國外星箭連接解鎖裝置技術(shù)與應用研究

張婕 武鵬飛 王亞坤 姜人偉 馮偉

(1 中國空間技術(shù)研究院通信與導航衛(wèi)星總體部,北京 100094) (2 中國兵器工業(yè)導航與控制技術(shù)研究所,北京 100089) (3 北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)(4 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094)

星箭連接解鎖裝置是指實現(xiàn)衛(wèi)星與運載火箭解鎖分離操作的系統(tǒng),是影響衛(wèi)星發(fā)射任務成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié),解鎖時會產(chǎn)生高量級、高頻率、短時間的沖擊力,可能導致星上沖擊敏感設備失效[1-2]。例如,美國太空探索技術(shù)(SpaceX)公司采用獵鷹-9運載火箭發(fā)射祖瑪(Zuma)軍事衛(wèi)星時星箭分離失敗,導致衛(wèi)星不知所蹤[3]。因此,星箭連接解鎖裝置技術(shù)是航天器設計的核心技術(shù)之一。

星箭連接解鎖裝置技術(shù)自1957年人類發(fā)射首顆人造地球衛(wèi)星以來已經(jīng)歷了3個階段。第1個階段為點式火工解鎖裝置,主要采用多個爆炸螺栓或者分離螺母實現(xiàn)星箭對接框的連接和解鎖[4],但由于解鎖可靠性差、沖擊載荷高達10000gn等缺點已較少應用;第2個階段為線式火工解鎖裝置,由包帶、V形塊、火工分離元件、捕獲裝置等組成,國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展出傳統(tǒng)柔性包帶、可控柔性包帶、緩釋剛性包帶等多種產(chǎn)品,是當前國內(nèi)外的主流星箭連接解鎖裝置[5];第3個階段為線式非火工解鎖裝置,該裝置是針對線式火工解鎖裝置的解鎖沖擊較大(500gn～3000gn)、存在污染、不可重復使用等缺點進行優(yōu)化改進,已形成電機解鎖、記憶合金驅(qū)動解鎖等方式,目前應用多局限于小型衛(wèi)星的連接解鎖[6]。

面對日益增長的運載火箭和衛(wèi)星的使用需求,本文總結(jié)了近幾十年來國外星箭連接解鎖裝置技術(shù)成果。首先,介紹了國外解鎖裝置技術(shù)的發(fā)展、技術(shù)原理及飛行應用;然后,匯總了國際主流宇航公司的星箭連接解鎖裝置產(chǎn)品,突出產(chǎn)品特點、飛行應用、性能對比;最后,針對國內(nèi)外星箭連接解鎖裝置發(fā)展現(xiàn)狀,給出國內(nèi)技術(shù)發(fā)展建議。

1 國外星箭連接解鎖裝置技術(shù)

按照衛(wèi)星與運載火箭的連接形式,星箭連接解鎖裝置可分為點式和線式2類。點式解鎖裝置是通過多個分離元件將星箭對接框連接在一起,通過分離元件解鎖達到星箭分離的效果,其中,分離元件包括爆炸螺栓、分離螺母等。線式解鎖裝置是通過少數(shù)分離元件連接線性裝置和星箭對接框,通過分離元件解鎖將線性裝置分解以達到星箭分離的效果,主要包括包帶解鎖裝置。

下面將闡述現(xiàn)有裝置的原理、特點和應用。其中,線式解鎖裝置根據(jù)分離元件類別分為火工與非火工2類,它們除分離元件類別有所差異,其他幾乎相同,因此本節(jié)將其合并介紹。

1.1 點式解鎖裝置

1.1.1 爆炸螺栓

早期星箭連接解鎖裝置是采用爆炸螺栓實現(xiàn)的,它是利用所裝炸藥使指定部位斷裂完成解鎖功能。星箭對接面需要多個爆炸螺栓才能保證連接強度和剛度[7]。解鎖時,所有爆炸螺栓必須全部正常工作才能保證衛(wèi)星可靠分離,因此可靠性不高,并且爆炸螺栓工作時產(chǎn)生的沖擊很大,不能滿足衛(wèi)星對解鎖沖擊環(huán)境提出的越來越嚴格的要求,因此已被歐美航天機構(gòu)逐步舍棄[8]。

