重型火箭無人值守箭地氣液連接技術(shù)研究

王 南，吳新躍，李泳嶧，王 忻，肖士利

（1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

火箭箭地氣液連接器用于推進(jìn)劑的加注泄回、貯箱泄壓以及箭上用氣的輸送。在低溫推進(jìn)劑開始加注后，人員撤離現(xiàn)場(chǎng)，此時(shí)氣液連接器進(jìn)入無人值守狀態(tài)，連接器在后續(xù)的發(fā)射流程中必須可靠地自動(dòng)分離脫落。一旦火箭中止發(fā)射，需要泄回推進(jìn)劑，氣液連接器應(yīng)能自動(dòng)對(duì)接或保持鎖緊密封狀態(tài)。國外航天發(fā)展史上曾出現(xiàn)過多次與推進(jìn)劑加注、泄回過程有關(guān)的災(zāi)難性事故，造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。中國重型運(yùn)載火箭相比在役火箭，規(guī)模顯著增加，為滿足推進(jìn)劑加注要求，氣液連接器和加注管路的通徑必須相應(yīng)增大。同時(shí)，采用氣液接口組合方式后，箭地氣液連接器本身的規(guī)模也大幅增長(zhǎng)。上述因素均為箭地氣液接口的自動(dòng)連接和脫落帶來了困難。本文對(duì)國外重型火箭無人值守氣液連接技術(shù)進(jìn)行分析，提出適用于中國重型火箭的箭地氣液連接無人值守方案。

1 國外重型火箭箭地氣液連接情況

1.1 美 國

美國重型火箭主要包括土星V、航天飛機(jī)、戰(zhàn)神火箭、德爾塔重型以及Falcon重型。土星V火箭箭地氣液連接系統(tǒng)見圖1 及表1，德爾塔重型火箭以及戰(zhàn)神火箭的箭地氣液連接系統(tǒng)見圖2～3。箭地連接采用氣、液、電、機(jī)械一體化自動(dòng)對(duì)接與脫落的組合箭地連接技術(shù)［1-2］，火箭連接器組合設(shè)計(jì)將氣、液、電及空調(diào)管路等箭地接口組合到最少數(shù)量的組合板上，組合板通過一個(gè)臍帶裝置進(jìn)行對(duì)接脫落，實(shí)現(xiàn)快速對(duì)接、點(diǎn)火前自動(dòng)脫落。

圖3 戰(zhàn)神火箭連接器面板Fig.3 Connector of Ares

美國重型火箭箭地連接的主要特點(diǎn)如下：

a）美國重型火箭的發(fā)射區(qū)相對(duì)簡(jiǎn)化，氣液連接器轉(zhuǎn)場(chǎng)至發(fā)射區(qū)前完成連接和測(cè)試。

b）發(fā)射區(qū)勤務(wù)塔為非包圍型勤務(wù)塔，擺桿系統(tǒng)較為龐大，能夠容納連接器自動(dòng)對(duì)接裝置，人員可通過擺桿到達(dá)箭地接口附近。

c）一級(jí)或助推的低溫推進(jìn)劑加泄連接器位于火箭尾部，具備二次自動(dòng)對(duì)接功能。

d）二級(jí)及二級(jí)以上的火箭級(jí)多采用零秒脫落技術(shù)。

e）火箭點(diǎn)火后擺開或后倒的擺桿位于無助推側(cè)，火箭與擺桿及臍帶塔之間的安全距離相對(duì)較大，增加了火箭起飛初始段飛行的安全性。

f）箭地氣液接口多采用組合化方式，大通徑液路接口與多路供氣、電氣接口組合設(shè)計(jì)，連接器規(guī)模較大，均采用自動(dòng)對(duì)接裝置完成對(duì)接。

1.2 俄羅斯

俄羅斯的重型火箭主要為能源號(hào)、安加拉號(hào)。安加拉號(hào)火箭的箭地氣液連接系統(tǒng)如圖4所示。俄羅斯的火箭氣液連接采用全方位組合化方案，不僅在發(fā)射陣地采用組合化臍帶裝置，在技術(shù)測(cè)試陣地也采用組合化臍帶裝置。俄羅斯的火箭臍帶裝置在組合化陣列包括電氣及非燃性氣路管線組合化，包括各種電氣線路、非燃性供氣管路、增壓管、測(cè)壓管等。俄羅斯氣液連接器的工作模式有完全自動(dòng)對(duì)接和自動(dòng)脫落、遙控手動(dòng)對(duì)接和脫落。

