運(yùn)載火箭氣液連接器鎖緊及解鎖方案技術(shù)探討

常 新，張振華，楊澤濤，甄恩發(fā)，王建秋

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

現(xiàn)代運(yùn)載火箭在發(fā)射準(zhǔn)備階段與地面設(shè)備存在大量氣、液管路，某些管路與箭上相連至火箭起飛?，F(xiàn)役火箭設(shè)置大量箭地接口設(shè)備用來箭上增壓和推進(jìn)劑加注，氣液連接器作為運(yùn)載火箭與地面氣液管路間的關(guān)鍵接口設(shè)備，工作可靠性直接影響火箭發(fā)射流程。

目前氣液連接器都設(shè)置有鎖緊機(jī)構(gòu)用來實(shí)現(xiàn)連接器與箭上接口的可靠鎖緊，并且在火箭起飛前或者火箭起飛時實(shí)現(xiàn)連接器脫落[1]。在推進(jìn)劑加注過程中連接器鎖緊可靠可防止推進(jìn)劑發(fā)生泄露，保證了加注過程的安全性。連接器的鎖緊裝置是連接器的核心部件，需要有針對性的研究來確保連接器工作的可靠性。不同鎖緊裝置的力學(xué)環(huán)境和使用范圍不同，現(xiàn)役運(yùn)載火箭很多選用低溫推進(jìn)劑，箭地接口處溫度很低，需研究可在低溫下鎖緊可靠的鎖緊機(jī)構(gòu)[2]。針對目前發(fā)射場無人值守的研究預(yù)期，連接器的鎖緊裝置需可適應(yīng)自動對接和推進(jìn)劑緊急泄出后的二次對接[3]。針對某些加注連接器的特殊性，連接器需要零秒脫落，則需要研究可適應(yīng)零秒脫落的鎖緊機(jī)構(gòu)。

本文對氣液連接器的典型鎖緊方式進(jìn)行調(diào)研和分析，氣液連接的鎖緊裝置可大致分為鉤爪式、球鎖式、拉斷分離式和爆破解鎖式4種類型?？偨Y(jié)每種鎖緊方式的特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，對各自鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，總結(jié)鎖緊力和解鎖力的影響因素，并對各方案就鎖緊脫落可靠性、安全性、低溫適應(yīng)性以及自動對接和零秒脫落適應(yīng)性等方面進(jìn)行對比分析，為后續(xù)新研連接器鎖緊機(jī)構(gòu)提供參考。

1 連接器鎖緊及解鎖方案研究進(jìn)展

1.1 鉤爪式方案

鉤爪式鎖緊機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于運(yùn)載火箭氣液連接器，其運(yùn)動機(jī)構(gòu)簡單有效，可提供較大鎖緊力。且對于低溫連接器，鉤爪分離力大能夠保證較好的破冰能力。大部分鉤爪式鎖緊機(jī)構(gòu)通過氣缸提供運(yùn)動動力，鎖緊脫落氣缸便于標(biāo)準(zhǔn)化與通用化，可用于不同口徑的連接器。本文通過一種典型鉤爪式鎖緊機(jī)構(gòu)來具體闡述其工作原理。CZ-5運(yùn)載火箭設(shè)置了低溫高壓氦氣連接器，用來向火箭貯箱提供氦氣[4]。該連接器采用鉤爪式鎖緊機(jī)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 冷氦連接器結(jié)構(gòu)Fig.1 The Structure of the Connector which Transports Cold Helium

連接本體外側(cè)設(shè)為套筒活塞，其周圍是活動氣缸、拉桿端蓋、鎖緊鉤等組成的運(yùn)動部件，具有使連接器與箭體插座實(shí)施鎖緊與自動脫落的功能。該連接器的鎖緊主要通過活動氣缸作用拉動拉桿，使得鎖緊鉤繞銷軸順時針轉(zhuǎn)動，與鎖緊鉤相連的螺釘壓緊端蓋；解鎖時氣缸推動拉桿，使得鎖緊鉤繞銷軸逆時針轉(zhuǎn)動，螺釘與端蓋分離脫落。

