吊帶非正常斷裂的故障分析與優(yōu)化措施

余鳳華，徐 宏，閤 霞

（航空工業(yè)航宇救生裝備有限公司航空防護救生技術(shù)航空科技重點實驗室，襄陽441003）

多年來，國內(nèi)外學(xué)者對助推器的回收技術(shù)進行了大量研究，國外學(xué)者在此領(lǐng)域很早就投入研究。20 世紀(jì)中期，美國和歐洲的一些國家對K-1 運載火箭子級回收進行相應(yīng)的空投試驗[1-2]與“阿里安-5”火箭助推器的回收工作[3]。21 世紀(jì)以來，“戰(zhàn)神I-X”運載火箭[4-5]完成了一系列回收系統(tǒng)工作試驗；美國X-38 原型機使用翼傘進行了回收驗證試驗[6]。

國內(nèi)的相關(guān)研究起步較晚，但是近年來，國內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域的研究逐漸投入大量精力與時間。文獻[7]針對運載火箭助推器的回收系統(tǒng)技術(shù)展開討論，并提出關(guān)鍵建議。文獻[8-12]對火箭助推器回收系統(tǒng)進行相關(guān)的仿真分析研究，2019 年3 月，我國在某衛(wèi)星發(fā)射中心用運載火箭，將其送入太空，成功進入地球同步軌道。其中2#助推器中首次安裝了傘分系統(tǒng)，對助推器落區(qū)控制的實施效果進行摸底。傘分系統(tǒng)工作過程中，減速傘下吊帶意外斷裂，致使減速傘提前分離，從而導(dǎo)致傘分系統(tǒng)工作異常。

經(jīng)分析研究及大量試驗驗證，確定減速傘下吊帶的斷裂原因為非正常位置受力所致。后查閱大量國內(nèi)外文獻資料發(fā)現(xiàn)，對該課題的研究涉及較少，僅在《AIAA Paper-75-1388》[13]中有所提及，且與本文所述的斷裂現(xiàn)象及原因一致。

本文針對特定項目研制中的實際問題進行分析研究，并提出解決措施，旨在引起相關(guān)方對吊帶非正常位置受力導(dǎo)致的斷裂問題的關(guān)注及重視。

1 減速傘提前分離故障原因分析

傘分系統(tǒng)的工作流程見圖1。

相關(guān)信息表明，減速傘未按照預(yù)定程序，在工作15 s 時與助推器分離，而是在工作約8 s 時提前分離，從而導(dǎo)致翼傘工作異常，與助推器分離，并未實現(xiàn)對助推器落區(qū)的有效控制。

1.1 視頻資料分析

從助推器內(nèi)部安裝的攝像頭所采集的視頻信息來看：

（1）穩(wěn)定傘工作段

工作程序正常。

（2）減速傘工作段

工作程序異常。既定工作程序是：頭錐中段分離后，減速傘拉直、啟動火工品工作、5 s 解除第一級收口，10 s 解除第二級收口、張滿，15 s 時減速傘分離，拉走翼傘傘包，拉出翼傘。而視頻資料顯示：頭錐中段分離后，從減速傘的拉直到5 s解除第一級收口這一段工作是正常的，但到約8 s 時，與頭錐下段相連的減速傘下吊帶突然斷裂，減速傘提前分離。

（3）翼傘系統(tǒng)工作段

工作程序異常，既定工作程序是：翼傘系統(tǒng)開包、開包1 s 后翼傘拉直同時固定控制箱爆炸螺栓起爆、翼傘充氣、系統(tǒng)提起、轉(zhuǎn)子下吊帶拉直受力,翼傘攜帶頭錐下段進入穩(wěn)態(tài)滑翔。由于減速傘提前分離，翼傘提前工作，開傘速度過大導(dǎo)致翼傘開傘力過大，翼傘與頭錐下段連接的轉(zhuǎn)子下吊帶斷裂，翼傘系統(tǒng)與頭錐下段分離。

