運(yùn)載火箭非火工分離機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展與展望

王國(guó)輝，張宏劍，吳會(huì)強(qiáng)

(1. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引 言

航天運(yùn)輸系統(tǒng)是人類開(kāi)展航天系列活動(dòng)的重要前提和基礎(chǔ),是實(shí)現(xiàn)航天器發(fā)射和維護(hù)的重要保障,是進(jìn)行開(kāi)發(fā)和利用空間的重要載體,是人類社會(huì)進(jìn)步的重要推動(dòng)力量。航天運(yùn)輸系統(tǒng)技術(shù)水平直接代表著國(guó)家實(shí)現(xiàn)自主進(jìn)出太空的能力[1]。運(yùn)載火箭是航天運(yùn)輸系統(tǒng)中的主要組成部分,經(jīng)過(guò)60多年的不斷發(fā)展,特別是隨著以長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征七號(hào)、長(zhǎng)征八號(hào)為代表的新一代運(yùn)載火箭陸續(xù)服役,中國(guó)運(yùn)載火箭已形成了較為完備的產(chǎn)品系列,為中國(guó)載人航天、月球探測(cè)、火星探測(cè)與空間站建設(shè)等重大工程實(shí)施開(kāi)展提供了有力支撐[2]。以運(yùn)載火箭為代表的航天運(yùn)輸系統(tǒng),是建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)的基礎(chǔ),是落實(shí)國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略,是實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”發(fā)展目標(biāo)的重大科技創(chuàng)新,對(duì)促進(jìn)中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、構(gòu)建中國(guó)現(xiàn)代軍事力量體系、捍衛(wèi)中國(guó)太空安全和國(guó)防安全具有重大意義[3]。中國(guó)運(yùn)載火箭未來(lái)以重復(fù)使用、重型運(yùn)載、載人登月與商業(yè)發(fā)射為主要發(fā)展方向[4]。運(yùn)載火箭除實(shí)現(xiàn)運(yùn)載功能外,還需實(shí)現(xiàn)可靠分離、重復(fù)使用、落區(qū)控制、商業(yè)發(fā)射、多星部署等多項(xiàng)新功能,以有效支撐大規(guī)模星座計(jì)劃、載人月球探測(cè)、載人火星探測(cè)以及地月空間經(jīng)濟(jì)圈等任務(wù)[5]。

機(jī)構(gòu)技術(shù)是運(yùn)載火箭多功能化發(fā)展的重要支撐技術(shù)。運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)技術(shù)相較于常規(guī)機(jī)構(gòu)在高可靠、高輕質(zhì)、高適應(yīng)、高效率等方面面臨更大的挑戰(zhàn)。以往運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)多用于實(shí)現(xiàn)火箭推力矢量控制、火工驅(qū)動(dòng)星箭分離、載人逃逸整流罩分離、載人飛船罩內(nèi)上下輔助支撐等功能實(shí)現(xiàn)[6]。隨著運(yùn)載火箭復(fù)用化、商業(yè)化與智能化發(fā)展,機(jī)構(gòu)能源形式更加多樣化、機(jī)構(gòu)產(chǎn)品比例不斷提升、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)、控制設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析耦合性也不斷加強(qiáng)[7-11]。分離機(jī)構(gòu)作為運(yùn)載火箭使用最為廣泛、可靠性要求最高的產(chǎn)品,其技術(shù)發(fā)展直接影響運(yùn)載火箭整體技術(shù)水平。運(yùn)載火箭從單級(jí)到多級(jí)、從串聯(lián)到并聯(lián)、從一箭一星到一箭多星的發(fā)展過(guò)程,都伴隨著相關(guān)分離技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。本文從技術(shù)發(fā)展、技術(shù)特點(diǎn)、連接形式、驅(qū)動(dòng)能源四個(gè)方面對(duì)運(yùn)載火箭非火工分離機(jī)構(gòu)發(fā)展進(jìn)行綜述,對(duì)運(yùn)載火箭非火工分離機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望,旨在為運(yùn)載火箭非火工分離機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

1 運(yùn)載火箭分離技術(shù)發(fā)展研究

如圖1所示,以長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭為例,在飛行過(guò)程中需完成包括助推分離、級(jí)間分離、整流罩分離與有效載荷分離等分離動(dòng)作,較以往運(yùn)載火箭具有分離體尺寸大、助推器推力高、級(jí)間分離行程長(zhǎng)、整流罩剛度低等新特點(diǎn),系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度高,技術(shù)跨越大。分離系統(tǒng)直接決定運(yùn)載火箭的綜合可靠性和飛行安全性,是長(zhǎng)征五號(hào)火箭研制的核心關(guān)鍵技術(shù)[12]。