鉤爪式鎖緊結(jié)構(gòu)形式多樣鎖緊可靠，且解鎖方式簡單可靠性高。不同于上述冷氦連接器，還可以將解鎖氣缸單獨(dú)放置在連接器外側(cè)周向布置遠(yuǎn)離低溫本體，在結(jié)構(gòu)布局上避免低溫導(dǎo)致氣缸漏氣。鉤爪式結(jié)構(gòu)在連接器解鎖時容易與箭上活門發(fā)生鉤掛發(fā)生故障，在設(shè)計(jì)時需考慮連接器脫落過程中鎖脫鉤的運(yùn)動包絡(luò)問題。且連接器與箭上接口的密封比壓來自鎖脫鉤的鎖緊力，需嚴(yán)格計(jì)算氣缸的供氣壓力和結(jié)構(gòu)尺寸。

1.2 球鎖式方案

球鎖式鎖緊機(jī)構(gòu)同樣廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外運(yùn)載火箭氣液連接器，其運(yùn)動機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，可提供很大鎖緊力。大部分球鎖式鎖緊機(jī)構(gòu)通過氣缸提供運(yùn)動動力，在實(shí)際應(yīng)用中球鎖有多種結(jié)構(gòu)形式，但鎖緊與解鎖原理相同。部分連接器周向分布多個小球鎖進(jìn)行鎖緊，另一部分連接器通過中央大球鎖鎖緊。本文通過2種典型球鎖式鎖緊機(jī)構(gòu)來具體闡述其工作原理。

美國土星Ⅴ運(yùn)載火箭S-Ⅱ級LH2、LOX加泄自動脫落連接器采用了球鎖鎖緊結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 球鎖結(jié)構(gòu)Fig.2 The Structure of the Ball-lock Mechanism

球鎖對接時，先拔出解脫銷，球鎖機(jī)構(gòu)解鎖（鋼珠處于自由狀態(tài)）。把插座插入與火箭連接的鎖緊環(huán)中，松開解脫銷在彈簧作用下向右移動，迫使鋼珠卡入鎖緊環(huán)的凹槽內(nèi)實(shí)現(xiàn)球鎖鎖緊。氣動解鎖時，從A處通入壓縮氣體，使脫落活塞右移，在活塞桿反作用力下使得解脫銷向左移實(shí)現(xiàn)球鎖解鎖，然后使球鎖機(jī)構(gòu)和連接器一同彈出脫落。若氣動解鎖方式失效，則用機(jī)械方法向左拉動解脫銷，同樣可以實(shí)現(xiàn)球鎖解鎖。通常使用鋼索牽引解鎖銷脫落作為冗余解鎖措施，以提高球鎖解鎖的可靠性。球鎖式鎖緊結(jié)構(gòu)形式多樣鎖緊可靠，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜但適用性廣。球鎖鎖緊機(jī)構(gòu)具有冗余解鎖的特性，通常正常解鎖為氣動解鎖，機(jī)械解鎖為冗余解鎖方式，部分球鎖機(jī)構(gòu)還設(shè)置削弱結(jié)構(gòu)，在前兩種解鎖方式都失效的情況下強(qiáng)制拉斷解鎖。球鎖解鎖機(jī)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜容易發(fā)生卡滯等故障，尤其在低溫環(huán)境下若機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)冰則很容易卡死，其破冰能力較弱。球鎖機(jī)構(gòu)應(yīng)用范圍廣泛，可用于中國未來主推的集成化氣液組合連接器。

1.3 拉斷分離式方案

拉斷分離式連接器無鎖緊機(jī)構(gòu)，在連接器關(guān)鍵受力部位設(shè)置削弱結(jié)構(gòu)。在火箭起飛時會使削弱部位應(yīng)力集中而斷開從而實(shí)現(xiàn)箭上部分與地面部分分離。本文通過一種典型拉斷分離式結(jié)構(gòu)來具體闡述其工作原理。圖3為一種用于加注液體推進(jìn)劑的連接器的結(jié)構(gòu)示意[5]。

圖3 拉斷式連接器結(jié)構(gòu)Fig.3 The Structure of the Pull-separate Connector

連接器本體結(jié)構(gòu)見圖4，火箭點(diǎn)火時，拉拽連接器本體向上運(yùn)動，使連接器本體繞彎矩結(jié)構(gòu)形成破壞彎矩。破壞彎矩的應(yīng)力集中在削弱槽部位導(dǎo)致本體斷裂從而實(shí)現(xiàn)分離。

圖4 連接器本體削弱結(jié)構(gòu)Fig.4 The Structure of the Weakened Part of Connector

拉斷分離式方案結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)，可用于箭體尾端箭地連接設(shè)備，也可作為一種連接器冗余解鎖方式。拉斷分離結(jié)構(gòu)可用于零秒連接器，這種解鎖方式只通過削弱槽部位解鎖，在長時間低溫介質(zhì)傳輸工況下結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生冷脆，如果削弱結(jié)構(gòu)提前斷裂會造成危害。