1.2 落地現(xiàn)場檢查情況

根據(jù)落地現(xiàn)場部分殘骸的照片可確認(rèn)：

減速傘傘衣、傘繩完好，減速傘下吊帶四合一頂部彎折處（與減速傘繩環(huán)下端的U 形環(huán)連接處）斷裂，減速傘分離用爆炸螺栓未工作（見圖2）。

圖2 減速傘Fig.2 Brake parachute

1.3 測試數(shù)據(jù)分析

測試數(shù)據(jù)的匯總及分析見表1。

表1 測試數(shù)據(jù)匯總及分析Table 1 Summary and analysis of test data

1.4 綜合分析

本次傘分系統(tǒng)首飛，通過對視頻信息、落地現(xiàn)場照片及測試數(shù)據(jù)的分析，可知故障現(xiàn)象為：減速傘一分四下吊帶在一級收口解除后發(fā)生四合一頂部彎折處斷裂，導(dǎo)致后續(xù)的工作時序異常，翼傘系統(tǒng)提前工作，開傘力過大，拉斷了控制箱爆炸螺栓和翼傘與頭錐下段連接的轉(zhuǎn)子下吊帶，導(dǎo)致翼傘系統(tǒng)與頭錐下段分離，工作失效。

1.5 故障原因分析

采用全面質(zhì)量管理的“人、機、料、法、環(huán)”五大要素法對“減速傘下吊帶四合一頂部彎折處斷裂”這一故障原因進行分析，排除了減速傘下吊帶強度設(shè)計不足、減速傘下吊帶材料來源及生產(chǎn)過程不符合質(zhì)量控制程序、減速傘下吊帶縫合部強度損失，導(dǎo)致吊帶強度降低3 個故障原因，有可能造成減速傘下吊帶斷裂的原因有以下兩個：

（1）減速傘工作段,角速度過大，助推器姿態(tài)不穩(wěn)定，產(chǎn)生的載荷可能大大超過了預(yù)期值。

由表1 可知，減速傘下吊帶斷裂時，箭體3 個方向的過載值原始數(shù)據(jù)為ax=8.24g，ay=-5.06g，az=4.35g，過載值過大，由于測試位置及未濾波等因素的影響，此數(shù)據(jù)只能僅供參考。另外，與減速傘下吊帶上端連接的U 形環(huán)的破壞強度為18 t；與減速傘下吊帶下端單點連接的爆炸螺栓轉(zhuǎn)接件承載能力為6.5 t，此兩處均未破壞；進一步證明，減速傘下吊帶的斷裂不是由于載荷過大造成的。故該故障原因可以排除。

（2）減速傘工作段，角速度過大，助推器姿態(tài)不穩(wěn)定，導(dǎo)致減速傘吊帶非正常位置受力，使吊帶強度遭到較大破壞。

助推器結(jié)構(gòu)由頭錐、氧化劑箱、箱間段、燃燒劑箱、后過渡段、尾段、尾翼、發(fā)動機等部件組成，自身的氣動穩(wěn)定性不佳，其幾何外形見圖3。

圖3 助推器外形尺寸Fig.3 Size of boster

減速傘工作初始狀態(tài)參數(shù)的理論值與實際值對比見表2。

從表1 提供的測試數(shù)據(jù)看，經(jīng)過穩(wěn)定傘的穩(wěn)定調(diào)姿及減速作用，助推器的旋轉(zhuǎn)擺動呈明顯收斂趨勢，但由于助推器幾何外形（見圖3）自身的氣動穩(wěn)定性不佳，經(jīng)長時間僅靠穩(wěn)定傘減速到頭錐中段分離時，仍達(dá)不到表2 角速度為零的理論狀態(tài)。由表2 可看出，減速傘實際開始工作時，助推器姿態(tài)不夠穩(wěn)定；另外，由于減速傘系統(tǒng)長度較長，環(huán)縫型減速傘充氣較慢，因此，從頭錐中段分離穩(wěn)定傘失效，到減速傘一級收口狀態(tài)張滿這段長約2 s 時間內(nèi)，助推器沒有傘的作用，再加上自身角速度的作用，對系統(tǒng)工作狀態(tài)很不利。由表1 可看出，穩(wěn)定傘分離 時，系 統(tǒng) 的 角 速 度 值 為ωx=-150（°）/s、ωy=-60.68（°）/s、ωz=52（°）/s，而減速傘下吊帶斷裂，減速傘與頭錐下段提前分離時，系統(tǒng)的角速度值 為ωx=-150（°）/s、ωy=-132.9（°）/s、ωz=101.8（°）/s，y 軸和z 軸方向的角速度增加了近一倍，說明在沒有傘作用的2 s 內(nèi)助推器姿態(tài)更不穩(wěn)定，這對減速傘的工作是十分不利的，容易發(fā)生吊帶與承力金工件非正常位置受力的情況，導(dǎo)致吊帶強度大幅降低。

表2 減速傘工作狀態(tài)參數(shù)Table 2 Parameters of working conditions of brake parachute