表1對(duì)國(guó)內(nèi)外典型運(yùn)載火箭助推分離、整流罩分離、級(jí)間分離與有效載荷分離方案進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。以往一次性使用運(yùn)載火箭多采用爆炸螺栓、低沖分離裝置、膨脹管等基于火工能源驅(qū)動(dòng)的分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)部位分離,分離能源除分離彈簧外,多采用分離火箭提供分離推力的技術(shù)方案?；鸸つ茉打?qū)動(dòng)的分離裝置具有承載能力大、作動(dòng)迅速、分離可靠與環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)應(yīng)其多采用火工能源破壞結(jié)構(gòu)形式的技術(shù)途徑,直接導(dǎo)致分離沖擊大、安全性差、污染嚴(yán)重、不可檢、不可測(cè)、不可重復(fù)使用等缺陷。隨著有效載荷和箭上精密儀器對(duì)運(yùn)載火箭環(huán)境要求的不斷提高,研究人員也在火工分離裝置高安全、高可靠與低沖擊等方面開(kāi)展相關(guān)工作。通過(guò)爆炸箔與激光等新式起爆炸點(diǎn)火技術(shù)提升藥劑使用安全性。采用雙分離面、雙元膨脹管、冗余導(dǎo)爆索或冗余爆炸螺栓提升分離整體可靠性。采用顆粒阻尼減振、點(diǎn)陣材料吸能、螺旋緩釋預(yù)緊與隔沖擊結(jié)構(gòu)等技術(shù)抑制分離沖擊,并通過(guò)傳爆及內(nèi)彈道精細(xì)分析技術(shù)開(kāi)展火工分離裝置精確分析[13]。

表1 國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭分離方案Table 1 Schemes of domestic and foreign launch vehicle separation

火工分離裝置成功使用幾十年,參與數(shù)百發(fā)運(yùn)載火箭飛行任務(wù),相關(guān)產(chǎn)品成熟度和可靠性較高,但由于產(chǎn)品采取一次性火工能源驅(qū)動(dòng)形式,產(chǎn)品具有不可檢與不可測(cè)的特性?；鸸し蛛x裝置為實(shí)現(xiàn)降低分離沖擊,從傳統(tǒng)爆炸螺栓類結(jié)構(gòu)破壞式發(fā)展為低沖分離螺母火工驅(qū)動(dòng)內(nèi)部裝置作動(dòng)式。雖然實(shí)現(xiàn)了分離沖擊的降低,但火工驅(qū)動(dòng)能源散差偏大易造成火工分離裝置內(nèi)部作動(dòng)偏差大,產(chǎn)品性能一致性難以保證?；鸸ぱb置散差大與控制難度高的難點(diǎn),也難以通過(guò)精確仿真分析技術(shù)和精細(xì)裝置機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)予以克服?；鸸し蛛x裝置的火工能源易造成環(huán)境污染,產(chǎn)品應(yīng)用中還需涉及相關(guān)防護(hù)結(jié)構(gòu),進(jìn)一步增加了分離系統(tǒng)的整體重量?；鸸て返氖褂?、測(cè)試與維護(hù)也對(duì)運(yùn)載火箭總裝總測(cè)提出了更多要求,對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)人員與靶場(chǎng)操作人員的安全性控制也提出了更高要求。火工分離裝置一次性使用也導(dǎo)致產(chǎn)品研制、系統(tǒng)試驗(yàn)中相關(guān)產(chǎn)品的大量采購(gòu),一方面難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品測(cè)試覆蓋有效性,另一方面也進(jìn)一步提升了型號(hào)研制成本。

隨著航天商業(yè)化發(fā)展,大型互聯(lián)網(wǎng)星座等建設(shè)需求,有效載荷多樣化、密集化發(fā)射需求日益突出。如圖2所示,美國(guó)SpaceX公司已完成一箭143顆衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。高密度、多樣式、組合化發(fā)射任務(wù)不僅分離動(dòng)作更為密集,每個(gè)分離部位的可靠性與可檢測(cè)性要求也進(jìn)一步增加。基于火工能源驅(qū)動(dòng)的火工分離裝置已難以滿足此類發(fā)射任務(wù)的需要。過(guò)多火工裝置的密集排布,會(huì)對(duì)分離沖擊環(huán)境以及整體凈環(huán)境控制設(shè)計(jì)造成了更大的困難。

圖2 獵鷹9號(hào)B1058.5一箭143顆衛(wèi)星[6]Fig.2 143 satellites on a Falcon 9 (B1058.5)[6]

在運(yùn)載火箭多級(jí)發(fā)射、有效載荷多樣式發(fā)射技術(shù)發(fā)展同時(shí),運(yùn)載火箭復(fù)用化、運(yùn)輸航班化也對(duì)分離機(jī)構(gòu)提出了更多研制需求。如圖3所示,運(yùn)載火箭在完成常規(guī)分離動(dòng)作外,還需完成柵格舵等氣動(dòng)控制部件連接分離、著陸機(jī)構(gòu)或掛索機(jī)構(gòu)等緩沖部件連接分離、降落傘或整流罩變剛度支撐機(jī)構(gòu)連接釋放分離等面向運(yùn)載火箭返回所需的相關(guān)分離動(dòng)作。運(yùn)載火箭返回采用降落傘氣動(dòng)減速方案也需研制降落傘開(kāi)傘相關(guān)分離動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。掛索類返回緩沖方案也需研制相關(guān)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)掛索飛行中可靠鎖定與返回時(shí)準(zhǔn)備解鎖等分離動(dòng)作。隨著運(yùn)載火箭復(fù)用化與多功能化進(jìn)一步發(fā)展,以星艦整流罩解鎖打開(kāi)后還需關(guān)閉鎖定為代表的連—分—合多功能一體化分離機(jī)構(gòu)也將成為未來(lái)運(yùn)載火箭重要支撐技術(shù)。

圖3 運(yùn)載火箭垂直返回過(guò)程?hào)鸥穸媾c著陸機(jī)構(gòu)展開(kāi)示意圖[5]Fig.3 Deployment diagram of grid fin and landing mechanism during vertical return of the launch vehicle[5]

