典型低溫連接器自動(dòng)脫落對箭沖擊載荷的研究

巴全坤，戴維奇，張振華，劉照智，代春濤

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

隨著推進(jìn)劑向著燃燒效率高、無毒、無污染的方向發(fā)展，低溫推進(jìn)劑正在逐步取代偏二肼-四氧化二氮的傳統(tǒng)推進(jìn)劑組合。以液氫-液氧、液氧-煤油為代表的低溫推進(jìn)劑，已在現(xiàn)役的多個(gè)運(yùn)載火箭型號(hào)中得到應(yīng)用[1]。連接器作為加注與泄回低溫推進(jìn)劑的箭地接口關(guān)鍵設(shè)備，其可靠鎖緊、脫落對運(yùn)載火箭的成功發(fā)射起著至關(guān)重要的作用[2～4]。連接器在脫落時(shí)鎖緊機(jī)構(gòu)解鎖、卡爪張開，分離機(jī)構(gòu)與箭體接觸，驅(qū)動(dòng)連接器與箭體分離，該分離過程會(huì)對箭體產(chǎn)生沖擊載荷，如果沖擊載荷過大，造成箭體損傷或變形，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)推遲或失敗。連接器在長時(shí)間加注時(shí)表面溫度較低，箭壁冷凝水和空氣中的水蒸氣會(huì)在連接器表面處結(jié)霜、冰，導(dǎo)致連接器自動(dòng)脫落時(shí)對箭沖擊載荷發(fā)生變化。本文針對連接器在常溫及結(jié)冰狀態(tài)下的使用工況，開展Amesim 與ADAMS 聯(lián)合仿真分析與試驗(yàn)測試研究，獲得了常溫及結(jié)冰兩種工況下的對箭沖擊載荷，為連接器安全可靠使用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 連接器特性分析

1.1 連接器結(jié)構(gòu)及脫落過程簡介

典型低溫連接器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，連接器采用卡爪式鎖緊結(jié)構(gòu)。低溫狀態(tài)下，連接器鎖緊脫落機(jī)構(gòu)處結(jié)冰嚴(yán)重。連接器鎖緊時(shí)，鎖緊機(jī)構(gòu)扣緊箭上接口法蘭，實(shí)現(xiàn)連接器與箭上接口鎖緊；脫落時(shí)，氣壓驅(qū)動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)解鎖、卡爪張開，分離機(jī)構(gòu)與箭體接觸，驅(qū)動(dòng)連接器與箭體分離。連接器完成解鎖后由對接裝置帶著連接器向遠(yuǎn)離箭體方向運(yùn)動(dòng)，徹底完成與箭體分離，脫落動(dòng)作完成。

圖1 連接器結(jié)構(gòu)組成Fig.1 The Structure of Connector

1.2 連接器脫落運(yùn)動(dòng)阻力分析

連接器脫落運(yùn)動(dòng)由高壓氣體驅(qū)動(dòng)，常溫狀態(tài)下，連接器脫落運(yùn)動(dòng)阻力主要為運(yùn)動(dòng)部位摩擦產(chǎn)生的摩擦阻力；在結(jié)冰狀態(tài)下，除運(yùn)動(dòng)部位摩擦阻力外，脫落運(yùn)動(dòng)阻力還需考慮結(jié)冰阻力。

常溫狀態(tài)下，連接器摩擦阻力主要由氣缸摩擦阻力和導(dǎo)向桿摩擦阻力兩部分組成。氣缸摩擦阻力主要由O 形圈摩擦產(chǎn)生，其計(jì)算公式如下[5]：

式中f為O 形圈與鋼的摩擦系數(shù)；Dm為密封圈安裝槽外徑；bo為O 形圈預(yù)緊接觸寬度；do為O 形圈的斷面直徑；hc為密封槽的深度；Eo為O 形圈橡膠的彈性模數(shù)。

氣缸供氣時(shí)O 形圈受壓會(huì)增加摩擦力，增加的摩擦力計(jì)算公式為：

式中P為供氣壓力；uo為橡膠對金屬摩擦系數(shù)。

導(dǎo)向桿摩擦阻力為

式中μ為導(dǎo)向桿與導(dǎo)向傘摩擦系數(shù)；fa為導(dǎo)向桿與導(dǎo)向傘接觸力。

在結(jié)冰狀態(tài)下，還需考慮連接器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)處結(jié)冰導(dǎo)致的阻力，根據(jù)破冰形式不同，結(jié)冰阻力主要分為擠壓破壞阻力和剪切破壞阻力，其計(jì)算公式如下：

