]。

在連接器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，行程開關(guān)代替干簧盒，取消磁鋼，其他結(jié)構(gòu)基本相同。氣缸活塞運動至行程開關(guān)下方，推動行程開關(guān)柱塞向上運動，電路閉合；當(dāng)氣缸放氣后，活塞復(fù)位遠(yuǎn)離行程開關(guān)，柱塞恢復(fù)初始狀態(tài)，電路斷開。相比干簧管，行程開關(guān)為機(jī)械開關(guān)，其工作原理簡單，更為可靠。

2 試驗對象

新選型的干簧管采用德國 MEDER公司產(chǎn)品，共兩種規(guī)格：KSK-1A52-2530、KSK-1A52-3035。兩種干簧管的結(jié)構(gòu)尺寸及外觀相同，吸合值分別為 25～30 AT、30～35 AT。試驗時干簧盒內(nèi)安裝一只干簧管，狀態(tài)如圖3所示，主要參數(shù)如表1所示。干簧盒分為A組、B組，其中A組干簧盒選用5個KSK-1A52-2530型號干簧管，編號 A1～A5；B組干簧盒選用 5個KSK-1A52-3035型號干簧管，編號B1～B5。

行程開關(guān)選用德國EUCHNER公司產(chǎn)品，規(guī)格：EGT1-5000。行程開關(guān)為單孔固定式，與連接器采用M14x1螺紋接口，結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要參數(shù)如表2所示。試驗采用5套行程開關(guān)，編號C1～C5。

圖3 干簧管安裝狀態(tài)Fig.3 Tongue Tube Installation

表1 兩種干簧管的主要技術(shù)參數(shù)對比Tab.1 Comparison Table of Technical Parameter of Two Tongue Tube

圖4 行程開關(guān)結(jié)構(gòu)Fig.4 Travel Switch

表2 行程開關(guān)主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical Parameter Table of Travel Switch

3 干簧管試驗內(nèi)容及結(jié)果分析

試驗主要分為兩部分：a）干簧管的性能試驗，包括軸向和徑向的吸合、釋放距離測試；b）干簧管的發(fā)訊驗證試驗，安裝在常規(guī)加泄連接器產(chǎn)品上，分別進(jìn)行高溫、低溫?zé)岘h(huán)境工況發(fā)訊試驗和使用工況的壽命考核。

3.1 干簧管性能試驗

通過干簧管檢測裝置測試干簧管在徑向和軸向的吸合、釋放距離，驗證干簧管的吸合、釋放特性和個體差異性。干簧管檢測裝置原理如圖5所示[5]。

圖5 干簧管檢測裝置原理Fig.5 Principle Diagram of Test Device

測試方法如下：磁鋼與干簧盒固定在檢測裝置內(nèi)，干簧管與磁鋼的軸線平行。徑向吸合、釋放距離測試時，磁鋼固定，干簧盒在磁鋼正上方上下移動；軸向吸合、釋放距離測試時，干簧盒在磁鋼正上方一定距離并固定，磁鋼沿著干簧管軸線方向運動。吸合距離為兩者從遠(yuǎn)至近、由釋放狀態(tài)轉(zhuǎn)為初始吸合時的距離，釋放距離為兩者從近至遠(yuǎn)、由吸合狀態(tài)轉(zhuǎn)為初始釋放時的距離。

A組、B組干簧管徑向吸合、軸向吸合的釋放距離數(shù)據(jù)分析如圖6所示。每只干簧管分別進(jìn)行3次測試，圖中為平均值。

圖6 干簧管徑向和軸向吸合的釋放試驗距離對比Fig.6 Comparison of Test Distance

通過圖6可以看出，A組、B組干簧管具有以下特性：

a）通過干簧管的徑向吸合距離對比，A組明顯大于B組，軸向也呈現(xiàn)類似規(guī)律；表明A組干簧管更易吸合、更靈敏，這與干簧管的吸合值特性一致。

b）通過干簧管的徑向釋放距離對比，A組與B組則呈現(xiàn)相反的趨勢，A組基本小于B組，表明A組干簧管更易釋放。A組、B組部分干簧管參數(shù)比較接近，但整體趨勢低于B組，一方面說明兩者性能參數(shù)差別較小，另一方面同種規(guī)格產(chǎn)品性能參數(shù)存在一定個體差異。

c）通過干簧管的吸合、釋放距離綜合對比，A組、B組干簧管的吸合距離均小于釋放距離，且變化幅度較大，約為釋放距離的53%～78%，軸向測試與徑向測試規(guī)律完全相同；這表明磁鋼在靠近干簧管時，舌簧觸點需要較大的磁力才可吸合，而在磁鋼遠(yuǎn)離干簧管時，由于微量的殘存力滯留在舌簧上，使其不易釋放。