圖4 安加拉火箭箭地連接Fig.4 Connector system of Angara

俄羅斯重型火箭箭地連接的主要特點(diǎn)如下：

a）俄羅斯火箭一般采用“三平”測(cè)發(fā)模式，火箭轉(zhuǎn)場(chǎng)后進(jìn)行箭地氣液連接；

b）發(fā)射區(qū)箭地氣液連接工作較多，發(fā)射區(qū)設(shè)置大型勤務(wù)塔架，便于人員到達(dá)火箭相應(yīng)部位，并對(duì)箭地氣液連接點(diǎn)進(jìn)行檢查；

c）采用組合化箭地氣液連接裝置，可以全自動(dòng)對(duì)接、脫落；

d）芯一級(jí)及助推的箭地氣液連接均位于火箭尾部，脫落后具備再次自動(dòng)對(duì)接能力；

e）芯二級(jí)箭地氣液連接器脫落一般為零秒脫落形式，采用擺桿輔助連接，擺桿一般位于火箭斜后方兩側(cè)。對(duì)于帶助推的火箭構(gòu)型，依靠火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)火箭進(jìn)行牽制，使擺桿在火箭起飛前擺動(dòng)至安全區(qū)域內(nèi)。

2 中國重型火箭無人值守測(cè)發(fā)流程對(duì)箭地氣液連接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求

2.1 中國重型火箭無人值守測(cè)發(fā)流程

中國重型火箭的芯級(jí)直徑較大，根據(jù)任務(wù)需求，火箭構(gòu)型包括三級(jí)、三級(jí)半以及通用芯級(jí)并聯(lián)等多種構(gòu)型［3］。重型火箭的測(cè)發(fā)模式在現(xiàn)有新一代火箭“三垂”測(cè)發(fā)模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化［4］，采用短距離移動(dòng)方案，簡(jiǎn)化發(fā)射區(qū)勤務(wù)系統(tǒng)，火箭在低溫推進(jìn)劑加注開始后進(jìn)入無人值守自動(dòng)發(fā)射流程?；鸺兄拱l(fā)射時(shí)，已脫落的箭地氣液連接接口自動(dòng)連接，未脫落的箭地氣液連接接口保持密封狀態(tài)，直至低溫推進(jìn)劑泄回，火箭完成搶險(xiǎn)處理。

2.2 測(cè)發(fā)流程對(duì)箭地氣液連接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求

根據(jù)測(cè)發(fā)流程，箭地氣液連接系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：

a）滿足低溫推進(jìn)劑無人值守加注及發(fā)射要求，具備火箭故障情況下無泄出低溫推進(jìn)劑；

b）統(tǒng)一供配氣，簡(jiǎn)化并減少箭地接口，采用集成化、組合化和自動(dòng)化設(shè)計(jì)；

c）減少連接器射前脫落動(dòng)作，提高發(fā)射可靠性；

d）降低人員操作難度，技術(shù)區(qū)的箭地氣液接口連接采用自動(dòng)化手段。

3 中國重型火箭箭地連接總體方案技術(shù)分析

根據(jù)國內(nèi)外火箭箭地連接方案特點(diǎn)，按照集中化、組合化和自動(dòng)化的原則開展箭地接口總體方案設(shè)計(jì)。

a）由于發(fā)射區(qū)采用簡(jiǎn)易勤務(wù)系統(tǒng)，無全封閉式工作平臺(tái)，低溫氧氣以及煤油蒸氣在加注及發(fā)射流程時(shí)直接排大氣，取消各火箭級(jí)液氧氧排連接器以及煤油排氣連接器。技術(shù)區(qū)可采用簡(jiǎn)易接口完成安全排氣需求。

b）重型火箭加泄及排氣活門通徑較大，箭地氣液連接器規(guī)模較在役火箭氣液連接器顯著增大，在技術(shù)區(qū)采用自動(dòng)連接裝置，完成箭地氣液接口連接及檢測(cè)。

c）盡量減少擺桿和對(duì)接脫落裝置的數(shù)量，對(duì)接脫落芯一級(jí)以上的火箭級(jí)，對(duì)氣液連接器采用組合化方案。根據(jù)推進(jìn)劑加泄時(shí)序以及供氣時(shí)機(jī)進(jìn)行氣液組合設(shè)計(jì)，零秒脫落的液路連接器與零秒氣路進(jìn)行組合，火箭中止發(fā)射后，不再使用的供氣氣路和提前脫落的液路連接器組合。