1.1.2 分離螺母

分離螺母是20世紀中后期發(fā)展起來的火工解鎖裝置,其原理是在火藥燃氣驅(qū)動下,分離環(huán)沿軸向移動解除約束,從而使分離段沿徑向往外移動與螺栓的螺紋脫離,釋放螺栓。相對爆炸螺栓,分離螺母裝置連接承載能力大,解鎖沖擊更小。但是,在星箭連接解鎖裝置應用中發(fā)現(xiàn),分離面仍需要多個分離螺母才能保證連接強度和剛度,解鎖沖擊力可達6000gn～10000gn[9]。

分離螺母在國外主要用于小載荷和小接口直徑的星箭分離,如阿里安-5、宇宙神-5、德爾它-4和質(zhì)子運載火箭,它們均只有在1666mm直徑適配器上采用了4個分離螺母裝置與衛(wèi)星相連[10-13]。在較大接口和載荷下,只有日本H-2B運載火箭發(fā)射白鸛貨運飛船時采用了12個分離螺母裝置,此時貨運飛船與運載火箭接口直徑約3400mm,貨運飛船質(zhì)量16.5t,并且采用2次解鎖策略(每次6個)以減小解鎖沖擊力,但沖擊力仍高達10000gn[14]。

1.2 線式解鎖裝置

星箭線式解鎖裝置中應用最廣泛的是包帶解鎖裝置,其工作原理為:處于星箭連接狀態(tài)時,在包帶的兩端施加預緊力,使包帶內(nèi)側(cè)V形塊與星箭對接框緊密配合;星箭分離時,分離元件解鎖后,加載在包帶上的預緊力突然消失,使包帶與V形塊在應變能作用下沿徑向向外運動,當V形塊與星箭對接框完全脫離后,捕獲裝置將包帶和V形塊捕獲,通過內(nèi)部垂向壓縮彈簧彈力釋放實現(xiàn)星箭分離操作[15]。相對于點式解鎖裝置,包帶解鎖裝置具有連接剛度好、解鎖沖擊低、污染少等優(yōu)勢,已成為現(xiàn)今國內(nèi)外運載火箭連接解鎖裝置中的衛(wèi)星主流解鎖裝置。

1.2.1 傳統(tǒng)柔性包帶解鎖裝置

傳統(tǒng)包帶解鎖裝置是由1條或多條包帶組成,包帶是由厚度較薄鋼帶制成的柔性結(jié)構(gòu),V形塊通過緊固件固定在包帶內(nèi)側(cè),包帶之間采用1個或多個分離元件(爆炸螺栓或切割器)連接,包帶解鎖后通過在支架上的拉簧和包帶柱軸之間的限位簧進行捕獲操作[15],如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)柔性包帶解鎖裝置Fig.1 Traditional flexible band unlocking device

傳統(tǒng)柔性包帶解鎖裝置結(jié)構(gòu)簡單,但存在以下問題:①解鎖時V形塊解鎖同步性較差,衛(wèi)星解鎖后姿態(tài)不易控制;②安裝需要的靜態(tài)包絡軸向空間較大,增加了結(jié)構(gòu)尺寸和總量;③包帶柔性較大,解鎖過程動態(tài)包絡不可控,拉簧及限位簧對包帶的約束性較差;④分離元件為爆炸螺栓或切割器,解鎖時間過快(小于1ms),造成解鎖沖擊很大;⑤包帶預緊力加載分布不均勻,且不易控制[15]。

1.2.2 可控柔性包帶解鎖裝置

薩伯-愛立信(Saab Ericsson)公司(現(xiàn)瑞士魯埃格(RUAG)公司)設計了一種可控柔性包帶解鎖裝置,在傳統(tǒng)捕獲裝置基礎上采用扭簧代替拉簧完成包帶捕獲,且在包帶周向設計多個捕獲器完成包帶接頭捕獲,具體構(gòu)型見圖2。