綜上所述,面對(duì)運(yùn)載火箭復(fù)用化、多功能化等發(fā)展趨勢(shì),適應(yīng)運(yùn)載火箭需求的非火工分離機(jī)構(gòu)是保證運(yùn)載發(fā)射、深空探測(cè)、落區(qū)控制、返回復(fù)用等運(yùn)載火箭任務(wù)的重要支撐技術(shù),也是進(jìn)一步提升運(yùn)載火箭分離動(dòng)作可靠性、安全性與測(cè)試性的必要技術(shù)手段。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭分離裝置研制進(jìn)展進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,本文對(duì)運(yùn)載火箭非火工分離機(jī)構(gòu)技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述有助于研究人員了解非火工分離機(jī)構(gòu)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài),熟悉研究基礎(chǔ),提升研制效率,為相關(guān)研究人員系統(tǒng)性開(kāi)展運(yùn)載火箭非火工分離機(jī)構(gòu)技術(shù)研究提供參考意見(jiàn)。

2 運(yùn)載火箭非火工分離機(jī)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)分析

航天分離機(jī)構(gòu)技術(shù)在衛(wèi)星帆板、空間機(jī)械臂、空間交互對(duì)接、月球登陸及采用、火星登陸等領(lǐng)域已進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證,有力支撐了相關(guān)重大工程的順利實(shí)施,取得了一個(gè)又一個(gè)重大成就。岳洪浩等[14]對(duì)航天器非火工分離機(jī)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)綜述,提出面向航天器動(dòng)作執(zhí)行高精度、分離低沖擊、分離低成本、連分可重復(fù)等需求,航天器分離裝置也需提速推進(jìn)由火工向非火工技術(shù)發(fā)展。近幾年面向中國(guó)空間站、探月與探火等重大工程,航天器非火工分離機(jī)構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展,大量產(chǎn)品有力支撐了相關(guān)重大工程建設(shè)。中國(guó)在長(zhǎng)征二號(hào)F載人運(yùn)載狀態(tài)中,在整流罩多點(diǎn)連接分離方案中就采取了鎖鉤式分離機(jī)構(gòu),大幅提高了整流罩分離動(dòng)作可靠性[15-16]。運(yùn)載火箭分離機(jī)構(gòu)技術(shù)雖在長(zhǎng)征二號(hào)F逃逸機(jī)構(gòu)、多款火箭星箭分離得以應(yīng)用,但相對(duì)國(guó)外先進(jìn)運(yùn)載火箭、中國(guó)運(yùn)載火箭非火工分離機(jī)構(gòu)發(fā)展相對(duì)較晚。如表1所示,以SpaceX公司獵鷹9、獵鷹重型、超重星艦等為代表的新式運(yùn)載火箭已實(shí)現(xiàn)箭體非火工分離機(jī)構(gòu)全覆蓋[6,17]。運(yùn)載火箭非火工分離機(jī)構(gòu)技術(shù)相較于航天器非火工分離機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展起步較晚。運(yùn)載火箭非火工分離機(jī)構(gòu)產(chǎn)品相對(duì)其他機(jī)構(gòu)產(chǎn)品具有以下特點(diǎn):

1)可靠性要求高:運(yùn)載火箭分離機(jī)構(gòu)可靠性直接影響運(yùn)載火箭飛行過(guò)程中分離動(dòng)作的可靠執(zhí)行,是直接影響運(yùn)載火箭飛行成敗或關(guān)鍵任務(wù)執(zhí)行的重要因素。尤其針對(duì)載人運(yùn)載火箭,其飛行可靠度指標(biāo)需不小于0.97[18]。冗余設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)等可靠性設(shè)計(jì)、可靠性分析與試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用都直接影響產(chǎn)品整體可靠性。分離機(jī)構(gòu)工作過(guò)程機(jī)理復(fù)雜、系統(tǒng)有效預(yù)示和多參數(shù)系統(tǒng)控制難度大,產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)精確分析與試驗(yàn)系統(tǒng)性要求高。

2)輕質(zhì)化要求高:機(jī)構(gòu)產(chǎn)品不僅需高效率實(shí)現(xiàn)功能動(dòng)作執(zhí)行,還需極限減少自身重量。產(chǎn)品自身重量的有效控制,一方面可以降低對(duì)驅(qū)動(dòng)功率的需求,降低電機(jī)、電池等產(chǎn)品對(duì)應(yīng)重量;另一方面可以降低機(jī)構(gòu)的自身運(yùn)動(dòng)慣性,降低對(duì)控制等其它系統(tǒng)的要求。結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)系數(shù)提升是火箭運(yùn)載效率提升的直接手段[19]。尤其對(duì)于火箭末級(jí)的分離機(jī)構(gòu),其重量以及對(duì)能源的需求對(duì)運(yùn)載火箭發(fā)射能力與效率影響顯著。相對(duì)運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)僅需強(qiáng)度與剛度等要求,機(jī)構(gòu)還需兼顧功能實(shí)現(xiàn)高效性、復(fù)用性與可靠性,對(duì)應(yīng)輕質(zhì)化設(shè)計(jì)因素多、工況多、難度大。