d）盡量減少箭地低溫液路接口連接數(shù)量，優(yōu)化接口位置布局。芯級(jí)氫箱兩個(gè)對(duì)稱的排氣閥在射前加注階段僅開啟一個(gè)，用于地面排氣，另一個(gè)排氣閥保持氦氣吹除，防止倒吸凍結(jié)。

e）減少地面供氣管路，各芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)和箭上用氣采用統(tǒng)一供配氣方案，將用氣壓力等級(jí)統(tǒng)一為35 MPa、23 MPa、5 MPa 和2.5 MPa 四個(gè)等級(jí)。取消氣管連接器，所有氣路進(jìn)入可零秒脫落的氣路組合連接器，避免冷氦氣路脫落后再次對(duì)接時(shí)密封可靠度低的問題。高壓氣路在火箭起飛前停止供氣，減小連接器脫落難度。

f）電氣系統(tǒng)采用無線測(cè)試方案，取消電脫拔物理連接。在助推、芯一級(jí)尾段分別設(shè)置磁耦合箭地?zé)o線供電接口，在芯一級(jí)以上的火箭級(jí)分別設(shè)置箭地激光無線供電和雙向無線通信接口。

4 箭地氣液接口連接技術(shù)分析

箭地氣液接口方案分析主要針對(duì)無人值守要求下的氣液連接器對(duì)接脫落方式開展。對(duì)于“三垂”測(cè)發(fā)模式，氣液連接器在技術(shù)區(qū)已完成連接和測(cè)試，火箭轉(zhuǎn)場(chǎng)至發(fā)射區(qū)后，氣液連接器保持連接狀態(tài)，加注低溫推進(jìn)劑時(shí)發(fā)射區(qū)現(xiàn)場(chǎng)無人值守，在射前流程按照規(guī)定的時(shí)刻遠(yuǎn)控脫落。在中止發(fā)射時(shí)，氣液連接器可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)控自動(dòng)對(duì)接或保持密封狀態(tài)并進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，完成低溫推進(jìn)劑的泄回或補(bǔ)加。

可以實(shí)現(xiàn)上述功能的箭地氣液接口方案主要包括零秒脫落和自動(dòng)對(duì)接兩類。對(duì)兩類氣液連接方案以現(xiàn)有型號(hào)的需求開展了原理樣機(jī)的研制和試驗(yàn)。

4.1 自動(dòng)對(duì)接箭地氣液接口技術(shù)

自動(dòng)對(duì)接箭地氣液連接系統(tǒng)主要由擺桿、自動(dòng)對(duì)接裝置、組合氣液連接器組成，其中自動(dòng)對(duì)接裝置由控制和柔性環(huán)節(jié)機(jī)械導(dǎo)向等部分組成。

氣液連接器在進(jìn)行自動(dòng)對(duì)接時(shí)，安裝于擺桿上的自動(dòng)對(duì)接裝置機(jī)構(gòu)與箭上接口均在持續(xù)晃動(dòng)。由于無全包圍的回轉(zhuǎn)平臺(tái)，加滿推進(jìn)劑的重型火箭在地面20 m/s 的風(fēng)速下，高空活門處的晃動(dòng)量預(yù)計(jì)能達(dá)到±300～±400 mm，擺桿上的自動(dòng)對(duì)接裝置機(jī)構(gòu)的晃動(dòng)量預(yù)計(jì)能達(dá)到±100 mm。檢測(cè)系統(tǒng)需對(duì)箭上接口進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)，與傳統(tǒng)的靜態(tài)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)相比難度明顯增加，且對(duì)接場(chǎng)合存在低溫、水汽、霧氣等不利環(huán)境因素，給動(dòng)態(tài)檢測(cè)帶來很大的困難。

自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，其控制系統(tǒng)原理如圖5所示。將連接器與箭上接口的位置偏差反饋至控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)、機(jī)械調(diào)整跟隨系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接器對(duì)箭上接口的實(shí)時(shí)跟蹤隨動(dòng)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控連接器與箭上接口的作用力。減小跟蹤誤差是氣液連接器順利對(duì)接以及保持姿態(tài)的關(guān)鍵因素。系統(tǒng)跟蹤誤差仿真結(jié)果見圖6。