通過上述改進,可提高V形塊解鎖同步性,減小靜態(tài)包絡和動態(tài)包絡,提高整流罩內(nèi)空間利用率和對包帶的約束能力。但是,仍然不能解決解鎖沖擊大、預緊力均勻性差等不足[16]。

1.2.3 緩釋剛性包帶解鎖裝置

歐美宇航公司針對傳統(tǒng)柔性包帶的不足,提出了緩釋剛性包帶解鎖裝置,并在剛性包帶設計、捕獲方式、降沖擊、預緊力加載等方面取得突破。

1)剛性包帶方案

剛性包帶是由剛度較大的鋁帶制造而成,與傳統(tǒng)柔性包帶相比最大的不同是彈性變形方向,柔性包帶是沿包帶長度方向變形,而剛性包帶是沿包帶徑向變形,見圖3。剛性包帶解鎖裝置只有1條包帶和分離元件。包帶在自由狀態(tài)下開口很大,施加預緊力后包帶兩端被拉緊,此時包帶內(nèi)部存儲較大的彈性能,它可實現(xiàn)包帶連接與解鎖功能。剛性包帶方案使得V形塊解鎖運動一致性、運動包絡預測性和可控性提高,同時剛性包帶與V形塊間相對滑動減少,有利于提高預緊力的均勻性,使其成為國外主流星箭連接解鎖裝置[17]。

剛性包帶種類繁多,且不同截面形狀會采用不同的包帶/V形塊連接形式,具體見圖4和表1。由于C形截面和整體式剛性包帶剛度更大,可加載的預緊力更大,相同接口尺寸下的承載性能比I形截面剛性包帶更高,是傳統(tǒng)柔性包帶的1.75倍[18-20]。

圖3 剛性包帶結(jié)構(gòu)及變形原理示意Fig.3 Schematic diagram of rigid band structure and deformation principle

圖4 剛性包帶分類Fig.4 Classification of rigid band

表1 包帶截面形狀與包帶/V形塊連接形式對應關(guān)系Table 1 Corresponding relationship between connection ways of cross-section shape and band/V-block

2)捕獲方案

根據(jù)剛性包帶變形特點,一般采用徑向捕獲方式,在包帶解鎖裝置的下端框上安裝固定式捕獲器實現(xiàn)捕獲功能,這種捕獲器能夠在較小的徑向空間下有效控制剛性包帶的運動包絡,其結(jié)構(gòu)形式較多,見圖5[21]。

3)降沖擊方案

國外研究表明,傳統(tǒng)柔性包帶解鎖沖擊較大的主要原因是解鎖時間太短導致儲存在包帶及星箭對接框內(nèi)的應變能突然釋放,而設計包帶預緊力緩釋裝置、延長預緊力釋放時間是實現(xiàn)降低沖擊載荷的關(guān)鍵。國外主要有2種緩釋裝置,第1種是利用螺紋傳動把直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動以增加運動時間,原理見圖6。在星箭連接狀態(tài),包帶預緊力通過2根螺桿加載在飛輪上,使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動趨勢,通過火工拔銷器/記憶合金絲阻止飛輪旋轉(zhuǎn)。解鎖時,通過銷子拔開/合金絲變形使得飛輪在預緊力作用下轉(zhuǎn)動,螺桿與飛輪脫開后實現(xiàn)包帶解鎖分離,該方法已應用在瑞士RUAG公司[16]和美國內(nèi)華達山脈公司(SNC)的包帶預緊力緩釋裝置(CBOD)[22]上。第2種是通過連桿機構(gòu)的運動增加運動時間,原理見圖7。在星箭連接狀態(tài),連桿機構(gòu)通過分離螺母壓緊,解鎖時分離螺母工作,連桿機構(gòu)在包帶預緊力作用下運動,以實現(xiàn)包帶解鎖,該方法已在西班牙EADS CASA的釋放機構(gòu)上應用。這2種方法都能將解鎖沖擊載荷從3000gn～4000gn降低到1000gn以下[19-20]。