式中Ai，Bi分別為連接器脫落運(yùn)動(dòng)時(shí)冰層被擠壓破壞與剪切破壞的面積；σb，σbc分別為冰的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度。冰屬于各項(xiàng)異性材料，其抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度差比較大，其抗拉強(qiáng)度一般取0.7～1 MPa，抗壓強(qiáng)度一般取2.7～6.9 MPa[6～8]。本文計(jì)算時(shí)，抗拉強(qiáng)度取1 MPa，抗壓強(qiáng)度取3 MPa。連接器常溫和低溫脫落時(shí)的阻力計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 連接器脫落阻力Tab.1 Resistance of the Connector to Fall Off

2 對箭沖擊載荷仿真分析

2.1 AMESim 供氣系統(tǒng)建模與仿真

采用AMESim 對連接器鎖緊、脫落腔放氣及建壓情況進(jìn)行仿真計(jì)算，將連接器簡化為典型氣缸模型。連接器自動(dòng)脫落時(shí)，通過兩位五通電磁閥來進(jìn)行鎖緊供氣和脫落供氣的切換，供氣管路根據(jù)連接器配氣臺(tái)管路布置情況進(jìn)行簡化。結(jié)冰狀態(tài)下的結(jié)冰阻力通過對氣缸活塞桿外加載荷進(jìn)行模擬。連接器鎖緊、脫落氣缸參數(shù)如表 2 所示，連接器脫落腔面積為11407.9 mm2，鎖緊腔面積為5124.7 mm2。供氣系統(tǒng)仿真模型如圖2 所示。

圖2 供氣系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation Model of Air System

表2 連接器氣缸參數(shù)Tab.2 Connector Cylinder Parameters

常溫狀態(tài)及結(jié)冰狀態(tài)下，將導(dǎo)向桿的動(dòng)、靜摩擦力與氣缸的動(dòng)、靜摩擦力進(jìn)行合并，直接在氣缸模型的特性參數(shù)中指定。如圖2 所示，結(jié)冰阻力通過對氣缸活塞桿外加載荷F來改變連接器運(yùn)動(dòng)阻力，其值通過代數(shù)環(huán)來控制，其中函數(shù)f(x,y)為連接器從鎖緊轉(zhuǎn)脫落時(shí)作用在氣缸活塞桿上的脫落力，其表達(dá)式為

式中 參數(shù)x、y分別為連接器鎖緊腔、脫落腔的壓力；參數(shù)θ1、θ2分別為連接器鎖緊腔、脫落腔的截面積；k為結(jié)冰阻力；F為作用在氣缸活塞桿上的外加載荷，供氣仿真模型中代數(shù)環(huán)控制邏輯表達(dá)式如下：

常溫狀態(tài)下，結(jié)冰阻力k=0，將其代入式（6）得F=0，即作用在氣缸上的外力為0。結(jié)冰狀態(tài)下，k=22255 N，將其代入式（6）得如下2 種情況：

a）當(dāng)脫落力f(x,y)＜k時(shí)，作用在氣缸活塞桿上的外力F=k；

b）當(dāng)脫落力f(x,y)＞k時(shí)，作用在氣缸活塞桿上的外力F=0。表示冰層破裂，結(jié)冰阻力消失。

常溫及結(jié)冰狀態(tài)下鎖緊、脫落腔放氣及建壓仿真結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 常溫仿真結(jié)果Fig.3 Simulation Results at Room Temperature

圖4 結(jié)冰仿真結(jié)果Fig.4 Simulation Results of Frozen State

由圖3 可以看出，常溫脫落時(shí)，鎖緊腔壓力逐漸降低，脫落腔壓力逐漸升高，約1.1 s 左右，脫落腔壓力為1.8 MPa，鎖緊腔壓力為3.2 MPa，代入式（5）得脫落力為4143.4 N，大于連接器脫落運(yùn)動(dòng)靜摩擦阻力，此時(shí)連接器開始運(yùn)動(dòng)，靜摩擦力轉(zhuǎn)為動(dòng)摩擦力，鎖緊腔體積變小，脫落腔體積變大，導(dǎo)致鎖緊腔降壓和脫落腔建壓出現(xiàn)短暫波動(dòng)。隨后鎖緊腔壓力繼續(xù)降低，脫落腔壓力繼續(xù)升高，持續(xù)約5 s 左右，鎖緊腔壓力低于1 MPa，脫落腔壓力接近氣源壓力，達(dá)到最終狀態(tài)。