圖5 自動(dòng)對(duì)接控制系統(tǒng)原理Fig.5 Schematic of automatic connecting control system

圖6 系統(tǒng)跟蹤誤差仿真結(jié)果Fig.6 System tracking error simulation result

目前針對(duì)重型運(yùn)載火箭的氣液連接器自動(dòng)對(duì)接技術(shù)已經(jīng)開展了多輪原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)、試制和試驗(yàn)工作。在模擬風(fēng)載情況下，氣液連接器動(dòng)態(tài)自動(dòng)對(duì)接的最大跟蹤速度滿足箭體晃動(dòng)需求。自動(dòng)對(duì)接箭地氣液連接低溫試驗(yàn)見圖7。

圖7 自動(dòng)對(duì)接箭地氣液連接低溫試驗(yàn)Fig.7 Test for automatic connecting system

為避免箭地連接器脫落后再次對(duì)接時(shí)引入多余物，保證接口的密封性，對(duì)箭地接口除冰和防冰技術(shù)開展研究，技術(shù)途徑主要包括氣封吹除、非金屬材料的選擇等。

自動(dòng)對(duì)接箭地氣液連接真正在工程上應(yīng)用，還需要結(jié)合擺桿、箭上動(dòng)力系統(tǒng)開展系統(tǒng)性分析研究，開展箭地連接接口一體化設(shè)計(jì)，合理設(shè)置氣液連接接口位置［5］，降低對(duì)火箭風(fēng)載下的姿態(tài)動(dòng)態(tài)跟蹤難度，提高自動(dòng)對(duì)接箭地氣液連接器對(duì)發(fā)射環(huán)境的適應(yīng)性。

4.2 零秒脫落箭地氣液連接技術(shù)

零秒脫落箭地氣液連接是指火箭點(diǎn)火起飛后完成脫落的氣液連接器。其包括火箭底部的氣路插拔組合連接接口以及尾部和高空的液路連接接口。本文主要討論液路連接接口。零秒脫落箭地氣液連接系統(tǒng)主要由低溫軟管、氣液組合連接器、脫落機(jī)構(gòu)、鎖緊密封機(jī)構(gòu)等組成。

中國在役運(yùn)載火箭已經(jīng)使用的液路零秒脫落連接器為氫緊急排氣連接器。氫緊急排氣連接器在火箭正常發(fā)射流程下無推進(jìn)劑流通，中止發(fā)射后具備氫箱泄壓排氣以及液氫燃料緊急泄回功能。氫緊急排氣連接器在火箭起飛一定距離后依靠懸索強(qiáng)制拉脫脫落［6］。

為保證脫落可靠性，零秒脫落氣液連接器一般采用多重冗余脫落機(jī)構(gòu)?；鸺c(diǎn)火后，根據(jù)總體時(shí)序給出連接器脫落信號(hào)，鎖緊機(jī)構(gòu)解鎖，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)脫落；與此同時(shí)設(shè)置緊急脫落機(jī)構(gòu)，在時(shí)序信號(hào)下，緊急脫落機(jī)構(gòu)解鎖；在前兩種解鎖方案均失效情況下，隨火箭上升對(duì)連接器強(qiáng)制脫落。連接器脫落后通過擺索的限制使連接器進(jìn)行鐘擺運(yùn)動(dòng)，限制其運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)在防回彈彈簧的作用下彈射分離，遠(yuǎn)離箭體。

零秒脫落連接器的鎖緊機(jī)構(gòu)一般采用單點(diǎn)設(shè)計(jì)，避免多點(diǎn)解鎖動(dòng)作不同步引起解鎖時(shí)的機(jī)構(gòu)卡滯。在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮推進(jìn)劑加注時(shí)的密封力、懸垂軟管張力、強(qiáng)制拉斷力等載荷。

重型火箭零秒脫落連接器采用氣液組合接口，連接器液路通徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在役運(yùn)載火箭。同時(shí)氣液連接器在火箭正常射前流程下需具備低溫推進(jìn)劑加注功能，為保證低蒸發(fā)量，氣液連接器以及連接器后部與加注系統(tǒng)的連接軟管均采用真空絕熱設(shè)計(jì)。大口徑的液路和組合的高壓氣路使得密封力、懸垂軟管張力、強(qiáng)制拉斷力等載荷大幅增加，這些載荷會(huì)通過箭地氣液連接器支撐點(diǎn)全部傳遞到火箭上，火箭局部載荷較大。

