一種火箭起飛后快速關(guān)閉的液氫防護(hù)塔

胡亞濤，楊俊恒

0 引 言

芯一級(jí)液氫加排連接器是運(yùn)載火箭箭地接口關(guān)鍵設(shè)備。防護(hù)門關(guān)閉為芯一級(jí)液氫加排連接器零秒脫落后的關(guān)鍵動(dòng)作，火箭起飛到一定高度后，當(dāng)箭上接口與液氫加排連接器分離并完全飛出防護(hù)塔時(shí)，由地面供氣系統(tǒng)給防護(hù)門關(guān)閉氣缸供氣帶動(dòng)防護(hù)門沿防護(hù)塔頂部導(dǎo)軌水平向前運(yùn)動(dòng)，直至完全關(guān)閉。防護(hù)門過早關(guān)閉，會(huì)撞擊火箭尾部的箭上接口，由于防護(hù)門本身質(zhì)量和速度均較大，對(duì)火箭瞬時(shí)沖擊較大，可能使火箭發(fā)生較大滾轉(zhuǎn)或偏移，甚至造成發(fā)射失敗；防護(hù)門過晚關(guān)閉，則燃?xì)饬鲿?huì)直接進(jìn)入防護(hù)塔內(nèi)并對(duì)塔內(nèi)的連接器、低溫真空軟管等設(shè)備造成沖刷燒蝕，若塔內(nèi)氫氣濃度超標(biāo)，可能有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。因此防護(hù)門要在不碰撞箭體的前提下，快速可靠關(guān)閉。用于火箭起飛防護(hù)的液氫防護(hù)塔在中國(guó)首次使用，對(duì)今后重運(yùn)載火箭及同類產(chǎn)品研制具有借鑒意義[1～4]。

1 防護(hù)門關(guān)閉流程

1.1 防護(hù)門關(guān)閉時(shí)間要求

圖1為防護(hù)塔在發(fā)射平臺(tái)上表面安裝示意，其位于發(fā)射平臺(tái)井字梁上，箭上接口部分位于防護(hù)塔內(nèi)。

圖1 防護(hù)塔整體示意Fig.1 Schematic Diagram of the Protective Tower

火箭起飛時(shí)，防護(hù)塔將不可避免地承受高溫、高速燃?xì)饬鳠g、沖擊，需避免燃?xì)饬鳠o遮擋地直接作用到防護(hù)塔內(nèi)部的設(shè)備。因此要求防護(hù)塔上部的防護(hù)門必須在火箭起飛后開始關(guān)閉，并在受燃?xì)饬髯饔们?，完成全部關(guān)閉動(dòng)作，關(guān)閉時(shí)間還應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)陌踩嗔?。根?jù)分析及相關(guān)燃?xì)饬鲾?shù)據(jù)，火箭從起飛到燃?xì)饬饔绊懛雷o(hù)塔頂部的時(shí)間為 2.71 s，綜合考慮動(dòng)作延時(shí)、安全余量等，要求防護(hù)門關(guān)閉時(shí)間≤1.5 s。

1.2 防護(hù)門關(guān)閉流程[5]

防護(hù)門位于防護(hù)塔頂部，其頂部設(shè)計(jì)成圓弧形以減小燃?xì)饬鞯臎_擊。防護(hù)門關(guān)閉系統(tǒng)主要由模擬起飛裝置、防護(hù)門關(guān)閉氣缸、鋼絲繩等組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及關(guān)閉流程分別如圖2、圖3所示。

圖2 防護(hù)塔結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic Diagram of the Protective Tower Structure

圖3 防護(hù)門關(guān)閉流程Fig.3 Protective Door Closing Process

利用4個(gè)氣缸的共同作用關(guān)閉防護(hù)門，其最大優(yōu)點(diǎn)在于從設(shè)計(jì)上提高了防護(hù)門關(guān)閉的可靠性，且 4個(gè)氣缸同時(shí)作用在一定程度上可提高防護(hù)門關(guān)閉的速度，保證整體受力的均勻性。圖3中通過電磁閥給氣缸G3、G4、G5、G6同時(shí)供氣，其中G3、G4為防護(hù)門水平關(guān)閉氣缸，直接推動(dòng)防護(hù)門關(guān)閉，G5、G6為豎直冗余氣缸，其通過連接鋼絲繩經(jīng)過固定滑輪后牽引防護(hù)門，使其關(guān)閉。

防護(hù)門關(guān)閉的主要流程為：火箭起飛前4 min左右，通過供氣系統(tǒng)給位于防護(hù)塔內(nèi)部的蓄壓氣瓶充氣，壓力約 5 MPa。火箭起飛到一定高度后自適應(yīng)機(jī)構(gòu)下端配重下落，觸發(fā)傳感器，控制系統(tǒng)收到觸發(fā)信號(hào)，打開電磁閥給防護(hù)門水平關(guān)閉氣缸和豎直冗余氣缸同時(shí)供氣，水平氣缸直接推動(dòng)防護(hù)門向前關(guān)閉，豎直氣缸通過鋼絲繩和固定滑輪帶動(dòng)防護(hù)門向前關(guān)閉。防護(hù)門關(guān)閉到位后，通過限位銷限位，防止其撞擊后回彈。