3)環(huán)境適應(yīng)性要求高:與航天器分離機(jī)構(gòu)不同,運(yùn)載火箭分離機(jī)構(gòu)主要在火箭飛行過(guò)程大過(guò)載、強(qiáng)振動(dòng)、高低溫等復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作,相關(guān)環(huán)境因素除對(duì)結(jié)構(gòu)承載性能產(chǎn)生影響外,對(duì)機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)功能、性能、效能影響性更為復(fù)雜。以星箭分離機(jī)構(gòu)為例,不僅要滿足火箭發(fā)射過(guò)程中的大連接載荷工況,還需滿足分離過(guò)程對(duì)航天器的低沖擊作用。運(yùn)載火箭飛行過(guò)程的氣動(dòng)、振動(dòng)、沖擊與高低溫環(huán)境也相對(duì)航天器工作環(huán)境更為復(fù)雜惡劣。

4)空間與能源利用率要求高:運(yùn)載火箭分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中需充分利用火箭內(nèi)部有限空間,多采用小型化零、組、部件以及密集型裝填裝配的設(shè)計(jì)形式。分離機(jī)構(gòu)還需利用電源、氣源或液壓源等驅(qū)動(dòng)能源才能實(shí)現(xiàn)功能。而運(yùn)載火箭能源有限,因此分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中還需考慮運(yùn)載火箭能源選擇與統(tǒng)籌利用能源輸出效率等約條件。

3 運(yùn)載火箭分離機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展研究

運(yùn)載火箭分離機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭中連接部件產(chǎn)生分離動(dòng)作的機(jī)械裝置。分離機(jī)構(gòu)一般具備連接(鎖定)與釋放(解鎖)兩項(xiàng)基礎(chǔ)功能,也可兼具解鎖后推離的附加功能。本章從連接形式與釋放驅(qū)動(dòng)能源兩個(gè)方面分別對(duì)非火工分離機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行分析。

如圖4所示,分離機(jī)構(gòu)連接形式可分為單點(diǎn)獨(dú)立式、多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)式、線式與箱式四大類。單點(diǎn)獨(dú)立式包含拔銷式、分瓣螺母式、飛輪螺母式、球鎖式、卡爪式與變形式。多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)式包含連桿鎖鉤式、并聯(lián)鎖鉤式、串聯(lián)鎖鉤式、連桿抱抓式與內(nèi)撐環(huán)轉(zhuǎn)塊式。線式連接有柔性包帶與剛性包帶兩種。箱式連接形式分為標(biāo)準(zhǔn)立方星式與非標(biāo)準(zhǔn)立方星式。

如圖4所示,分離機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)能源主要存在機(jī)械、電機(jī)、電磁、電熱、氣驅(qū)、液驅(qū)與智能材料七類。機(jī)械主要采用柱簧、碟簧等彈性元件儲(chǔ)備與釋放彈性勢(shì)能。電機(jī)主要采用步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、力矩電機(jī)等電機(jī)實(shí)現(xiàn)電能向部件動(dòng)能的傳遞轉(zhuǎn)換。電磁多用于連接與釋放的觸發(fā),通過(guò)通電狀態(tài)變化實(shí)現(xiàn)磁性連接狀態(tài)的控制。電熱主要采用電阻絲等加熱器將電熱轉(zhuǎn)換為熱能實(shí)現(xiàn)熱刀切斷或加熱熔化等解鎖形式。液壓多用于伺服等機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓缸、液壓泵等實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。智能材料采用形狀記憶合金等材料實(shí)現(xiàn)對(duì)分離機(jī)構(gòu)的解鎖觸發(fā)或小功率驅(qū)動(dòng)。

圖4 分離機(jī)構(gòu)連接形式和驅(qū)動(dòng)能源示意圖Fig.4 Schematic diagram of the connection form and driving energy of the separation mechanism

3.1 分離機(jī)構(gòu)連接形式

如表2所示,根據(jù)分離的兩體在連接接觸面的連接形式以及分離機(jī)構(gòu)動(dòng)作的關(guān)聯(lián)形式,分離機(jī)構(gòu)的構(gòu)型一般分為單點(diǎn)獨(dú)立式、多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)式、線式和箱式等連接形式。下面分別討論各種連接形式的特點(diǎn)。

表2 不同連接形式分離機(jī)構(gòu)特點(diǎn)Table 2 Characteristics of separation mechanism of different connection forms

1)單點(diǎn)獨(dú)立式

單點(diǎn)獨(dú)立式分離機(jī)構(gòu),是指分離的兩體在連接接觸面上,通過(guò)分布的單點(diǎn)或多點(diǎn)進(jìn)行連接,連接剛度不連續(xù),每個(gè)連接處獨(dú)立實(shí)現(xiàn)解鎖功能的分離機(jī)構(gòu)。單點(diǎn)獨(dú)立式分離機(jī)構(gòu)內(nèi)部的機(jī)構(gòu)工作原理也有多種形式,根據(jù)分離功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)型可分為:拔銷式、分瓣螺母式分離機(jī)構(gòu)、飛輪螺母式分離機(jī)構(gòu)、球鎖式分離機(jī)構(gòu)、卡爪式分離機(jī)構(gòu)和整體變形式分離機(jī)構(gòu)等。單點(diǎn)獨(dú)立式分離機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是使用靈活,可根據(jù)分離面形式、尺寸和載荷靈活布局;缺點(diǎn)是分離面整體連接剛度不高,分離面使用數(shù)量較多的分離機(jī)構(gòu)時(shí),分離面理論分離可靠性不高。