根據(jù)重型火箭現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，分析計(jì)算了零秒脫落氣液連接器的相關(guān)載荷條件，如表2～4所示。

表2 密封載荷Tab.2 Connector seal load

表3 氣路對(duì)箭上球頭反作用力Tab.3 Air path force of connector

表4 低溫軟管張力Tab.4 Cryogenic hose tension

目前針對(duì)重型火箭的大口徑氣液組合連接器的零秒脫落技術(shù)開展了多輪原理樣機(jī)的研制工作。以液路通徑DN150、組合多路高壓氣路為設(shè)計(jì)條件，選用自平衡氣路連接接頭，零秒脫落連接器完成了低溫條件下帶載主動(dòng)脫落和非帶載主動(dòng)脫落的性能試驗(yàn)，解鎖力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。零秒脫落箭地氣液連接低溫試驗(yàn)見圖8。

圖8 零秒脫落箭地氣液連接低溫試驗(yàn)Fig.8 Test for T0-separation connecting system

4.3 重型火箭自動(dòng)對(duì)接與零秒脫落箭地氣液連接技術(shù)對(duì)比分析

采用自動(dòng)對(duì)接箭地氣液連接技術(shù)或零秒脫落箭地氣液連接技術(shù)，其主要目的均為實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑加注發(fā)射正常流程、中止發(fā)射流程和緊急關(guān)機(jī)流程的無人值守目標(biāo)，尤其是中止發(fā)射流程和緊急關(guān)機(jī)流程的無人值守。因此，箭地接口方案的可靠性和安全性尤為重要。

結(jié)合中國重型火箭特點(diǎn)以及國外重型火箭箭地氣液連接情況，從對(duì)射前流程的影響、對(duì)火箭的要求、對(duì)發(fā)射可靠性安全性的影響以及操作使用性方面對(duì)兩類技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

a）自動(dòng)對(duì)接氣液連接器在完成與火箭的對(duì)接后，自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)一般采用被動(dòng)跟隨火箭運(yùn)動(dòng)的技術(shù)方案，氣液連接器的固定機(jī)構(gòu)與氣液連接器為分離的狀態(tài)，完成射前氣液連接器脫落工作的主要?jiǎng)幼魅缦拢涸俅蝿?dòng)態(tài)跟蹤箭體姿態(tài)→氣液連接器的固定機(jī)構(gòu)再次連接氣液連接器→氣液連接器解鎖脫落→擺桿擺開。零秒脫落方案中，氣液連接器始終保持接口密封狀態(tài)，氣液連接器脫落主要?jiǎng)幼鳛殒i緊機(jī)構(gòu)解鎖，如零秒連接器架設(shè)在擺桿上，則需要增加擺桿擺開的動(dòng)作。從連接器脫落流程的復(fù)雜度上來說，零秒脫落的動(dòng)作相對(duì)較少，但零秒脫落的動(dòng)作時(shí)刻為火箭起飛后，因此對(duì)脫落動(dòng)作的速度要求較高，需要在3 s 內(nèi)完成全部動(dòng)作，可靠性要求較高。

b）自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)具有柔性環(huán)節(jié)，在自動(dòng)對(duì)接過程中，柔性環(huán)節(jié)可盡量減小對(duì)箭體的附加載荷，自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)箭體的附加載荷不超過10 000 N。通介質(zhì)情況下，考慮低溫軟管張力、低溫介質(zhì)和氣路介質(zhì)密封力以及風(fēng)載及管路晃動(dòng)等因素，零秒脫落氣液連接系統(tǒng)設(shè)置的強(qiáng)制拉斷載荷應(yīng)大于上述載荷之和。根據(jù)第4.2 節(jié)的分析，這些載荷形成附加載荷，作用在火箭對(duì)接接口附近，對(duì)于重型火箭氣液連接器的規(guī)模，附加載荷不小于100 000 N。

c）自動(dòng)對(duì)接過程特別是二次自動(dòng)對(duì)接過程中，火箭和地面兩側(cè)的接口都應(yīng)無冰、霜等多余物，以保證在對(duì)接過程中不引入多余物。由于零秒對(duì)接氣液連接器在火箭起飛前一直保持密封連接，不存在引入多余物的風(fēng)險(xiǎn)。但對(duì)于兩種氣液連接器，為保證可靠脫落，在氣液連接器與火箭保持連接的過程中，連接部位均應(yīng)保持無結(jié)冰狀態(tài)。

