新一代中型運(yùn)載火箭級(jí)間段配平技術(shù)

劉 洋，徐 寅，張粵萌，樊 宇，田超群

(天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462)

0 引言

我國(guó)新一代中型運(yùn)載火箭各級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)均使用液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，級(jí)間分離采用冷分離方式。為保證分離的安全性，新一代中型運(yùn)載火箭的級(jí)間分離采用二次分離形式，此為我國(guó)運(yùn)載火箭級(jí)間分離首次采用。為順利實(shí)現(xiàn)兩次分離，級(jí)間段分為前級(jí)間段和后級(jí)間段兩部分。在箭體飛行過程中，首先是前、后級(jí)間段分離(第一級(jí)間分離面)，一級(jí)箭體與二級(jí)箭體完成分離；然后是前級(jí)間段與煤油箱分離(第二級(jí)間分離面)，前級(jí)間段被二級(jí)箭體拋離。

分離系統(tǒng)按其功能主要由三部分組成，即連接解鎖裝置、分離沖擊裝置和火工品引爆裝置。級(jí)間段兩個(gè)分離面之間的分離解鎖結(jié)構(gòu)均為爆炸螺栓，沿前級(jí)間段周向均勻分布有四根分離彈簧提供第二次級(jí)間分離的分離沖擊，在第二級(jí)間分離面爆炸螺栓起爆解鎖后，前級(jí)間段必須順利離開二級(jí)箭體，避免前級(jí)間段與發(fā)動(dòng)機(jī)之間發(fā)生碰撞，才能不影響二級(jí)箭體的點(diǎn)火和繼續(xù)飛行。為了保證分離的成功，除要求級(jí)間分離彈簧提供的分離力差值處在正常范圍內(nèi)、各分離插頭及分離插管的分離力沿箭體軸向分布均勻外，前級(jí)間段的橫向質(zhì)心偏差對(duì)級(jí)間分離的影響也至關(guān)重要。本文基于工程實(shí)際提供了一種便捷、有效的級(jí)間段配平方法，首先測(cè)試級(jí)間段的橫向質(zhì)心，再進(jìn)行配平直至達(dá)到要求，然后將配平的結(jié)果再次檢查，若仍能滿足要求，則認(rèn)為前級(jí)間段的橫向質(zhì)心在要求的范圍內(nèi)，允許用于后續(xù)的飛行試驗(yàn)。

1 前級(jí)間段結(jié)構(gòu)和配平結(jié)果要求

前級(jí)間段采用外翻框結(jié)構(gòu)，前端框與二級(jí)煤油箱后短殼通過爆炸螺栓連接，后端框與后級(jí)間段通過爆炸螺栓連接。為保證總裝過程中的產(chǎn)品定位，各工藝分離面均存在定位銷孔，用于總裝過程中定位銷的安裝。前級(jí)間段理論直徑為3 350 mm，軸向尺寸為2 730 mm，分離時(shí)的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約為750 kg。為保證分離的可靠性，前級(jí)間段的橫向質(zhì)心必須控制在殼體軸線Φ10 mm的范圍內(nèi)。

2 質(zhì)心配平的實(shí)現(xiàn)

2.1 坐標(biāo)系建立

定義前級(jí)間段質(zhì)心測(cè)量的參考坐標(biāo)系：X軸為箭體縱軸方向；Y軸位于I～I(xiàn)II象限組成的平面內(nèi)，指向III象限為正；Z軸位于II～I(xiàn)V象限組成的平面內(nèi)，指向IV象限為正。前級(jí)間段坐標(biāo)系定義示意圖如圖1所示。

圖1 前級(jí)間段坐標(biāo)定義示意圖

橫向質(zhì)心配平要求橫向質(zhì)心允許分布在箭體理論軸線Φ10 mm的范圍內(nèi)，即橫向質(zhì)心坐標(biāo)(y，z)距離理論軸心的距離滿足式(1):

(1)

2.2 橫向質(zhì)心配平設(shè)備結(jié)構(gòu)

針對(duì)配平要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖2所示的前級(jí)間段橫向質(zhì)心測(cè)試設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱“工裝”)，用于測(cè)試前級(jí)間段的質(zhì)量及橫向質(zhì)心位置。前級(jí)間段支撐結(jié)構(gòu)用于承載前級(jí)間段，并將前級(jí)間段的質(zhì)量分布傳遞給均布在支撐結(jié)構(gòu)圓周上的三處質(zhì)量傳感器。質(zhì)量傳感器的安裝示意圖如圖3所示，各點(diǎn)的質(zhì)量數(shù)據(jù)回傳給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，最終得到前級(jí)間段橫向質(zhì)心的位置坐標(biāo)。為保證測(cè)量結(jié)果的精確性，支撐結(jié)構(gòu)通過定位銷與前級(jí)間段實(shí)現(xiàn)連接。