由圖4 可以看出，結(jié)冰脫落過程與常溫脫落過程類似。由于存在結(jié)冰阻力，氣缸開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間延后，約2.1 s 左右，連接器脫落腔壓力升高至3.1 MPa，鎖緊腔壓力降為2.5 MPa，脫落力超過結(jié)冰阻力與靜摩擦力，結(jié)冰阻力消失，連接器開始運(yùn)動(dòng)。由于脫落腔體積快速變大，脫落腔壓力出現(xiàn)短暫快速下降，維持短暫平衡后再次上升；同時(shí)，鎖緊腔體積快速變小，鎖緊腔壓力出現(xiàn)短暫快速上升，然后再次下降。

2.2 ADAMS 多體動(dòng)力學(xué)仿真

為了研究連接器在脫落過程中的對箭沖擊載荷，采用ADAMS 對連接器脫落過程進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真分析。通過Impact 沖擊函數(shù)來計(jì)算對箭沖擊載荷，該函數(shù)主要由碰撞時(shí)產(chǎn)生的彈性力和阻尼力兩部分組成，其表達(dá)式如下[9]：

式中FImpact為碰撞力；q0為兩物體碰撞的觸發(fā)距離；q為碰撞時(shí)兩物體的真實(shí)距離；τ為等效剛度；e為碰撞指數(shù)；Cmax為最大阻尼系數(shù)；d為切入深度，阻力完全起作用的距離；t為時(shí)間；δ為變形量。

根據(jù)Hertz 碰撞接觸理論，等效剛度τ的表達(dá)式如下[10]：

式中R為綜合曲率半徑；E為綜合彈性模量，兩者表達(dá)式如下：

式中R1，R2分別為碰撞處兩碰撞體的曲率半徑；E1，E2分別為兩碰撞物體的彈性模量；μ1，μ2為別為兩碰撞體的泊松比。

連接器鎖緊、脫落過程產(chǎn)生的力直接作用于箭上接口，為簡化模型，采用箭上接口代替箭體進(jìn)行仿真。將連接器與箭上接口裝配好后導(dǎo)入ADAMS 軟件中創(chuàng)建初始狀態(tài)的多體動(dòng)力學(xué)模型。箭上接口施加固定副約束；連接器本體、鎖緊、脫落氣缸施加移動(dòng)副，摩擦系數(shù)為0.1；鎖緊分離機(jī)構(gòu)與銷軸施加旋轉(zhuǎn)副；本體、導(dǎo)向桿、鎖緊分離機(jī)構(gòu)與箭上接口施加接觸副。

在進(jìn)行連接器結(jié)冰脫落仿真時(shí)，假設(shè)連接器鎖緊脫落機(jī)構(gòu)處全部被冰層覆蓋，在脫落初始階段，冰層將約束連接器與箭上接口的相對運(yùn)動(dòng)，當(dāng)分離力大于結(jié)冰阻力后冰層破裂，約束解除。本文通過設(shè)置傳感器模塊來模擬結(jié)冰阻力：當(dāng)分離力小于結(jié)冰阻力時(shí)，鎖緊鉤與箭上接口施加固定約束，限制兩者相對運(yùn)動(dòng)；當(dāng)分離力大于結(jié)冰阻力時(shí)，固定約束解除。

將AMESim 仿真得到的鎖緊腔與脫落腔壓力帶入式（5）得脫落力f(x,y)，并將該作用力施加于連接器頂盤上，計(jì)算得到常溫和結(jié)冰狀態(tài)下連接器脫落分離的對箭沖擊載荷，分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 常溫對箭沖擊載荷Fig.5 Impact Load on the Rocket at Room Temperature

圖6 結(jié)冰對箭沖擊載荷Fig.6 Impact Load on the Rocket in Icing State

由圖5 可以看出，在連接器鎖緊轉(zhuǎn)脫落的初始階段對箭沖擊載荷為0，這是因?yàn)檫B接器鎖緊機(jī)構(gòu)未解鎖完成，分離機(jī)構(gòu)尚未與箭上接口接觸，此時(shí)可將連接器與箭上接口看作一個(gè)整體，連接器對箭載荷屬于內(nèi)力。在1.1 s 左右，脫落力大于鎖緊力與摩擦阻力之和，連接器鎖緊機(jī)構(gòu)開始解鎖，大約1.6 s 后，分離機(jī)構(gòu)與箭上接口接觸產(chǎn)生對箭沖擊載荷，約1.75 s 后對箭沖擊載荷達(dá)到352 N，隨后由于脫落腔壓力短暫下降，鎖緊腔壓力短暫上升，對箭沖擊載荷出現(xiàn)短暫下降。約1.8 s 后對箭沖擊載荷再次增加，在1.9 s 左右對箭沖擊載荷達(dá)到最大值560 N，隨后連接器與箭上分離，對箭沖擊載荷降為0，連接器完成脫落過程。