d）自動(dòng)對(duì)接氣液連接系統(tǒng)架設(shè)在擺桿上，按照現(xiàn)有重型火箭方案，滿足芯二級(jí)和芯三級(jí)兩種低溫推進(jìn)劑泄回功能，需要使用4 套自動(dòng)對(duì)接氣液連接器，因此擺桿至少應(yīng)具備4套?？紤]到提前脫落而不再需要對(duì)接的液路連接器的設(shè)置，芯二級(jí)和芯三級(jí)仍需要設(shè)置擺桿。因此重型火箭的自動(dòng)對(duì)接氣液連接系統(tǒng)需要在活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)臍帶塔上設(shè)置6根擺桿。為減小自動(dòng)對(duì)接過程中的擺桿晃動(dòng)量，擺桿應(yīng)具有較高的剛度，按照芯三級(jí)箭地氣液連接接口的高度，擺桿在地面風(fēng)速20 m/s下，晃動(dòng)量應(yīng)盡量減小。綜合前端自動(dòng)對(duì)接氣液連接器集中載荷、低溫管路敷設(shè)、人員通行以及承受發(fā)射過程中的燃?xì)饬鞯雀鞣N載荷，擺桿規(guī)模較大。

e）零秒脫落氣液連接器可按照無零秒擺桿輔助擺開方案設(shè)計(jì)，但對(duì)于故障狀態(tài)下箭地氣液連接位置的維護(hù)和檢測(cè)，需要人員可達(dá)，仍需要配備具備人員通行功能的輔助擺桿，其數(shù)量與零秒氣液連接器的數(shù)量相同。因此在擺桿數(shù)量上與自動(dòng)對(duì)接氣液連接器方案相同。對(duì)于采用零秒擺開輔助擺桿的零秒脫落氣液連接器，需考慮擺桿的擺開時(shí)間，根據(jù)美國和俄羅斯重型火箭零秒擺桿的設(shè)置位置，應(yīng)使擺桿位于不影響火箭起飛的空間內(nèi)，擺動(dòng)方向與火箭起飛方向相同，同時(shí)增加火箭在活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上的系留時(shí)間，保證擺桿可以可靠擺開。

f）對(duì)于兩類方式的氣液連接器本身，自動(dòng)對(duì)接氣液連接器采用多點(diǎn)鎖緊。鎖緊狀態(tài)下，多個(gè)鎖緊點(diǎn)為并聯(lián)型可靠性模型，某一點(diǎn)失效不影響其密封性能。而脫落時(shí)多個(gè)鎖緊點(diǎn)變?yōu)榇?lián)型可靠性模型，某一點(diǎn)失效則連接器脫落失效。因此自動(dòng)對(duì)接氣液連接器需要對(duì)提高單個(gè)鎖緊機(jī)構(gòu)的解鎖可靠性開展技術(shù)攻關(guān)。零秒脫落氣液連接器采用單套鎖緊脫落機(jī)構(gòu)，鎖緊狀態(tài)的可靠保持，需要單套鎖緊機(jī)構(gòu)提供足夠大的載荷，而且不能誤解鎖。解鎖狀態(tài)下，零秒脫落氣液連接器是通過多重系統(tǒng)冗余解鎖方案實(shí)現(xiàn)可靠解鎖，單套鎖緊機(jī)構(gòu)失效，仍可進(jìn)行強(qiáng)制解鎖。因此對(duì)于零秒脫落氣液連接器的攻關(guān)重點(diǎn)在于小空間小質(zhì)量下高承載的鎖緊機(jī)構(gòu)。

g）對(duì)于重型火箭，由于氣液連接器口徑較大，其自身規(guī)模相比在役火箭的氣液連接器增加較多，兩類連接器無論在技術(shù)區(qū)還是在發(fā)射區(qū)，均需要使用自動(dòng)化的對(duì)接裝置，區(qū)別在于，零秒脫落氣液連接器的對(duì)接裝置可僅在技術(shù)區(qū)使用，不需要具有無人值守功能。