常用于載荷不大的分離面,如有效載荷分離、整流罩橫向分離、整流罩縱向分離等。

2)多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)式

多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)式分離機(jī)構(gòu),是指分離的兩體在連接接觸面上,通過(guò)分布的多點(diǎn)進(jìn)行連接,連接剛度不連續(xù),每個(gè)連接處通過(guò)機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)同步實(shí)現(xiàn)解鎖功能的分離機(jī)構(gòu)。多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)是分離機(jī)構(gòu)根據(jù)內(nèi)部機(jī)構(gòu)構(gòu)型可分為:連桿鎖鉤式、串聯(lián)鎖鉤式、連續(xù)串聯(lián)鎖鉤式、內(nèi)撐環(huán)翻轉(zhuǎn)塊式、并聯(lián)鎖鉤式、連桿抱爪式等。優(yōu)點(diǎn)是分離面使用多個(gè)分離機(jī)構(gòu)時(shí),多個(gè)分離機(jī)構(gòu)通過(guò)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)解鎖,分離同步性高、分離可靠性高;缺點(diǎn)是分離面整體連接剛度不高,需要聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu),整體質(zhì)量較大。常用于載荷不大且對(duì)可靠性要求較高的分離面,如有效載荷分離、載人運(yùn)載火箭整流罩橫分離等。

3)線式

線式分離機(jī)構(gòu),是指分離的兩體在接觸面上,通過(guò)連續(xù)接觸線性連接,提供連續(xù)的連接剛度,并能實(shí)現(xiàn)解鎖功能的分離機(jī)構(gòu)。線式分離機(jī)構(gòu)根據(jù)其機(jī)構(gòu)組成及特點(diǎn)主要包括:柔性包帶分離機(jī)構(gòu)與剛性包帶分離機(jī)構(gòu)兩種形式[20]。線式連接分離機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是連接剛度連續(xù)、承載效率高,一般采用不大于3處解鎖元件,即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)分離面的分離,分離可靠性高;缺點(diǎn)是應(yīng)用不夠靈活,對(duì)連接分離面連續(xù)性要求較高。常用于連接剛度要求高、接口形式相對(duì)固定、且對(duì)分離可靠性要求較高的分離面,如:大型有效載荷連接分離、多衛(wèi)星與運(yùn)載火箭整體連接分離等。

4)箱式

箱式分離機(jī)構(gòu),是指外形為箱體式的分離機(jī)構(gòu),被分離體放置在箱體內(nèi),并通過(guò)多個(gè)面與箱體接觸,通過(guò)箱體一側(cè)的艙門壓緊和釋放被分離體,通過(guò)內(nèi)部的推板機(jī)構(gòu)提供分離沖量的機(jī)構(gòu)。箱式分離機(jī)構(gòu)主要是用于立方體衛(wèi)星分離的分離機(jī)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)立方星的連接、解鎖與釋放功能。優(yōu)點(diǎn)是星箭接口簡(jiǎn)單、易于標(biāo)準(zhǔn)化、研制成本低;缺點(diǎn)是只能用于質(zhì)量較小的微納衛(wèi)星分離,只能用于通用接口的立方體衛(wèi)星分離。常用于標(biāo)準(zhǔn)立方星或非標(biāo)立方星的分離。

3.2 分離機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)能源

分離機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)能源一般包括機(jī)械、電機(jī)、電磁、電熱、氣壓、液壓、智能材料等不同形式驅(qū)動(dòng)能源。各種驅(qū)動(dòng)能源的特點(diǎn)如下:

1)機(jī)械

機(jī)械能源是指利用彈性元件的彈性勢(shì)能提供直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能量,主要包括圓柱螺旋彈簧、碟簧、平面渦卷彈簧等各類彈簧或彈性元件等。機(jī)械驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不需外界能量輸入,環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),可靠性高。但機(jī)構(gòu)分離沖擊較大,長(zhǎng)期受力狀態(tài)下彈性元件容易發(fā)生蠕變松弛,影響輸出能力,對(duì)于長(zhǎng)期服役、長(zhǎng)期在軌類使用需重點(diǎn)關(guān)注。

2)電驅(qū)

電驅(qū)一般可分為電機(jī)、電磁、電熱等驅(qū)動(dòng)形式。電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)動(dòng)速度及精度,同時(shí)體積較小,綜合性能優(yōu)異,但輸出能力相對(duì)較小。常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要包括力矩電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直線電機(jī)、伺服電機(jī)等。力矩電機(jī)的機(jī)械特性較軟,可根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速甚至堵轉(zhuǎn)工作,其調(diào)速范圍大,力矩波動(dòng)小,過(guò)載能力強(qiáng),響應(yīng)較快。步進(jìn)電機(jī)的輸出性能與輸入脈沖嚴(yán)格對(duì)應(yīng),但其輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩有限。直線電機(jī)可以節(jié)省一定的傳動(dòng)環(huán)節(jié),提高機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,但控制較為困難。伺服電機(jī)采用閉環(huán)控制,其輸出速度、位置精度很高,響應(yīng)快,抗過(guò)載能力強(qiáng)。

電磁驅(qū)動(dòng)是指利用電流通斷控制電磁鐵吸附力的有無(wú),一般只輸出力而無(wú)位移。電磁驅(qū)動(dòng)的體積較小,輸出力較大,工作壽命長(zhǎng),動(dòng)態(tài)性能好。但磁場(chǎng)隨距離衰減較快,電磁力只在較小范圍內(nèi)起作用,且采用電磁驅(qū)動(dòng)時(shí)需要解決電磁兼容問(wèn)題,避免與周圍電磁環(huán)境相互干擾。