美軍在為研究某型降落傘的強度問題而做的空投試驗中，在第6 次投放時，發(fā)生了吊帶斷裂問題[13]。損傷分析表明：傘似乎正常開傘充氣。就在傘完全張滿時，吊帶與連接環(huán)連接的位置斷裂。故障發(fā)生在一具第一次使用的降落傘上。理論分析表明：吊帶理論強度為135 000 磅（600.1 kN）的兩組吊帶通過金屬連接環(huán)連接（見圖4），當(dāng)?shù)鯉幱诜钦Ｎ恢檬芰r，吊帶的破壞強度降低為44 600 磅（198.3 kN），僅為理論強度的1/3。

減速傘下吊帶與減速傘傘繩環(huán)的連接也是通過U 形環(huán)轉(zhuǎn)接的（見圖5），其受力狀態(tài)與文獻中所述狀態(tài)非常相似。因此，該故障原因不能排除。

圖4 吊帶損傷分析Fig.4 Damage analysis of sling

圖5 減速傘下吊帶與減速傘傘繩環(huán)的連接Fig.5 Connection between the sling and the brake parachute

根據(jù)故障原因分析排查，“減速傘一分四下吊帶在一級收口解除后發(fā)生四合一頂部彎折處斷裂”的主要原因是“對助推器角速度過大，姿態(tài)不穩(wěn)定認(rèn)識不足，在減速傘工作段，對承力金工件非正常位置工作狀態(tài)考慮不充分，導(dǎo)致減速傘吊帶非正常位置受力，使吊帶強度遭到較大破壞”。

2 非正常位置受力導(dǎo)致吊帶斷裂的機理分析與驗證

項目組通過減速傘下吊帶的靜態(tài)拉伸試驗和動態(tài)沖擊試驗對吊帶斷裂機理進行分析研究。

靜態(tài)拉伸試驗采用的試驗件共兩組，采用的試驗件與首飛件狀態(tài)相同。

一組是吊帶正常位置受力的靜拉試驗（見圖6）。當(dāng)載荷達(dá)到151.9 kN 時，理論強度為196 kN的減速傘下吊帶頂部彎折處斷裂，破壞強度為理論值的77.5%。

吊帶正常位置受力時，整個帶寬內(nèi)的經(jīng)向纖維均勻受力，平均分擔(dān)施加的載荷，每一根纖維的受力均不超過它的極限載荷。

圖6 吊帶正常位置受力Fig.6 Normal force of sling

另一組是吊帶非正常位置受力的靜拉試驗（見圖7），U 形環(huán)傾斜一定角度，隨著載荷的增加，減速傘下吊帶四合一頂部彎折處出現(xiàn)了局部纖維斷裂的情況，隨后吊帶繼續(xù)向U 形環(huán)低點處移動，并合包帶縫線撕裂，吊帶卡在U 形環(huán)角點處，當(dāng)載荷達(dá)到88.2～106.8 kN 時，理論強度為196 kN 的減速傘下吊帶頂部彎折處全部斷裂。減速傘下吊帶非正常位置受力時，破壞強度僅為理論值的50%左右。

圖7 吊帶非正常位置受力Fig.7 Abnormal force of sling

當(dāng)?shù)鯉Х钦Ｎ恢檬芰r，整個帶寬內(nèi)的經(jīng)向纖維受力不均勻，部分纖維承擔(dān)了施加的全部載荷，超過它的極限載荷，導(dǎo)致局部斷裂，從而大大降低了吊帶的整體強度，進而造成吊帶全部纖維斷裂。

動態(tài)沖擊試驗（見圖8）采用的試驗件與首飛件狀態(tài)相同，用以與靜拉試驗做對比。

兩次沖擊試驗，減速傘下吊帶均是在四合一頂部彎折處出現(xiàn)了斷裂情況，理論強度為196 kN 的減速傘下吊帶的斷裂強度分別為119.6 kN（是理論強度的61%）和138.2 kN（是理論強度的70.5%）。

靜拉試驗和沖擊試驗的結(jié)果表明：減速傘下吊帶承受沖擊載荷時的斷裂強度比靜載時更小，沖擊破壞強度是靜拉破壞強度的79%～91%；減速傘下吊帶的強度薄弱部位是在吊帶四合一頂部與大U 形環(huán)連接處。