總的來說，同種規(guī)格干簧管的吸合、釋放距離相差不大，考慮到干簧管安裝和測量偏差以及磁鋼的不均勻性，可判定試驗干簧管的一致性較好，能較好滿足產(chǎn)品使用要求。但不同規(guī)格的干簧管差異性較為明顯，在連接器活門打開關(guān)閉機(jī)構(gòu)方案設(shè)計時，需要考慮干簧管的特性；另外，還應(yīng)重點考慮干簧管的吸合、釋放距離差，箭上活門關(guān)閉時連接器應(yīng)有充足的行程使干簧管釋放。

3.2 連接器發(fā)訊驗證試驗

3.2.1 高溫性能試驗

干簧盒安裝在連接器上，整體放入高低溫箱內(nèi)，緩慢升溫至連接器最高工作溫度（50 ℃）并保溫30 min，然后連接器活門打開測試干簧管發(fā)訊是否正常，考核干簧管在連接器上的高溫適應(yīng)性。各試驗10次。

試驗結(jié)果及分析如下，數(shù)據(jù)曲線如圖7所示。

圖7 故障干簧管軸向吸合、釋放距離對比Fig.7 Test Distance Comparison of Fault Tongue Tube

a）A組干簧管在連接器打開、關(guān)閉活門時均正常吸合、釋放；

b）B組B2#干簧管未能在最高工作溫度下正常吸合，其余干簧管工作正常。

為進(jìn)一步驗證高溫對干簧管的影響，對故障干簧管單獨進(jìn)行高溫下的軸向吸合、釋放距離測試，恢復(fù)常溫后再次測量軸向吸合、釋放距離。由圖7可以看出，故障干簧管初次常溫以及恢復(fù)常溫后的吸合、釋放距離基本相同，但在高溫工況下其吸合、釋放距離均明顯變小，變化幅度較大，吸合時約為常溫狀態(tài)下的75%～86%，釋放時約為常溫狀態(tài)下的51%～62%?？梢钥闯龈邷貙Ω苫晒艿奈?、釋放特性影響較大。

3.2.2 低溫性能試驗

在高低溫箱內(nèi)進(jìn)行緩慢降溫，每分鐘溫度降低不得大于 1 ℃，達(dá)到最低工作溫度（-40 ℃）時保溫30 min，試驗方法同前述高溫試驗，考核干簧管在低溫工況下的發(fā)訊性能。各試驗10次。

根據(jù)試驗結(jié)果，A組、B組干簧管均能在規(guī)定溫度下滿足連接器的使用要求。3.2.3 使用工況下的壽命考核

根據(jù)前述試驗結(jié)果，A組干簧管性能更適合連接器使用工況，隨機(jī)選取A組中的一只干簧盒，安裝在連接器上進(jìn)行使用工況下的壽命試驗，驗證連接器快速打開、關(guān)閉活門機(jī)構(gòu)動作時的振動影響。將連接器固定在試驗臺架上，連接器打開、關(guān)閉活門機(jī)構(gòu)反復(fù)供放氣，共試驗3000次。根據(jù)試驗結(jié)果，干簧管發(fā)訊均正常。

3.3 小 結(jié)

通過兩組干簧管進(jìn)行對比試驗，試驗結(jié)論如下：

a）相比B組干簧管，A組干簧管更適合于常規(guī)加泄連接器使用工況；

b）干簧管的吸合距離通常小于釋放距離，且變化幅度較大，測試樣品數(shù)據(jù)約為釋放距離的53%～78%；

c）同種規(guī)格的干簧管性能一致性較好，但對環(huán)境溫度的變化比較敏感，新產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)注意高低溫邊界條件的影響，避處于臨界工作狀態(tài)；

d）干簧管的選型一定要結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)和動作行程，換言之，連接器發(fā)訊結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮干簧管的參數(shù)差異和特性；

e）新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡量保證干簧管與磁鋼的徑向距離較小，軸向距離則應(yīng)較大，軸向動作行程應(yīng)可保證干簧管正常釋放。