電熱方式是指利用液晶、低熔點(diǎn)材料等熱敏材料的特性制成熔絲或熱刀,通過(guò)電流產(chǎn)生熱量輸入及溫度變化進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。電熱驅(qū)動(dòng)方式輸出的力和位移有限,由于需要一定熱量累積,其作動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng),響應(yīng)緩慢,性能一致性較差,且一般難以復(fù)位或無(wú)法重復(fù)使用。但其體積較小,分離沖擊小。

3)氣驅(qū)

氣壓驅(qū)動(dòng)是指利用壓縮氣體對(duì)外做功進(jìn)行驅(qū)動(dòng),常用的工作介質(zhì)包括空氣、氮?dú)狻⒑獾?。氣壓?qū)動(dòng)易于調(diào)節(jié)輸出性能、動(dòng)作迅速、維護(hù)簡(jiǎn)單。氣體黏性小,引起的流阻損失小。但由于氣體具有較大的可壓縮性,氣壓驅(qū)動(dòng)受負(fù)載影響較大,難于精確控制。為獲得更高的驅(qū)動(dòng)能力,需要提高工作氣壓,對(duì)機(jī)構(gòu)密封也提出了對(duì)應(yīng)要求。

4)液壓

常見(jiàn)的液壓驅(qū)動(dòng)形式包括執(zhí)行直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸及執(zhí)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓馬達(dá)等。液壓驅(qū)動(dòng)中通過(guò)調(diào)節(jié)流量控制速度,工作平穩(wěn)、慣性小、剛性好、輸出力大、功率密度高,在相同功率下液壓馬達(dá)等驅(qū)動(dòng)元件的體積和重量?jī)?yōu)于普通電機(jī)。但液壓驅(qū)動(dòng)需要配置液壓泵等附屬系統(tǒng),維護(hù)復(fù)雜,油液可能發(fā)生泄漏污染,進(jìn)而影響系統(tǒng)可靠性,且液壓驅(qū)動(dòng)對(duì)油溫和負(fù)載變化較為敏感。

5)智能材料

智能材料能夠感知外界刺激并根據(jù)自我判斷做出響應(yīng),是一種集結(jié)構(gòu)和功能于一體的新型材料。具有自主變形、質(zhì)量輕和柔性釋放等優(yōu)點(diǎn)?；谥悄懿牧涎兄频姆蛛x機(jī)構(gòu)具有自我驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn),因此結(jié)構(gòu)被大幅度簡(jiǎn)化。其緩慢變形、柔性釋放特性可有效避免火工裝置瞬間釋放所帶來(lái)的巨大沖擊。智能材料的可重復(fù)使用特性使得這類機(jī)構(gòu)具備可檢可測(cè)性,有效提高了機(jī)構(gòu)的可靠性。但是相比機(jī)械結(jié)構(gòu),智能材料的承載能力較低。目前這類機(jī)構(gòu)的飛行案例有限,使用成熟度相對(duì)較低,同時(shí),新材料的使用需要滿足空間輻照和溫度等環(huán)境因素的要求。各類分離機(jī)構(gòu)能源的特點(diǎn)如表3所示,驅(qū)動(dòng)性能如圖5所示。

表3 分離機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)能源特點(diǎn)Table 3 Characteristics of the drive energy of separation mechanisms

圖5 機(jī)構(gòu)能源驅(qū)動(dòng)形式與特性分析圖Fig.5 Form and characteristic analysis of the mechanism driving energy

根據(jù)運(yùn)載火箭分離機(jī)構(gòu)解鎖、分離功能對(duì)觸發(fā)及分離能源的性能需求,采用響應(yīng)頻率表征驅(qū)動(dòng)能源針對(duì)動(dòng)態(tài)指令的輸出能力,采用功率表征驅(qū)動(dòng)能源的穩(wěn)態(tài)輸出能力,從兩個(gè)維度對(duì)各種驅(qū)動(dòng)能源的特點(diǎn)進(jìn)行分析。電熱驅(qū)動(dòng)方式需要一定時(shí)間熱量累積才能完成作動(dòng),對(duì)指令的響應(yīng)緩慢,響應(yīng)頻率很低;采用熱敏材料的熱變形進(jìn)行驅(qū)動(dòng),輸出的力和位移較小,輸出功率較小。氣壓驅(qū)動(dòng)方式由于氣體具有很大的壓縮性,對(duì)負(fù)載比較敏感,難以實(shí)現(xiàn)精確控制,其響應(yīng)頻率也較低;氣壓驅(qū)動(dòng)可利用箭上增壓輸送系統(tǒng)提供高壓冷氣,氣壓可達(dá)數(shù)十兆帕,遠(yuǎn)超一般工業(yè)應(yīng)用工況,做功能力很強(qiáng),同時(shí)可通過(guò)改變供氣系統(tǒng)元件參數(shù)調(diào)節(jié)輸出性能,從而覆蓋寬幅功率需求。電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式受負(fù)載慣性影響,一般而言響應(yīng)頻率與輸出功率負(fù)相關(guān),其具體性能與電機(jī)類型有關(guān)。微小力矩電機(jī)輸出能力較小,但響應(yīng)較快。步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速增大而減小,其工作轉(zhuǎn)速較低,一般僅為每分鐘幾百轉(zhuǎn),一般不具有過(guò)載能力,輸出功率有限。步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率過(guò)高時(shí)易發(fā)生丟步,轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)易發(fā)生過(guò)沖,啟動(dòng)響應(yīng)較慢,從靜止到工作轉(zhuǎn)速需數(shù)百毫秒,因此響應(yīng)頻率有限。直線電機(jī)的輸出能力有限,但傳動(dòng)環(huán)節(jié)較少,響應(yīng)頻率有所提高。伺服電機(jī)的輸出力矩大、轉(zhuǎn)速高,具有較強(qiáng)的過(guò)載能力,最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的數(shù)倍,同時(shí)加速性能好,僅需數(shù)十毫秒可從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)快速啟停,響應(yīng)頻率較高。液壓驅(qū)動(dòng)采用液壓油作為工作介質(zhì),工作壓力高,對(duì)應(yīng)的輸出力及功率很高;同時(shí)液體可壓縮性小,液壓驅(qū)動(dòng)工作平穩(wěn),慣性小,響應(yīng)頻率較高;但液壓驅(qū)動(dòng)需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的供油回路,且液體黏性大,因此不適用于小功率工況。