圖6 基于螺紋傳動的緩釋裝置Fig.6 Slow-releasing device based on screw drive

注:T為解鎖沖擊力;Vt為橫向速度;Vr為縱向速度。圖7 基于連桿機構(gòu)運動的緩釋裝置Fig.7 Slow-releasing device based on linkage movement

4)預緊力加載方案

預緊力加載包括包帶端頭加載、V形塊直接加載和包帶降溫加載。包帶端頭加載方式與傳統(tǒng)柔性包帶加載方式相似,都是使用液壓加載工具直接作用在包帶接頭處,通過拉緊包帶兩端進行預緊力施加,如圖8所示。由于剛性包帶在長度方向變形量較小,因此采用這種加載方式,預緊力均勻性好于柔性包[16]。

V形塊直接加載方式適用于C形截面剛性包帶,通過V形塊背面的預緊螺釘對每一塊V形塊單獨加載,作用在包帶上的預緊力均勻可控,且加載操作方便、安全,如圖9所示[19]。

包帶降溫加載方式適用于包帶-V形塊一體式剛性包帶,采用電加熱帶將包帶加熱到較高的溫度,然后用包帶連接星箭對接框,并用分離元件連接好包帶接頭,隨著包帶溫度下降,包帶收縮,預緊力自然加載完成。由于包帶升溫和降溫均勻,因此預緊力分布也很均勻,且容易施加大預緊力,如圖10所示,其中紅色帶子為電加熱帶[20]。

圖8 包帶端頭液壓加載工具Fig.8 Hydraulic loading tool for band end

圖10 包帶降溫加載預緊力Fig.10 Preload from band cooling loading

1.2.4 可檢測機電包帶解鎖裝置

以上所提及的解鎖裝置均依靠火工品實現(xiàn)解鎖功能,均存在解鎖過程動態(tài)包絡不可控問題,美國行星系統(tǒng)公司(PSC)首次提出可檢測機電包帶(MLB)解鎖裝置,可實現(xiàn)電機驅(qū)動可控解鎖。MLB解鎖裝置與傳統(tǒng)包帶解鎖裝置原理不同,后者采用向外擴張的方式完成解鎖操作,而MLB采用包帶收縮方式。MLB解鎖裝置的上端框與衛(wèi)星固定在一起,下端框與運載火箭固定在一起,旋轉(zhuǎn)塊固定在下端框上,內(nèi)撐環(huán)放置在旋轉(zhuǎn)塊的U形槽內(nèi),通過電機驅(qū)動實現(xiàn)內(nèi)撐環(huán)的擴展/收縮,使得旋轉(zhuǎn)塊繞軸旋轉(zhuǎn)進入/脫離上端框的V形槽,從而實現(xiàn)星箭的鎖緊/釋放,原理見圖11[23]。

與傳統(tǒng)包帶解鎖裝置相比,MLB解鎖裝置具備可檢可測、超低沖擊300gn、質(zhì)量小、靜態(tài)和動態(tài)包絡小、安裝操作簡便、可重復使用等優(yōu)勢,目前主要用于小型衛(wèi)星的連接解鎖。

圖11 典型MLB解鎖裝置工作原理及結(jié)構(gòu)示意Fig.11 Principle and structure diagram of a typical MLB unlocking device

1.3 解鎖裝置技術(shù)應用

國內(nèi)外現(xiàn)役主流運載火箭連接解鎖裝置及相應參數(shù)見表2[10-14, 24-29],本文所述的沖擊譜峰值指星箭界面處的沖擊響應。現(xiàn)有的星箭連接解鎖裝置包括分離螺母(10000gn)、爆炸螺栓(3000gn～8000gn)、傳統(tǒng)柔性包帶(3000gn～5000gn)、緩釋剛性包帶(1000gn～3000gn)、可檢測機電包帶(2000gn)等,其中,緩釋剛性包帶和可檢測機電包帶引起的沖擊載荷明顯較小。此外,國外緩釋剛性包帶應用最為廣泛,國內(nèi)仍以傳統(tǒng)柔性包帶為主,使得與國外先進沖擊譜水平相比量級高達2000gn。