1.4 爆破分離式方案

爆破解鎖式方案在箭地連接部位設(shè)置爆炸螺栓。在火箭起飛時用火工品點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)爆炸螺栓破裂，從而實(shí)現(xiàn)箭上部分與地面部分分離。本文通過一種典型爆破解鎖式方案來具體闡述其工作原理。

航天飛機(jī)氫排氣起飛脫落系統(tǒng)主要由連接器、冗余解鎖裝置、真空硬直管、零秒支撐機(jī)構(gòu)和回收減速機(jī)構(gòu)組成[6]。氫排氣起飛脫落系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。

圖5 航天飛機(jī)氫排氣起飛脫落系統(tǒng)Fig.5 Space Shuttle Hydrogen Exhaust Off System

正常解鎖回收：飛行器起飛后，通爆炸螺栓點(diǎn)火系統(tǒng)對火工品進(jìn)行點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)爆炸螺栓的破裂，使得連接器總成與火箭接口的分離。其中共設(shè)置兩處爆炸螺栓，一處位于連接器，保證連接器與箭上接口的連接，另一處位于回收裝置的鎖定機(jī)構(gòu)，未爆破前回收裝置鎖定，支撐部分真空硬管重量。點(diǎn)火時兩處爆炸螺栓通過一路點(diǎn)火控制系統(tǒng)同時進(jìn)行點(diǎn)火，同時爆破。

冗余解鎖回收：若爆炸螺栓未能正常點(diǎn)火，則通過冗余解鎖裝置，將爆炸螺栓拉斷，實(shí)現(xiàn)解鎖。冗余解鎖結(jié)構(gòu)由牽引索、配重等組成。航天飛機(jī)向上運(yùn)動時，通過牽引索拉動配重向上運(yùn)動，當(dāng)配重運(yùn)動到T-0鎖結(jié)構(gòu)上設(shè)置的冗余解鎖配重限位點(diǎn)后，停止運(yùn)動，牽引索產(chǎn)生對爆炸螺栓的拉力，最后拉斷爆炸螺栓，實(shí)現(xiàn)連接器總成解鎖。連接器總成設(shè)置有下落減速機(jī)構(gòu)，為一種滑輪組加配重的形式。整個機(jī)構(gòu)設(shè)置了備保脫落，直管的作用除了作為零秒擺桿外，還可以作為二次解鎖機(jī)構(gòu)。相當(dāng)于高空的插拔連接器，直接靠火箭向上的力量將連接器拔出來。

爆破式解鎖方案主要通過火工品對爆炸螺栓點(diǎn)火來實(shí)現(xiàn)，解鎖方式簡單可靠性高。這種解鎖方案對連接器的防爆性能和爆炸螺栓的回收方式有較高要求，并且需精確計(jì)算爆炸螺栓的剪斷力避免出現(xiàn)解鎖失效，且火工品點(diǎn)火裝置的控制裝置需做好防護(hù)。

2 連接器鎖緊及解鎖方案技術(shù)分析

2.1 鉤爪式方案

鉤爪式方案以典型的冷氦連接器為例進(jìn)行力學(xué)分析，鎖緊時以連接器整體為分析對象，受力情況見圖6。連接器氣缸鎖緊腔持續(xù)供氣，供氣壓力通過氣缸的套筒活塞、固定架、螺釘、鎖脫鉤、本體、密封圈等零部件傳遞至箭上接口密封榫面。氣壓力同時通過氣缸筒體、頂盤、銷軸、鎖脫鉤等零部件傳遞至箭上接口法蘭背面。鎖緊狀態(tài)下復(fù)位彈簧處于自由狀態(tài)不施加彈簧力。

圖6 冷氦連接器鎖緊狀態(tài)受力Fig.6 The Force Condition of the Connector which Transports Cold Helium

鎖緊腔的鎖緊力為

式中P鎖工為鎖緊工作壓力。

鎖緊腔的面積為

式中1D，D2分別為鎖緊腔外徑與內(nèi)徑。鉤爪式鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖緊力與鎖緊工作壓力和鎖緊腔面積相關(guān)，在設(shè)計(jì)時需校核鎖緊鉤等關(guān)鍵受力零件的強(qiáng)度。