4 運(yùn)載火箭分離機(jī)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)及建議

縱觀國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭分離機(jī)構(gòu)發(fā)展歷程,從助推分離、級(jí)間分離、整流罩分離、有效載荷分離到柵格舵等新式機(jī)構(gòu)分離,運(yùn)載火箭分離機(jī)構(gòu)逐漸向著多樣化、復(fù)用化、低沖擊等方向發(fā)展。分離機(jī)構(gòu)通過(guò)多種連接形式與不同能源方式進(jìn)行組合可實(shí)現(xiàn)不同機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)方案,結(jié)合運(yùn)載火箭功能需求與使用環(huán)境,以及分離機(jī)構(gòu)產(chǎn)品連接形式與驅(qū)動(dòng)能源性能對(duì)比如圖6所示,運(yùn)載火箭非火工分離機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展建議如下。

圖6 分離機(jī)構(gòu)連接形式與驅(qū)動(dòng)能源種類性能對(duì)比雷達(dá)圖Fig.6 Radar diagram of the connection forms and drive energy of separation mechanisms

單點(diǎn)拔銷式是最基本和通用的連接形式,具有連接應(yīng)力小,結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單可靠性高等優(yōu)點(diǎn),但連接區(qū)域難以施加預(yù)緊連接力,對(duì)連接部位剛度支撐較差。對(duì)應(yīng)分離能源優(yōu)先采用氣驅(qū)、液壓等作用力以及作用行程較大的驅(qū)動(dòng)形式,有利于分離機(jī)構(gòu)克服連接面分離時(shí)的分離阻力。在分離裕度充足情況下,單點(diǎn)拔銷式也可采用電動(dòng)拔銷或電驅(qū)觸發(fā)加機(jī)械釋放的設(shè)計(jì)形式。

單點(diǎn)分瓣螺母式適用于氣驅(qū)驅(qū)動(dòng)與電機(jī)觸發(fā)加機(jī)械儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)組合的設(shè)計(jì)方案,也可采用智能材料觸發(fā)加機(jī)械儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)組合的設(shè)計(jì)方案。分瓣螺母連接形式相對(duì)整體螺母,連接承載能力基本相當(dāng),但解鎖釋放時(shí)間及可靠性大幅提升。不同能源下,整體螺母相對(duì)分瓣螺母均不存在優(yōu)勢(shì),故分離機(jī)構(gòu)不宜采用整體螺母,推薦使用分瓣螺母連接形式。

球鎖連接形式可在氣驅(qū)、電驅(qū)與智能材料觸發(fā)三種能源下實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)小承載連接。球鎖式分離機(jī)構(gòu)最大優(yōu)勢(shì)在于空間利用高,可實(shí)現(xiàn)有限空間下單點(diǎn)高效連接與可靠分離。相對(duì)拔銷式的軸向伸縮空間,球鎖多采用徑向伸縮空間的釋放形式。球鎖球形連接形式在小載荷下分離可靠性相對(duì)于銷形形式更為可靠,所需設(shè)計(jì)連接空間與作動(dòng)空間均更小。

卡爪連接形式是單點(diǎn)連接中結(jié)構(gòu)形式最為復(fù)雜的形式。連接狀態(tài)下連接面多且多為非連續(xù)光滑過(guò)渡形式,導(dǎo)致在機(jī)構(gòu)作動(dòng)過(guò)程中,對(duì)接面磨損嚴(yán)重,機(jī)構(gòu)整體可靠性偏低,對(duì)連接面潤(rùn)滑設(shè)計(jì)或摩擦控制要求高?？ㄗB接形式僅推薦用于大剪力與大彎矩單點(diǎn)連接狀態(tài),且對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)能源只適用于高壓氣體驅(qū)動(dòng),以通過(guò)提高氣體壓力提升機(jī)構(gòu)解鎖功能整體裕度。變形連接形式相對(duì)于卡爪連接形式更為復(fù)雜,不僅對(duì)連接分離區(qū)域潤(rùn)滑設(shè)計(jì)與摩擦控制要求高,而且對(duì)變形材料性能及環(huán)境適應(yīng)性要求高,不論在任何能源驅(qū)動(dòng)下,均不建議使用此方案。