表2 國內(nèi)外現(xiàn)役主流運載火箭連接解鎖裝置及相應參數(shù)Table 2 Connection and unlocking devices and their corresponding parameters of mainstream launching vehicles in service

2 國外星箭連接解鎖裝置產(chǎn)品

緩釋剛性包帶和可檢測機電包帶引起的沖擊載荷是國內(nèi)外解鎖裝置技術(shù)中最小的,代表了國際最先進水平,以下僅介紹這2類包帶相關(guān)的國際主流公司產(chǎn)品。

2.1 瑞士RUAG公司

瑞士RUAG公司是國外運載火箭采用的衛(wèi)星適配系統(tǒng)和連接解鎖裝置最主要的供應商,可提供系列化國際標準接口服務,其產(chǎn)品廣泛應用在阿里安、宇宙神、德爾它、質(zhì)子、聯(lián)盟、天頂、金牛座、人牛怪等運載火箭上,且自20世紀70年代以來已參加了550多次飛行[16]。其中,包帶解鎖裝置產(chǎn)品直徑覆蓋35.6cm到261.6cm[21,30-32](見圖12),均采用I形截面剛性包帶,采用螺釘或搭片連接包帶與V形塊,以及CBOD(見圖13),該系列包帶解鎖沖擊均小于1000gn[33]。

圖12 RUAG公司的衛(wèi)星適配系統(tǒng) Fig.12 Satellite adaptation system of RUAG company

圖13 RUAG公司的CBOD Fig.13 CBOD of RUAG company

2.2 西班牙EADS CASA

西班牙EADS CASA研制的包帶連接解鎖裝置有CRSS[19]和LPSS[20]2種類型。

CRSS采用整體式剛性包帶,具備包帶剛度好、可施加的預緊力大等優(yōu)點,使得包帶承載性能大大提高,如傳統(tǒng)1194mm包帶最大可連接質(zhì)量4000kg衛(wèi)星,而CRSS可連接質(zhì)量7000kg衛(wèi)星。CRSS采用2個冗余的火工切割器作為分離元件,采用降溫法施加預緊力,接口尺寸包括937mm,1194mm,1666mm,1875mm,2105mm,2624mm,3936mm(見圖14),涵蓋了大部分國際通用接口。其中:3936mm接口是目前世界上接口直徑最大的包帶,已成功應用在阿里安-5運載火箭搭載的第4艘自動轉(zhuǎn)移飛行器(ATV-4)阿爾伯特-愛因斯坦貨運飛船(質(zhì)量20.2t)上。CRSS廣泛應用于阿里安-5、聯(lián)盟、織女星、隆聲、質(zhì)子運載火箭,已成功完成了150多次飛行[19]。

LPSS是在CRSS基礎上進行降沖擊改進的產(chǎn)品,包帶采用剛度較大的C形截面、T形滑槽配合包帶與V形塊、連桿緩釋裝置、V形塊徑向加載方式。LPSS接口尺寸有937mm和1194mm,解鎖沖擊小于700gn,已應用于阿里安-5、維加、隆聲等運載火箭,成功完成了30多次飛行[20]。

2.3 美國SNC

美國SNC的包帶解鎖產(chǎn)品有QwkSep連接解鎖裝置,采用I形截面剛性包帶和自主研發(fā)緩釋裝置CBOD和Mini-CBOD,具體構(gòu)型見圖15,規(guī)格分類見表3。相對其他公司的剛性包帶,具備輪廓低矮、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝空間要求低等優(yōu)點[22,34]。

采用記憶合金絲觸發(fā)緩釋裝置(Mini-CBOD)的43.2cm連接解鎖裝置,已于2004年完成飛行試驗(德爾它-4運載火箭/納衛(wèi)星(Nanosat)),Mini-CBOD結(jié)合瑞士RUAG公司的93.98cm包帶已于2007年完成了飛行試驗(軌道快車衛(wèi)星)。目前,SNC正在開發(fā)119.38cm和167.64cm直徑的剛性包帶,并將用于阿里安、宇宙神-5、德爾它-4、質(zhì)子、海上發(fā)射和獵鷹-9等運載火箭[22]。