4.4 重型火箭的箭地氣液連接方案

綜合考慮箭上動(dòng)力系統(tǒng)方案、自動(dòng)對(duì)接氣液連接器和零秒脫落氣液連接器難度和風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)參考在研和在役火箭箭地接口方案，在滿足低溫加注開始無人值守的要求下，按照簡(jiǎn)化射前流程和箭地接口集成化、組合化的原則，提出如下重型火箭的箭地氣液連接方案：

a）所有獨(dú)立的氣路連接器均采用零秒脫落方式，位于箭體中部的零秒氣路連接器盡量為低壓氣路連接器，減小高空氣路零秒氣路的技術(shù)難度。

b）一級(jí)和助推器煤油加泄連接器提前脫落，設(shè)置在箭體尾段。

c）一級(jí)和助推器氧加連接器采用自動(dòng)對(duì)接方案，設(shè)置在箭體底部，點(diǎn)火前3 min 脫落。氣液連接器與火箭連接的位置設(shè)計(jì)局部封閉環(huán)境，低溫推進(jìn)劑開始加注后至火箭起飛，該局部封閉環(huán)境保持正壓氮?dú)鈿夥?，避免潮濕空氣進(jìn)入導(dǎo)致連接接口結(jié)冰。

d）芯二級(jí)和芯三級(jí)液氧加泄連接器采用自動(dòng)對(duì)接氣液連接器方案，具備二次自動(dòng)對(duì)接功能，-3 min脫落。芯二級(jí)和芯三級(jí)完成液氧加注后，加注閥門關(guān)閉，排空加注閥至箭地連接處之間管路的液氧，避免連接部位有持續(xù)的冷源存在。氣液連接器脫落后，連接器對(duì)接部位以及箭上對(duì)接部位均需要采用正壓氣封等措施避免連接部位結(jié)冰。

e）芯二級(jí)和芯三級(jí)液氫加注連接器和液氫排氣連接器受動(dòng)力系統(tǒng)方案影響較大，需合理設(shè)置液氫泄回通路以及液氫緊急泄回通路。根據(jù)在役型號(hào)的研制經(jīng)驗(yàn)，液氫加注連接器距離液氫加注閥較近，有持續(xù)的冷源影響，結(jié)冰現(xiàn)象相對(duì)液氫排氣連接器嚴(yán)重，不利于作為脫落后再次對(duì)接的氣液連接器。

f）若考慮推遲發(fā)射后低溫推進(jìn)劑補(bǔ)加和泄回兩種需求，液氫加注連接器可采用零秒脫落方案，液氫排氣連接器點(diǎn)火前3 min 脫落，脫落后不再對(duì)接。同時(shí)設(shè)置零秒脫落的液氫緊急排氣連接器，作為中止發(fā)射后氫箱泄壓的排氣出口。由于芯二級(jí)液氫加注口較低，在助推器頭錐頂點(diǎn)以下，不適合采用零秒擺開的輔助擺桿，因此液氫加注連接器的管路采用臍帶塔至火箭的懸垂方案。

g）若不再考慮推遲發(fā)射后低溫推進(jìn)劑的補(bǔ)加，僅滿足低溫推進(jìn)劑泄回的需求，泄回通路為在貯箱增壓后經(jīng)由液氫排氣連接器泄回，則液氫加注連接器點(diǎn)火前3 min 脫落，脫落后不再對(duì)接。液氫排氣連接器采用自動(dòng)對(duì)接方案，點(diǎn)火前3 min 脫落后具備中止發(fā)射后的再次對(duì)接功能。類似于液氧加泄連接器，脫落后，液氫排氣連接器對(duì)接部位以及箭上對(duì)接部位均需要采用正壓氣封等措施避免連接部位結(jié)冰。

5 結(jié)束語

目前，對(duì)于運(yùn)載火箭發(fā)射流程無人值守的需求越來越迫切。本文通過對(duì)國外重型火箭箭地氣液連接方式的分析，結(jié)合中國氣液連接器自動(dòng)對(duì)接和零秒脫落兩類技術(shù)的研究現(xiàn)狀，提出了滿足中國重型火箭無人值守需求的箭地氣液連接方案。無論自動(dòng)對(duì)接方案還是零秒脫落方案，真正實(shí)現(xiàn)在型號(hào)上的工程化應(yīng)用還需要根據(jù)中國重型火箭的測(cè)發(fā)模式及火箭總體方案、動(dòng)力系統(tǒng)方案開展深入研究。