2 仿真計(jì)算

計(jì)算防護(hù)門關(guān)閉時(shí)間主要是計(jì)算防護(hù)門能否在預(yù)期時(shí)間內(nèi)完成關(guān)閉動(dòng)作。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和總體要求，已知條件包括：

a）防護(hù)門重量1200 kg，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樗街本€運(yùn)動(dòng)；

b）防護(hù)門關(guān)閉行程720 mm；

c）防護(hù)門關(guān)閉氣缸直徑62 mm、行程約720 mm、活塞桿直徑30 mm、供氣壓力小于5 MPa；

d）防護(hù)門關(guān)閉時(shí)間不大于1.5 s。

根據(jù)上述條件建立連接器脫落、防護(hù)門關(guān)閉Amesim模型如圖4所示[6]。

圖4 連接器脫落防護(hù)系統(tǒng)Amesim仿真模型Fig.4 Amesim Simulationg Model of Connector Shedding Protection System

其中，用控制信號(hào)模擬電磁閥響應(yīng)時(shí)間，設(shè)置為0.1 s，氣源壓力保持為5 MPa。在分析過程中忽略了氣缸中O形圈的摩擦等因素。

圖5為防護(hù)門關(guān)閉氣缸壓力變化，從圖5中可以看出，在0.1 s時(shí)防護(hù)門關(guān)閉氣缸開始充氣，其中0.1 s為電磁閥響應(yīng)時(shí)間，電磁閥打開后氣缸壓力迅速上升，壓力達(dá)到一定數(shù)值后，由于活塞開始動(dòng)作，容腔增大，壓力減?。划?dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到位后，氣缸容腔體積不再變化，壓力會(huì)繼續(xù)上升，直到與蓄壓氣瓶的壓力平衡。

圖5 防護(hù)門關(guān)閉氣缸壓力變化Fig.5 Prossure Change of Protective Door Colsed Cylinder

圖6 為防護(hù)門關(guān)閉氣缸活塞桿運(yùn)動(dòng)位移。

圖6 防護(hù)門關(guān)閉氣缸活塞桿運(yùn)動(dòng)位移Fig.6 Piston Rod Displacement of Protective Door Colsed Cylinder

從圖6可以看出，在0.2 s左右時(shí)防護(hù)門開始運(yùn)動(dòng)，在0.8 s左右時(shí)防護(hù)門首次運(yùn)動(dòng)到最終行程，而后在防護(hù)門關(guān)閉氣缸打開腔死腔容積的壓縮緩沖和氣缸、防護(hù)門到位后產(chǎn)生的機(jī)械撞擊的共同作用下產(chǎn)生一定程度的回彈，而后在氣缸作用下重新關(guān)閉。防護(hù)門在1.18 s保持關(guān)閉狀態(tài)。實(shí)際過程中設(shè)置了限位銷，保證防護(hù)門關(guān)閉到位后不會(huì)產(chǎn)生回彈。

3 試驗(yàn)研究

為測(cè)試防護(hù)門關(guān)閉時(shí)間，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的控制系統(tǒng)，其原理如圖7所示。由模擬起飛工裝帶動(dòng)模擬箭上接口與連接器分離后，起飛自適應(yīng)機(jī)構(gòu)會(huì)觸發(fā)傳感器1，時(shí)刻為T0，此時(shí)防護(hù)門仍為打開狀態(tài)，如圖8所示。接收到傳感器1的信號(hào)后，控制系統(tǒng)給電磁閥加電，使4個(gè)氣缸同時(shí)供氣，推動(dòng)防護(hù)門關(guān)閉，防護(hù)門關(guān)閉到位后會(huì)觸發(fā)傳感器2，時(shí)刻為T1，此時(shí)防護(hù)門為關(guān)閉狀態(tài)，如圖9所示。2個(gè)傳感器的觸發(fā)時(shí)刻T0、T1之差即為整個(gè)防護(hù)門的關(guān)閉所用時(shí)間。

圖7 測(cè)試簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)原理Fig.7 Principle of Test Control System

圖8 防護(hù)關(guān)閉試驗(yàn)（打開狀態(tài)）Fig.8 Ptrotective Door Colsing Test(Open State)

圖9 防護(hù)關(guān)閉試驗(yàn)（關(guān)閉狀態(tài)）Fig.9 Ptrotective Door Colsing Test(Colsed State)

防護(hù)門關(guān)閉試驗(yàn)，累計(jì)次數(shù)1300余次。部分試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，總體上氣缸壓力越高，防護(hù)門關(guān)閉時(shí)間越短。壓力2.4 MPa左右時(shí)，防護(hù)門關(guān)閉時(shí)間約1.2 s，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 防護(hù)門關(guān)閉時(shí)間Fig.10 Closing Time of Protective Door

需要說明的是防護(hù)塔實(shí)際使用時(shí)的關(guān)閉壓力為4.5～5 MPa，高于本文試驗(yàn)壓力（考慮試驗(yàn)條件和安全性，5 MPa下關(guān)閉在出廠試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行），則實(shí)際關(guān)閉時(shí)間更短。

4 結(jié)束語

防護(hù)門關(guān)閉為火箭起飛，箭上接口與液氫加排連接器分離后的關(guān)鍵動(dòng)作，必須在很短的時(shí)間內(nèi)可靠完成。通過仿真計(jì)算分析，并經(jīng)驗(yàn)證，壓力2.4 MPa左右，防護(hù)門關(guān)閉時(shí)間約1.2 s，滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)合試驗(yàn)情況及任務(wù)考核等因素，本文的液氫防護(hù)塔局部設(shè)計(jì)可繼續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化，因其在中國(guó)首次使用，對(duì)今后重運(yùn)載及同類產(chǎn)品的研制具有借鑒意義。