由圖6 可以看出，結(jié)冰狀態(tài)下，連接器脫落過程前期，脫落力小于鎖緊力、摩擦阻力以及結(jié)冰阻力之和，連接器與箭上接口無相對運(yùn)動(dòng)趨勢，對箭作用力屬于內(nèi)力，對箭沖擊載荷為0。隨著分離力逐漸增加，約2.1 s 左右大于鎖緊力、結(jié)冰阻力以及靜摩擦阻力之和，冰層破裂，連接器開始解鎖，約2.3 s 后連接器對箭上接口產(chǎn)生對箭沖擊載荷，約2.4 s 后對箭沖擊載荷達(dá)到約1143 N，隨后由于脫落腔壓力短暫下降，鎖緊腔壓力短暫上升，對箭沖擊載荷出現(xiàn)短暫下降。在2.5 s 后對箭沖擊載荷再次增加，約3.1 s 對箭沖擊載荷達(dá)到最大值2753 N，隨后連接器與箭上接口分離，對箭沖擊載荷降為0。

3 對箭沖擊載荷試驗(yàn)研究

根據(jù)連接器與箭上接口對接狀態(tài)，搭建對箭沖擊載荷試驗(yàn)臺(tái)，如圖7 所示。左側(cè)支架立柱為模擬箭體，其上安裝測力傳感器，傳感器后安裝轉(zhuǎn)接法蘭，轉(zhuǎn)接法蘭后安裝箭上接口，連接器與箭上接口進(jìn)行對接。轉(zhuǎn)接法蘭、模擬箭上接口、連接器通過細(xì)繩懸掛于支架懸臂上，細(xì)繩中間安裝螺旋扣，通過調(diào)節(jié)螺旋扣使轉(zhuǎn)接法蘭、模擬箭上接口、連接器處于水平狀態(tài)，避免因?yàn)橹亓ζd導(dǎo)致測得的力出現(xiàn)誤差。

圖7 對箭沖擊載荷試驗(yàn)裝置Fig.7 Experimental Device for Measuring the Impact Load

測力傳感器采用壓電傳感器，傳感器在受到外力作用后，傳感器內(nèi)的彈性體產(chǎn)生形變，導(dǎo)致粘粘在彈性體上的應(yīng)變片產(chǎn)生形變而引起電阻變化，使組成的惠斯登電橋失去平衡輸出一個(gè)與外力成線性正比變化的電量信號(hào)，將電量信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化就得到了外力大小。

常溫試驗(yàn)時(shí)，將連接器與箭上接口、轉(zhuǎn)接法蘭等對接，然后給測力傳感器加電，調(diào)節(jié)螺旋扣使連接器、箭上接口等保持水平，使測力傳感器示數(shù)在0 左右小范圍波動(dòng)。試驗(yàn)開始時(shí)，首先給鎖緊腔供氣，然后通過兩位五通電磁閥切換供氣，完成自動(dòng)脫落。

結(jié)冰試驗(yàn)時(shí)，先手動(dòng)鎖緊連接器與箭上接口，然后將連接器放入低溫箱中，控制高低溫箱溫度低于-60 ℃。逐漸向連接器與箭上接口處緩慢注水，待連接器前端與箭上接口完全被冰包覆后停止，整體取出連接器及附帶的冰塊，然后與轉(zhuǎn)接法蘭安裝。安裝調(diào)平及脫落過程與常溫試驗(yàn)相同。

常溫試驗(yàn)與結(jié)冰試驗(yàn)測得的鎖緊腔壓力、脫落腔壓力、對箭沖擊載荷如圖8、圖9 所示。

圖8 常溫試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test Results at Room Temperature

圖9 結(jié)冰試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Test Results at Icing State

常溫脫落時(shí)，電磁閥約在0.8 s 開始通電，鎖緊腔壓力開始降低，脫落腔壓力開始增加。約1.7 s 左右，鎖緊腔壓力降至3.4 MPa 左右，脫落腔壓力升高至1.8 MPa 左右達(dá)到平衡位置，此時(shí)連接器克服自身摩擦力開始運(yùn)動(dòng)，鎖緊機(jī)構(gòu)開始解鎖。約1.9 s 分離機(jī)構(gòu)開始沖擊箭上接口，對箭沖擊載荷逐漸增加，約2.1 s 對箭沖擊載荷為350 N，隨后對箭沖擊載荷減小，約2.4 s對箭沖擊載荷再次增加，約2.9 s 對箭沖擊載荷達(dá)到最大值523 N。約3.0 s，對箭沖擊載荷降至0 左右，連接器與箭上接口分離，脫落動(dòng)作完成。