多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)結(jié)合應(yīng)用需求不同可通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)兩種形式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。優(yōu)先推薦使用氣驅(qū)能源驅(qū)動(dòng)的鎖鉤式多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案,機(jī)構(gòu)整體可靠性高,氣驅(qū)能源裕度大,作動(dòng)動(dòng)作傳遞范圍廣,傳遞過(guò)程對(duì)間隙及動(dòng)特性影響小。對(duì)于基于電驅(qū)能源形式的鎖鉤機(jī)構(gòu)推薦用于單點(diǎn)或并聯(lián)連接形式。單點(diǎn)形式電驅(qū)相對(duì)氣驅(qū)能源形式相對(duì)簡(jiǎn)單,并聯(lián)形式傳遞路徑相對(duì)串聯(lián)短,有利于電驅(qū)能源作動(dòng)。

線式連接分離多采用單點(diǎn)或雙點(diǎn)解鎖分離方式,連接形式推薦使用包帶式連接形式。剛性包帶相對(duì)柔性包帶在連接區(qū)域應(yīng)力分布均勻性上更有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)剛性包帶自身存儲(chǔ)彈性勢(shì)能作為主要的推離能源,對(duì)對(duì)接框剛度及匹配性相對(duì)柔性包帶有更強(qiáng)的適應(yīng)性,對(duì)應(yīng)可靠性更高。目前國(guó)內(nèi)外剛性包帶有分體式、滑槽式與整體式三種設(shè)計(jì)構(gòu)型。其中分體式與柔性包帶形式接近,僅增加了卡塊布置密度與帶體剛度。滑槽式使用剛度更強(qiáng)的卡槽環(huán)框代替分體式中剛性帶體,雖然通過(guò)環(huán)框提升了對(duì)卡塊的約,但整體質(zhì)量較重,材料利用率較低。推薦使用整體式剛性包帶,不僅在卡塊約性能上實(shí)現(xiàn)大幅提升,而且剛性包帶整體材料利用率最優(yōu),通過(guò)加溫預(yù)緊的方法,帶體整體預(yù)緊力分布較柔性包帶也更為均勻。箱式分離機(jī)構(gòu)多用于立方星釋放,推薦多用于標(biāo)準(zhǔn)立方星釋放任務(wù),對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)立方星除個(gè)性化設(shè)計(jì)箱體式分離機(jī)構(gòu)外,推薦使用單點(diǎn)獨(dú)立式或多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)式分離機(jī)構(gòu)方案。

隨著運(yùn)載火箭的持續(xù)進(jìn)步,新能源、新工藝、新材料等新技術(shù)不斷發(fā)展,復(fù)用化、商業(yè)化、一箭群星、長(zhǎng)期在軌等新需求增加,運(yùn)載非火工分離機(jī)構(gòu)也將呈現(xiàn)一些新的研究方向:

1)模塊化組合式分離機(jī)構(gòu)平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù):為提升運(yùn)載火箭適應(yīng)不同發(fā)射對(duì)象與組合發(fā)射任務(wù)的需求,具備模塊化接口連接與組合式分離釋放功能的分離機(jī)構(gòu)平臺(tái)將成為提升運(yùn)載火箭商業(yè)發(fā)射能力的主要支撐。平臺(tái)是指運(yùn)載火箭與不同有效載荷的連接均由不同功能的可更換模塊標(biāo)準(zhǔn)分離接口組成實(shí)現(xiàn),可以實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)載火箭對(duì)不同發(fā)射任務(wù)不同組合設(shè)計(jì),提高工作效率,降低研制成本。

2)基于智能材料新式分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù):通過(guò)電敏、熱敏、磁敏、光敏等先進(jìn)智能材料,運(yùn)用智能材料主動(dòng)性,通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)利用其機(jī)械變形與溫度、電流、磁場(chǎng)等變化耦合性,實(shí)現(xiàn)機(jī)械響應(yīng)和非機(jī)械響應(yīng)之間的可控轉(zhuǎn)換。采用形狀記憶合金、形狀記憶聚合物、壓電材料等體積小、適應(yīng)性好、振動(dòng)穩(wěn)定性強(qiáng)、能耗小等優(yōu)勢(shì),進(jìn)一步提升運(yùn)載火箭分離機(jī)構(gòu)分離沖擊、作動(dòng)精度與適應(yīng)性等性能。

3)深空及深遠(yuǎn)海等領(lǐng)域技術(shù)延伸及推廣應(yīng)用:運(yùn)載火箭非火工分離機(jī)構(gòu)具有低沖擊、高可靠、無(wú)污染、可復(fù)用等優(yōu)點(diǎn),其應(yīng)用場(chǎng)合也可不局限于航天發(fā)射領(lǐng)域。諸如長(zhǎng)期在軌服務(wù)、深空探測(cè)、水下航行以及智能變形飛行等領(lǐng)域也可使用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭分離及機(jī)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展需求進(jìn)行分析,通過(guò)從連接形式與驅(qū)動(dòng)能源兩個(gè)維度對(duì)運(yùn)載火箭非火工分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究,提出了運(yùn)載火箭非火工分離機(jī)構(gòu)方案選取建議以及未來(lái)主要的研究方向,可為運(yùn)載火箭非火工分離機(jī)構(gòu)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。