大直徑柔性整流罩垂直對接平臺的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

張駿，劉玉梅，劉貝，周煦潔，陳艷

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海200245）

0 引 言

火箭整流罩用于保護(hù)衛(wèi)星及其他有效載荷，防止衛(wèi)星受到氣動力、氣動熱及聲振等有害環(huán)境的影響，是運(yùn)載火箭的重要組成部分[1]。整流罩分離是運(yùn)載火箭發(fā)射過程中的關(guān)鍵動作，其對接精度又是影響既定分離動作能否正確執(zhí)行的關(guān)鍵因素，直接影響發(fā)射任務(wù)的成敗。新一代運(yùn)載火箭采用大直徑整流罩，其結(jié)構(gòu)剛度下降，柔性增加[2]。目前衛(wèi)星整流罩的裝配分離面與空間分離面是重合的。這種類型的整流罩進(jìn)行地面裝配時，不僅需要較高的姿態(tài)調(diào)整精度，而且由于連接過程需要穿插和固定的連接螺栓數(shù)量很大，操作時間較長，需要在操作過程中保持所調(diào)整好的姿態(tài)[3]。通過文獻(xiàn)和現(xiàn)有線性解鎖結(jié)構(gòu)可知，對于大直徑柔性整流罩垂直合罩時，合罩精度需要達(dá)到±1 mm。

目前國內(nèi)外整流罩垂直對接主要有兩種形式：吊裝垂直對接和推裝垂直對接。美國德爾塔IV和日本H-2A整流罩通過吊裝實(shí)現(xiàn)垂直對接。德爾塔IV整流罩直徑為4.07 m，長度為11.75 m，目前國內(nèi)成熟火箭中部分采用水平合罩后垂直扣罩。吊裝合罩的優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡單可靠、成本低，缺點(diǎn)為無法適應(yīng)新一代火箭整流罩與箭體的對接。

印度宇宙神5、GSLV-D和意大利織女星采用腳輪推裝方式實(shí)現(xiàn)垂直對接，如表1所示。目前國內(nèi)成熟火箭中部分采用導(dǎo)軌推裝方式垂直對接，操作簡單，對接可靠，但這種方式需要鋪設(shè)導(dǎo)軌，占用空間大。

現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于傾覆穩(wěn)定性的判別方法主要有壓力中心法[4]、有效質(zhì)量重型方法[5]、零力矩點(diǎn)方法[6]、傾倒穩(wěn)定邊界法[7]及力角穩(wěn)定性度量法等[8-9]。

本文設(shè)計(jì)了一套垂直對接平臺，采用腳輪式高型架手動控制方式，可實(shí)現(xiàn)大直徑柔性整流罩半罩軸向、徑向和周向的精確調(diào)整。對接平臺采用高剛度保型架對整流罩半罩保型，克服了整流罩半罩作為薄壁構(gòu)件所存在的尺寸大、剛性差、易變形的缺陷，保證了整流罩精確垂直對接，采用力角穩(wěn)定性度量法和力矩法分析計(jì)算了合罩平臺防傾覆性能，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了合罩平臺推行和調(diào)節(jié)性能。

1 大直徑柔性整流罩垂直對接平臺設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)大直徑柔性整流罩高精度合罩的要求，垂直對接平臺采用腳輪式高型架和3個六自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，主要由多功能工作梯、保型架、底座、六自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。

整流罩垂直對接時，左右底座分別承載整流罩半罩-型架組合體通過機(jī)械導(dǎo)向到達(dá)合罩區(qū)域后，通過調(diào)節(jié)六自由度位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度的整流罩合罩。

六自由度位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)左右半罩的位姿使左右半罩實(shí)現(xiàn)對接，主要由滑動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和滾動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成，可實(shí)現(xiàn)六自由度的調(diào)節(jié)功能?；瑒诱{(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由底層滑臺、上層滑臺、升降機(jī)、球窩、標(biāo)尺組成；滾動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由升降機(jī)、球窩、外殼、標(biāo)尺、螺紋伸縮桿、萬向球軸承組成。

對接航向?yàn)閄，橫向?yàn)閅，垂直方向?yàn)閆，根據(jù)整流罩的位姿，通過調(diào)節(jié)3個六自由度位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3個維度的位置實(shí)現(xiàn)整流罩的X、Y、Z方向和角度的調(diào)節(jié)。

圖1 合罩裝置示意圖

型架上下分布有兩處整流罩連接接口，與整流罩接觸位置留有16個可調(diào)節(jié)孔位的調(diào)節(jié)塊，可實(shí)現(xiàn)孔位小范圍內(nèi)Z向調(diào)節(jié)，型架上留有滑槽，將調(diào)整塊順著滑槽滑入，實(shí)現(xiàn)孔位小范圍內(nèi)軸向調(diào)節(jié)，確保16個連接孔都能與整流罩進(jìn)行連接。