圖2 橫向質(zhì)心測(cè)試設(shè)備

圖3 傳感器的安裝示意圖

傳感器與工裝固連，為使橫向質(zhì)心坐標(biāo)與箭體結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)方向一致，傳感器的位置坐標(biāo)應(yīng)與箭體的坐標(biāo)系一致，工裝與前級(jí)間段之間的固定連接通過定位銷的孔位來保證。經(jīng)過精確測(cè)量，得到三個(gè)傳感器在箭體坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，如表1所示，傳感器測(cè)量的位置坐標(biāo)示意圖如圖4所示。

表1 傳感器在箭體坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)

圖4 傳感器測(cè)量的位置坐標(biāo)示意圖

2.3 橫向質(zhì)心測(cè)試

首先對(duì)配平設(shè)備進(jìn)行調(diào)平和標(biāo)定，確認(rèn)結(jié)果無誤并記錄支撐結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量數(shù)據(jù)后將前級(jí)間段吊裝到稱重裝置上并實(shí)現(xiàn)可靠連接，如圖5所示。

圖5 前級(jí)間段配平過程實(shí)景圖

若此時(shí)傳感器1、傳感器2、傳感器3得到的質(zhì)量值為m1、m2、m3，則前級(jí)間段的橫向質(zhì)心坐標(biāo)為：

(2)

前級(jí)間段的橫向質(zhì)心距離理論軸心的距離為：

(3)

2.4 橫向質(zhì)心配平

根據(jù)設(shè)備測(cè)量的結(jié)果，通過在給出的配重安裝孔上安裝配重塊來調(diào)節(jié)級(jí)間段整體的橫向質(zhì)心，直至滿足要求。若產(chǎn)品的質(zhì)量為M，其實(shí)測(cè)質(zhì)心距理論軸心的距離為s，則配重塊的質(zhì)量為：

(4)

其中:R為配平裝置安裝位置到理論軸線之間的距離。

配重塊安裝的位置選擇與配重前質(zhì)心相對(duì)的位置處。在前級(jí)間段內(nèi)部沿周向均布8處配重塊安裝接口，實(shí)際配平過程中無法達(dá)到完全相對(duì)，只能選擇與之相近的合適位置安裝配重塊，配重塊按0.5 kg遞增，直至橫向質(zhì)心滿足要求為止。前級(jí)間段的橫向質(zhì)心配平流程見圖6。

圖6 前級(jí)間段配平流程

2.5 結(jié)果復(fù)驗(yàn)

為保證配平的正確性，在配平完成后，將前級(jí)間段沿箭體軸線方向旋轉(zhuǎn)一定角度，若實(shí)測(cè)的橫向質(zhì)心依然在要求的范圍內(nèi)且坐標(biāo)位置接近，則可進(jìn)一步驗(yàn)證配平結(jié)果的有效性。由于箭體坐標(biāo)系依然與前級(jí)間段維持狀態(tài)相同，固連在工裝上的三個(gè)傳感器在箭體上的位置則發(fā)生了變化。本工裝選擇將前級(jí)間段沿箭體軸向旋轉(zhuǎn)150°的方法重新安裝定位銷，得到復(fù)查坐標(biāo)系中各傳感器的位置坐標(biāo)，如表2所示，坐標(biāo)系中傳感器的坐標(biāo)位置示意圖如圖7所示。

圖7 復(fù)查坐標(biāo)系中傳感器的坐標(biāo)位置示意圖

表2 坐標(biāo)系中各傳感器的位置坐標(biāo)

在實(shí)際總裝過程中，實(shí)測(cè)的級(jí)間段配平前后橫向質(zhì)心的相關(guān)位置如表3所示。在誤差允許的范圍內(nèi)，所得結(jié)果趨向于一致，且配平后的結(jié)果和檢查結(jié)果顯

表3 前級(jí)間段實(shí)際配平數(shù)據(jù)

示的質(zhì)心偏移方向相同，配平結(jié)果滿足要求。

3 結(jié)語

針對(duì)我國(guó)新一代中型運(yùn)載火箭的飛行需求，我們提出了其級(jí)間段配平的一種具體的操作方法，并設(shè)計(jì)了一款用于級(jí)間配平的工裝設(shè)備。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，對(duì)我國(guó)新一代中型運(yùn)載火箭的橫向質(zhì)心進(jìn)行了配平，使其橫向質(zhì)心達(dá)到飛行要求，保證了前級(jí)間段的順利拋離，為飛行中級(jí)間分離的圓滿完成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并且隨著我國(guó)新一代中型運(yùn)載火箭的首飛成功，本配平方法也得到了充分的驗(yàn)證。