結(jié)冰脫落時(shí)，電磁閥約在0.8 s 開始通電，鎖緊腔壓力開始降低，脫落腔壓力開始增加。約1.7 s，對箭沖擊載荷開始出現(xiàn)波動(dòng)，此時(shí)冰層開始逐漸破裂，由于冰層未完全破裂，在解鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的過程中冰層會(huì)拉拽箭上接口，導(dǎo)致對箭沖擊載荷出現(xiàn)負(fù)值，即對箭沖擊載荷為遠(yuǎn)離箭體方向。約2.5 s，鎖緊腔壓力降至2.5 MPa 左右，脫落腔壓力升高至3.4 MPa 左右，冰層完全破裂，此時(shí)對箭沖擊載荷最大，約為811 N。隨后氣缸快速運(yùn)動(dòng)，脫落腔體積增大，鎖緊腔體積減小，導(dǎo)致脫落腔壓力出現(xiàn)短暫下降，鎖緊腔壓力出現(xiàn)短暫上升，然后保持平衡一段時(shí)間后再分別上升、下降至平衡位置。約3.5 s，對箭沖擊載荷降至0，連接器與箭上接口分離，脫落動(dòng)作完成。

對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真分析結(jié)果可知，AMESim 仿真結(jié)果和試驗(yàn)獲得的壓力曲線趨勢相符。ADAMS 仿真獲得的常溫對箭沖擊載荷結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。但在結(jié)冰狀態(tài)下，仿真獲得的最大沖擊載荷為2753 N，試驗(yàn)獲得的最大沖擊載荷為811 N，存在一定誤差，分析原因主要為以下3 點(diǎn)：

a）破冰阻力計(jì)算不夠精準(zhǔn)，結(jié)冰溫度、時(shí)間、水質(zhì)等都對冰層強(qiáng)度有很大影響，目前對于冰層破裂的研究也未能給出準(zhǔn)確的定論；脫落過程中冰層受到拉、剪、壓復(fù)合作用以及冰層的結(jié)構(gòu)尺寸影響，本文計(jì)算的破冰阻力和真實(shí)阻力存在一定誤差。

b）在結(jié)冰狀態(tài)下，AMESim 與ADAMS 仿真均設(shè)定當(dāng)脫落力大于破冰阻力與靜摩擦阻力之和后，冰層破裂，結(jié)冰阻力消失，即AMESim 模型中氣缸活塞施加的外力F=0，ADAMS 模型中鎖緊鉤與箭上接口之間的固定約束解除。由于外力或固定約束突然解除，連接器快速啟動(dòng)，加速度較大，分離機(jī)構(gòu)沖擊箭上接口的速度較大，導(dǎo)致仿真獲得的對箭沖擊載荷偏大。但在試驗(yàn)中，冰層破裂是一個(gè)逐漸擴(kuò)展的過程，連接器運(yùn)動(dòng)的加速度較小，分離機(jī)構(gòu)沖擊箭上接口的速度也會(huì)較小，且冰層破裂后一部分碎冰會(huì)粘附在連接器上，起到了一定的緩沖效果，導(dǎo)致對箭沖擊載荷偏小。

c）結(jié)冰脫落試驗(yàn)時(shí)，受限于試驗(yàn)方法、傳感器精度、采集頻率等因素影響，試驗(yàn)獲得的最大沖擊載荷也存在一定誤差。

4 結(jié)束語

本文通過AMESim 與ADAMS 聯(lián)合仿真，獲得了常溫、結(jié)冰2 種狀態(tài)下連接器自動(dòng)脫落時(shí)鎖緊腔和脫落腔的壓力變化以及對箭沖擊載荷，并開展了對箭沖擊載荷驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)論如下：

a）連接器鎖緊腔、脫落腔在常溫及結(jié)冰狀態(tài)下仿真計(jì)算得到的建壓特性與試驗(yàn)結(jié)果可較好吻合；

b）常溫下連接器自動(dòng)脫落對箭沖擊載荷與試驗(yàn)結(jié)果較好的吻合，結(jié)冰狀態(tài)下獲得的對箭沖擊載荷與試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定誤差，受限于冰層的物理參數(shù)及破裂過程無法精確模擬，仿真分析獲得的對箭沖擊載荷偏大，其可作為極限工況下的最大對箭沖擊載荷；

c）通過仿真與試驗(yàn)獲得的對箭沖擊載荷均遠(yuǎn)小于箭體許用載荷，滿足使用要求。