4 行程開關(guān)試驗內(nèi)容及結(jié)果分析

對連接器氣缸進(jìn)行了適應(yīng)性改造，取消磁鋼，行程開關(guān)安裝在氣缸正上方。連接器共生產(chǎn)2套，編號為1#、2#，5套行程開關(guān)分別裝在2套連接器上進(jìn)行發(fā)訊試驗。根據(jù)連接器使用工況，對裝有行程開關(guān)的連接器進(jìn)行整機(jī)高溫、低溫、濕度熱環(huán)境發(fā)訊試驗及使用工況的壽命考核試驗。

4.1 試驗情況

熱環(huán)境試驗工況分別為：高溫50 ℃、低溫-40 ℃、濕度RH 98%（在35 ℃時），試驗方法同前述干簧管，每個行程開關(guān)試驗次數(shù)為 20次。壽命考核試驗選取C1#、C2#行程開關(guān)，各試驗3000次。

試驗結(jié)果表明，行程開關(guān)在高溫 50 ℃、高濕98%RH（在 35 ℃時）工況下均發(fā)訊正常，但在低溫-40 ℃時信號返回滯后，個別行程開關(guān)信號返回時間甚至長達(dá)15 min。由于-40 ℃超出了行程開關(guān)的最低允許溫度，將高低溫箱調(diào)整至-25 ℃，重新進(jìn)行發(fā)訊試驗，發(fā)訊正常，表明行程開關(guān)在超出允許使用工況時性能下降，發(fā)訊可靠性降低。

由于氣缸活塞運動方向與行程開關(guān)柱塞運動方向垂直，在使用過程中柱塞將受到徑向沖擊、對其壽命造成影響，為考核行程開關(guān)在使用工況下的壽命邊界，選取C1#、C2#行程開關(guān)壽命考核以及拉偏試驗，分別試驗3000次、30 000次，發(fā)訊均正常，試驗結(jié)果表明行程開關(guān)可完全滿足連接器的使用要求。

試驗結(jié)果如表3所示。

表3 行程開關(guān)試驗結(jié)果Tab.3 Test Results of Travel Switch

4.2 小 結(jié)

a）行程開關(guān)對環(huán)境溫度較為敏感，尤其低溫工況，在新產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)注意或者限制使用工況；

b）在限定熱環(huán)境、使用工況壽命考核以及極限拉偏試驗中，行程開關(guān)均發(fā)訊正常，發(fā)訊可靠，可滿足常規(guī)加泄連接器使用要求；

c）行程開關(guān)為機(jī)械運動，相比干簧管需要磁場力吸合，其原理更為簡單、發(fā)訊更為可靠。

5 發(fā)訊壽命可靠性評估

常規(guī)加泄連接器發(fā)訊試驗按照威布爾分布策劃，參試產(chǎn)品試驗總有效動作次數(shù)為

式中R為可靠性置信下限，R=0.999；0t為任務(wù)中動作次數(shù)，取0t=3；m為威布爾分布的形狀參數(shù)，取m=1.2；n為參試產(chǎn)品的個數(shù)；γ為置信度，取γ=0.85。

參試產(chǎn)品分別按照數(shù)量1～5，計算得到每個傳感器需開展的最少試驗次數(shù)，如表4所示。

表4 傳感器試驗次數(shù)Tab.4 Test Number of Sensor

按照威布爾分布函數(shù)模型，由產(chǎn)品在發(fā)射任務(wù)中的動作次數(shù)0t、每套產(chǎn)品的試驗次數(shù)iT、試驗過程中的故障數(shù)f、試驗投試產(chǎn)品數(shù)n，可得產(chǎn)品在發(fā)射任務(wù)中壽命可靠度的單側(cè)置信下限評估公式為

6 結(jié) 論

本文所提出的兩種解決方案均在連接器上得以應(yīng)用，并經(jīng)過多次發(fā)射任務(wù)考核、使用正常，根據(jù)試驗結(jié)果以及使用情況分析，具有以下結(jié)論：

a）干簧管的選型需要與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)和動作行程相匹配，合適的干簧管將提高使用可靠性；

b）行程開關(guān)為機(jī)械運動，相比干簧管原理簡單，發(fā)訊更為可靠，在限定工況下連接器應(yīng)優(yōu)先選擇行程開關(guān)作為發(fā)訊裝置。