圖15 QwkSep解鎖裝置Fig.15 Qwksep unlocking device

表3 QwkSep解鎖裝置規(guī)格分類Table 3 Specification classification of Qwksep unlocking device

2.4 美國PSC

美國PSC致力于研究非火工包帶解鎖裝置,已形成5代產(chǎn)品(如圖16所示)。其中:前3種目前已不再生產(chǎn),當前正在使用的是Mark II型MLB解鎖裝置,研發(fā)中的Mark III型已經(jīng)不再屬于包帶解鎖裝置[35-36]。

MLB解鎖裝置主要用于小衛(wèi)星的連接解鎖,其現(xiàn)貨產(chǎn)品接口尺寸有20.3cm,29.7cm,33.0cm,38.1cm,46.5cm,50.3cm,59.2cm,61.0cm,80.3cm,95.3cm,98.6cm,還可根據(jù)用戶要求定制非標尺寸和形狀(多邊形)的產(chǎn)品。其產(chǎn)品已應用于維加、人牛怪、飛馬座、宇宙神-5/ESPA、德爾它-4、獵鷹-9、隆聲運載火箭,已有34件不同規(guī)格的解鎖裝置成功完成了21次飛行[23]。

圖16 PSC非火工包帶解鎖裝置的發(fā)展歷程Fig.16 Development history of non-explosive band unlocking device of PSC

2.5 產(chǎn)品性能對比

國外包帶解鎖裝置的最大供應商是瑞士RUAG和西班牙EADS CASA,2家公司的產(chǎn)品系列全面、性能優(yōu)異。美國SNC和PSC產(chǎn)品主要應用于小衛(wèi)星,具備非火工包帶解鎖裝置技術(shù)。對上述包帶解鎖裝置性能進行對比[16-23],見表4。

表4 相同接口尺寸下國外各公司包帶解鎖裝置參數(shù)對比Table 4 Comparison of band unlocking device parameters of foreign companies of same interface size

3 啟示與建議

本文分析了近幾十年來國外星箭連接解鎖裝置的技術(shù)和應用,總結(jié)如下。

(1)國內(nèi)星箭連接解鎖裝置技術(shù)仍局限于傳統(tǒng)柔性包帶,國外已開發(fā)和成功應用可控柔性包帶解鎖裝置、緩釋剛性包帶解鎖裝置、可檢測機電包帶解鎖裝置,降低沖擊力超過2000gn,因此我國發(fā)展新型星箭連接解鎖裝置技術(shù)刻不容緩。緩釋剛性包帶在國外應用最為廣泛,相對傳統(tǒng)柔性包帶在解鎖同步性、動靜態(tài)包絡、解鎖沖擊、預緊力均勻性方面優(yōu)點突出,是國內(nèi)發(fā)展新型星箭連接解鎖裝置技術(shù)的重要突破口。本文給出了緩釋剛性包帶的關(guān)鍵技術(shù)原理,包括緩釋剛性包帶的構(gòu)型、捕獲、降沖擊及預緊力加載的國外細節(jié)設計內(nèi)容,可作為參考,尤其是應該從降低沖擊角度優(yōu)化國內(nèi)星箭連接解鎖裝置。

(2)國外包帶解鎖裝置的最大供應商是瑞士RUAG和西班牙EADS CASA,2家公司的產(chǎn)品系列全面、性能優(yōu)異,美國SNC和PSC的產(chǎn)品主要應用于小衛(wèi)星,具備先進非火工解鎖裝置技術(shù)。國內(nèi)公司較少專注于包帶解鎖裝置的研發(fā),更多是火箭或衛(wèi)星研制單位同時研制適配火箭或衛(wèi)星的包帶解鎖裝置,這樣容易導致國內(nèi)包帶解鎖裝置產(chǎn)品系列不全面,難以專注突破包帶解鎖裝置技術(shù)。建議國內(nèi)公司建立包帶解鎖裝置產(chǎn)品系列譜,從產(chǎn)品角度出發(fā)研制包帶解鎖裝置,從實際應用角度開發(fā)新型包帶解鎖裝置。