1.2 防傾覆計(jì)算

1.3 仿真分析

基于ANSYS有限元分析，型架承受2倍過載和自身重力進(jìn)行仿真，整體型架變形僅有2 mm，應(yīng)力為72 MPa，如圖3～圖4所示。由結(jié)果可以看出，對于長10 m的型架形變?yōu)? mm，型架撓度為1/5000，剛度很好，對柔性整流罩起到保型的作用，對接更加準(zhǔn)確方便。

圖3 型架整體形變

圖4 型架所受應(yīng)力

2 垂直對接平臺驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 推行對接試驗(yàn)

為驗(yàn)證垂直對接平臺在重載條件下推行、轉(zhuǎn)向的性能，開展了推行對接試驗(yàn)。

試驗(yàn)中準(zhǔn)備了3 t的配重，預(yù)設(shè)了對接目標(biāo)孔，推動滿載垂直對接平臺向目標(biāo)架靠近對接，進(jìn)行了不少于5次的滿載和空載對接試驗(yàn)，并記錄對接的時間進(jìn)行對接難易程度評估，結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明5次試驗(yàn)均順利完成，平均用時208 s。

試驗(yàn)結(jié)果表明，5次對接試驗(yàn)從開始到機(jī)械限位完全進(jìn)入平均用時為208 s，對接過程簡單可靠?？蛰d推行對接試驗(yàn)如圖5所示，滿載推行對接試驗(yàn)如圖6所示。

表1 滿載對接試驗(yàn)結(jié)果

圖5 空載推行對接試驗(yàn)

圖6 滿載推行對接試驗(yàn)

2.2 位姿調(diào)節(jié)試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)了垂直對接平臺位姿調(diào)節(jié)試驗(yàn)的試驗(yàn)方法，在吊車保護(hù)下，對垂直對接平臺進(jìn)行六自由度調(diào)節(jié)試驗(yàn)，并對型架上不同位置的調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行采樣并記錄，如圖7所示。

圖7 位姿調(diào)節(jié)示意圖

1）試驗(yàn)步驟：a.用吊具將1/2型架吊至底座球窩內(nèi)，固定安裝穩(wěn)固，吊繩松開但不松掉，靜置10 min；b.將底座升降機(jī)降下，使底座腳輪著地，輔助支撐旋轉(zhuǎn)90°至前進(jìn)方向，在平地上推行合罩裝置向前向后各200 m；c.推行后升起底座升降機(jī)，將底座調(diào)至水平，分別轉(zhuǎn)動六自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)手輪進(jìn)行x向、y向、z向、繞x軸旋轉(zhuǎn)、繞y軸旋轉(zhuǎn)、繞z軸旋轉(zhuǎn)6個自由度調(diào)節(jié)，分別進(jìn)行3次以上試驗(yàn)。

2）測量內(nèi)容及測點(diǎn)位置：a.坐標(biāo)設(shè)定，推行方向?yàn)閄、橫向?yàn)閅、垂直方向?yàn)閆，X向與合罩裝置的推行方向一致；b.鋪設(shè)測試點(diǎn)，共5點(diǎn)，在型架的底部和頂部分別安2個測量點(diǎn)（測量點(diǎn)1～4），在型架中間安1個測量點(diǎn)。c.檢測型架姿態(tài)調(diào)整后的調(diào)節(jié)量，分別記錄測量點(diǎn)1～5的位移量和偏轉(zhuǎn)角度。

3）試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果如表2～表4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，X、Y、Z方向調(diào)節(jié)平均精度為0.5 mm，繞X、Y、Z 軸方向調(diào)節(jié)平均精度為0.11°，位移調(diào)節(jié)精度較高，且可實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，角度調(diào)節(jié)精度略低，在實(shí)際使用過程中，為了保證對接過程安全可靠，整個過程非常緩慢，對角度調(diào)節(jié)精度要求不高由此判斷垂直對接平臺達(dá)到預(yù)期的調(diào)節(jié)要求。

表2 X向（繞x軸）調(diào)節(jié)量記錄表

表3 Y向（繞y軸）調(diào)節(jié)量記錄表

表4 Z向（繞z軸）調(diào)節(jié)量記錄表

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的大直徑柔性整流罩采用腳輪式高型架手動控制方式，通過六自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對整流罩進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了整流罩的推行對接和六自由度調(diào)節(jié)功能，達(dá)到±1 mm調(diào)節(jié)精度要求。