2.2 球鎖式方案

球鎖式鎖緊機(jī)構(gòu)通過鋼球與球頭環(huán)形槽配合實(shí)現(xiàn)鎖緊，在球鎖鎖緊狀態(tài)時，球鎖機(jī)構(gòu)受力較復(fù)雜。球鎖機(jī)構(gòu)鎖緊狀態(tài)下的力學(xué)模型見圖7，以鋼球?yàn)榉治鰧ο筮M(jìn)行力學(xué)分析并求出球鎖機(jī)構(gòu)的力平衡方程。

圖7 球鎖機(jī)構(gòu)鎖緊狀態(tài)受力Fig.7 The Force Condition of the Ball-lock Mechanism

式中F為鋼球受力合力；a為3F與球鎖軸向夾角；n為鋼球數(shù)量。球鎖機(jī)構(gòu)的受力較為復(fù)雜，與球鎖的結(jié)構(gòu)（鋼球個數(shù)、鋼球孔夾角）和箭地分離載荷有關(guān)。在設(shè)計(jì)球鎖機(jī)構(gòu)時要考慮球鎖的承載能力、鎖緊力和球鎖各零件的強(qiáng)度。

2.3 拉斷分離式方案

拉斷分離式結(jié)構(gòu)主要通過在箭地連接部位設(shè)置削弱結(jié)構(gòu)，在火箭起飛會使削弱部位應(yīng)力集中而斷開從而實(shí)現(xiàn)箭上部分與地面部分分離。

削弱槽實(shí)際拉斷力與分離結(jié)構(gòu)的材料、削弱槽尺寸相關(guān)，分離結(jié)構(gòu)的材料決定了其抗拉強(qiáng)度bσ，削弱槽尺寸決定了結(jié)構(gòu)的實(shí)際拉斷力F。在設(shè)計(jì)削弱結(jié)構(gòu)時，需根據(jù)設(shè)計(jì)拉斷力大小進(jìn)行選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，若削弱槽實(shí)際橫截面積為S，需滿足：F/S≥bσ。在設(shè)計(jì)過程中選定材料后需先進(jìn)行試件生產(chǎn)并做拉斷試驗(yàn)來確定該批次材料的實(shí)際抗拉強(qiáng)度，然后再用同一批次材料、相同的熱處理方法來生產(chǎn)削弱結(jié)構(gòu)，并且削弱結(jié)構(gòu)需進(jìn)行拉斷試驗(yàn)與拉斷力設(shè)計(jì)值進(jìn)行對比，不斷優(yōu)化削弱槽尺寸來達(dá)到設(shè)計(jì)要求[7]。

2.4 爆破分離式方案

爆破式解鎖方案為箭地部分通過爆炸螺栓進(jìn)行連接，爆炸螺栓結(jié)構(gòu)見圖8，內(nèi)部裝有炸藥和點(diǎn)火器。當(dāng)火箭點(diǎn)火時，點(diǎn)火器引燃炸藥使剪切鎖被剪斷。

圖8 爆炸螺栓結(jié)構(gòu)Fig.8 The Structure of the Explosive Bolt

爆炸螺栓的材料決定了其抗剪強(qiáng)度τ，爆炸螺栓剪切鎖厚度d決定了結(jié)構(gòu)的實(shí)際剪斷力F。在設(shè)計(jì)爆炸螺栓結(jié)構(gòu)時，需根據(jù)設(shè)計(jì)剪斷力大小進(jìn)行選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需滿足：F/d≥τ。實(shí)際剪斷力需通過控制火工品的爆炸產(chǎn)生的推力，需經(jīng)過多輪試驗(yàn)迭代確定火工品爆破方式和爆炸螺栓的結(jié)構(gòu)。

2.5 方案對比分析

通過對4種典型鎖緊及解鎖方案的典型案例分析和技術(shù)分析，明確了4種方案的工作原理和應(yīng)用場合。對比分析4種方案的特點(diǎn)和應(yīng)用場合，整理見表1。

表1 連接器鎖緊及解鎖方案對比Tab.1 Comparison of Connector Locking Schemes

鉤爪式方案在火箭發(fā)射過程中存在脫落時與箭上接口鉤掛的故障模式，但其在鎖緊時工作可靠，安全性較高。鉤爪式鎖緊方案已應(yīng)用于低溫連接器，如冷氦連接器、液氧加泄連接器等。鉤爪式連接器可用于自動對接，在鎖緊鉤打開時通過連接器的導(dǎo)向桿進(jìn)行定位定向。鉤爪式鎖緊機(jī)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)形式不可用于零秒脫落。