靜拉試驗和沖擊試驗的試驗結(jié)果也讓項目組確認(rèn)故障原因是“減速傘吊帶非正常位置受力，使吊帶強度遭到較大破壞”。

3 減速傘吊帶非正常位置受力的優(yōu)化措施

根據(jù)故障機理分析，需要從程序、結(jié)構(gòu)及強度3 方面采取措施，以防止吊帶在非正常位置受力。

3.1 減速傘工作程序優(yōu)化

借鑒重裝遙控空投系統(tǒng)的成熟技術(shù)，在減速傘下端增加一具20 m2的減速穩(wěn)定傘。頭錐中段分離穩(wěn)定傘失效后，減速穩(wěn)定傘比減速傘先拉出傘包，充氣，對助推器起穩(wěn)定減速作用，其拉直張滿時間約0.8 s，可起到優(yōu)化減速傘工作程序的作用（見圖9），盡量減少助推器自身角速度再增大的趨勢。

增加20 m2的減速穩(wěn)定傘，在減速傘傘繩環(huán)下端增加4 根9 m 長的連接帶，以保證20 m2的減速穩(wěn)定傘能可靠拉直。為避免套接的方式對9 m 吊帶造成的強度損失，取消傘繩環(huán)，采用將64 根傘繩按8 根一組的方式分成8 組，再分別與4 根9 m 吊帶的8 個帶頭縫合的方式，減少金屬連接件，保證吊帶強度。具體連接方式見圖10。4 根9 m 吊帶的自由端與載荷連接器連接。

圖10 傘繩及其下端9 m 吊帶縫合方式Fig.10 Closure method of the rope and its 9 m sling

3.2 連接件結(jié)構(gòu)改進

經(jīng)討論與分析，根據(jù)減速傘工作環(huán)境，借鑒國內(nèi)外吊帶連接件的相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗，將減速傘下吊帶的連接件U 形環(huán)（見圖11）改成載荷連接器[14-16]（見圖12），以防止吊帶非正常位置受力，保證吊帶強度。

圖11 U 形環(huán)Fig.11 U-shaped ring

圖12 載荷連接器Fig.12 Load connector

3.3 吊帶結(jié)構(gòu)及強度的適應(yīng)性改進

（1）采用4 根單獨吊帶取代一分四吊帶，以增加吊帶工作的可靠性（見圖13）。

圖13 吊帶結(jié)構(gòu)Fig.13 Sling structure

（2）提高單根吊帶的強度，以應(yīng)對姿態(tài)不穩(wěn)定時單根吊帶承受系統(tǒng)載荷的工況。將4 根減速傘下吊帶理論強度設(shè)計為196 kN。吊帶采用雙根27-5000 芳Ⅲ帶縫制，詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖14。實際靜拉強度可以達(dá)到151.9～156.8 kN。

圖14 減速傘下吊帶詳細(xì)結(jié)構(gòu)Fig.14 Detailed structure of sling under brake parachute

（3）增加吊帶長度至2.2 m，使吊帶與助推器裝配后的收斂角小于45°，以改善吊帶的受力條件，保證吊帶強度。

4 優(yōu)化措施驗證情況

2020 年3 月，采取了優(yōu)化措施的傘分系統(tǒng)安裝在一個助推器中，結(jié)合運載火箭發(fā)射某衛(wèi)星任務(wù)，進行了第二次試飛試驗。試驗中，減速傘工作正常，減速傘下吊帶完好，充分驗證了優(yōu)化措施的有效性。減速傘落地狀態(tài)見圖15。

圖15 第二次試飛中的減速傘Fig.15 Brake parachute in the second flight

5 結(jié) 論

本文以某項目研制過程中，減速傘提前分離故障為切入點，探討了吊帶在非正常位置受力導(dǎo)致的吊帶斷裂問題。并根據(jù)相關(guān)視頻資料及落地現(xiàn)場的檢查情況，以及采集到的測試數(shù)據(jù)，對故障機理進行了全面分析，并結(jié)合減速傘下吊帶靜態(tài)拉伸試驗及動態(tài)沖擊試驗，借鑒國內(nèi)外吊帶系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗，提出了從工作程序、結(jié)構(gòu)及強度3方面采取措施，解決吊帶在非正常位置受力導(dǎo)致的吊帶斷裂問題。

該項目的后續(xù)飛行試驗中減速傘下吊帶完好，充分驗證了解決非正常位置受力導(dǎo)致吊帶斷裂問題的改進措施是有效的。

吊帶非正常位置受力導(dǎo)致的斷裂問題研究既有效地解決了項目研制中的故障問題，又為后續(xù)產(chǎn)品的研制提供新的思路和設(shè)計經(jīng)驗，具有較高的借鑒和參考價值。