球鎖式方案在機(jī)構(gòu)運(yùn)動時容易出現(xiàn)卡滯的故障，在球鎖設(shè)計(jì)時需考慮冗余解鎖方案。球鎖結(jié)構(gòu)鎖緊時通過周向均勻分布的鋼球可提供穩(wěn)定的鎖緊力，鎖緊可靠。球鎖式鎖緊方案已應(yīng)用于低溫連接器，如芯一級液氫加泄連接器、氫緊急排氣連接器等。球鎖式結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于自動對接，球鎖自對中能力強(qiáng)。球鎖式結(jié)構(gòu)可用于零秒脫落，在火箭起飛時擺桿拉動球鎖外套實(shí)現(xiàn)解鎖。

拉斷分離式方案在低溫下容易發(fā)生冷脆斷裂，適用于尾端連接器。由于該方案無鎖緊機(jī)構(gòu)，則無法進(jìn)行自動對接。拉斷分離式結(jié)構(gòu)可用于零秒脫落，在火箭起飛時使削弱部位應(yīng)力集中而斷開從而實(shí)現(xiàn)箭上部分與地面部分分離。

爆破解鎖式方案通過爆炸螺栓破裂實(shí)現(xiàn)箭上部分與地面部分分離，由于爆炸螺栓存在解鎖單點(diǎn)故障，所以在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時需考慮冗余分離措施。目前該方案只在國外連接器系統(tǒng)應(yīng)用，中國還在研究階段，需通過大量試驗(yàn)來驗(yàn)證該方案的可靠性。

2.6 長征五號運(yùn)載火箭連接器鎖緊方式分析

長征五號運(yùn)載火箭（以下簡稱CZ-5）所涉及的連接器口徑較大，可進(jìn)行大流量加注，在加注過程中要求鎖緊可靠。通過分析總結(jié)，CZ-5運(yùn)載火箭連接器的鎖緊方式主要為鉤爪式和球鎖式。其中液氧加泄連接器、冷氦連接器為鉤爪式鎖緊方案，氣管連接器、液氫加泄連接器、煤油加泄連接器和氫緊急排氣連接器為球鎖式鎖緊方案。由此可看出中國現(xiàn)役連接器以這兩2種鎖緊方式為主，并且具有了鎖緊與脫落分離可靠、可低溫加注等優(yōu)點(diǎn)。分析歸納CZ-5運(yùn)載火箭連接器鎖緊方式的特點(diǎn)有：a）鉤爪式和球鎖式鎖緊方案都可用于低溫加注，且加注過程安全可靠；b）球鎖式鎖緊方案可用于零秒脫落，球鎖式鎖緊機(jī)構(gòu)可用于主動解鎖也可用于被動強(qiáng)制解鎖；c）鉤爪式鎖緊方式用于側(cè)壁連接器，球鎖式鎖緊方式既可用于側(cè)壁連接器，也可用于尾段插拔式連接器；d）球鎖式鎖緊機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)冗余解鎖，提高解鎖可靠性。

通過總結(jié)分析CZ-5運(yùn)載火箭連接器的鎖緊方案，可直觀有效地歸納出中國現(xiàn)役運(yùn)載火箭連接器鎖緊機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)。對比分析不同鎖緊方式的特點(diǎn)和優(yōu)劣，有利于更深入地剖析不同鎖緊方式的適用工況和使用邊界。

3 結(jié) 論

本文對運(yùn)載火箭氣液連接器的鎖緊及解鎖方案進(jìn)行調(diào)研分析，總結(jié)出4類鎖緊及解鎖方案，并通過具體連接器應(yīng)用來分析每種方案的特點(diǎn)。針對4種類型的鎖緊方案進(jìn)行技術(shù)分析，對各自鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，總結(jié)鎖緊力和解鎖力的影響因素，并從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)來分析每種方案需考慮的因素。

通過4種鎖緊及解鎖方案的原理技術(shù)分析，對比各自方案的特點(diǎn)和應(yīng)用場合，對各方案就鎖緊脫落可靠性、安全性、低溫適應(yīng)性以及自動對接和零秒脫落適應(yīng)性等方面進(jìn)行對比分析，并總結(jié)CZ-5運(yùn)載火箭典型連接器鎖緊方案及其特點(diǎn)。

通過總結(jié)現(xiàn)役連接器鎖緊及解鎖方案的特點(diǎn)和技術(shù)原理，為后續(xù)新研連接器鎖緊及解鎖機(jī)構(gòu)提供參考。