運(yùn)載火箭連接器零秒脫落及防護(hù)裝置

□ 武凱日 □ 趙立喬

1.浙江藍(lán)箭航天空間科技有限公司上海分公司 上海 201109 2.藍(lán)箭航天空間科技股份有限公司 北京 100176

1 研制背景

在航天發(fā)射領(lǐng)域,對于使用低溫推進(jìn)劑的運(yùn)載火箭,地面發(fā)射支持系統(tǒng)要滿足火箭點(diǎn)火前用氣、推進(jìn)劑補(bǔ)加,以及緊急關(guān)機(jī)后推進(jìn)劑泄回的需求。液體運(yùn)載火箭推進(jìn)劑具有易燃易爆的特點(diǎn),從推進(jìn)劑加注開始,發(fā)射火箭塔架周圍區(qū)域面臨較大的安全風(fēng)險(xiǎn)[1]。為保障人員安全,在推進(jìn)劑開始加注后,不再安排人員進(jìn)入發(fā)射區(qū)。針對上述情況,筆者以高可靠、高安全、低成本為原則,研制了一種運(yùn)載火箭連接器零秒脫落及防護(hù)裝置。

這一裝置具備連接器零秒脫落、發(fā)射區(qū)無人值守的功能,在火箭發(fā)動機(jī)緊急關(guān)機(jī)后,還具有將推進(jìn)劑泄回的能力[2]。連接器零秒脫落技術(shù)的應(yīng)用,使朱雀二號運(yùn)載火箭首次從根本上實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)液體火箭自推進(jìn)劑開始加注后不需要人員值守的目標(biāo),消除了火箭推遲或終止發(fā)射后需要操作人員重新對接連接器的安全隱患,徹底解決了操作人員在易燃易爆環(huán)境下作業(yè)的安全問題。

2 裝置布置

根據(jù)火箭上的連接器分布位置,設(shè)置大、小兩個(gè)裝置,主要對在裝置上的各個(gè)連接器進(jìn)行防護(hù)。裝置設(shè)置在發(fā)射臺上,裝置布置如圖1所示。大裝置內(nèi)有四個(gè)連接器,分別為一個(gè)氣體連接器和三個(gè)低溫連接器,小裝置內(nèi)有一個(gè)氣體連接器。

圖1 裝置布置

3 工作原理

火箭點(diǎn)火后,裝置接收到火箭起飛觸點(diǎn)信號開始動作,按順序完成連接器的分離、回收。隨著火箭的不斷升高,裝置還必須在火箭發(fā)動機(jī)尾焰到來之前完成對連接器的防護(hù)。位于火箭箭體底部的兩個(gè)氣體連接器,與火箭發(fā)動機(jī)噴管的距離最短。因此留給這兩個(gè)氣體連接器的防護(hù)時(shí)間最短。根據(jù)火箭起飛時(shí)間與高度曲線,火箭發(fā)動機(jī)噴管下沿到達(dá)裝置翻轉(zhuǎn)門框下沿的時(shí)間為1.25 s,考慮到火箭起飛觸點(diǎn)信號在火箭點(diǎn)火后會延遲發(fā)出,由此規(guī)定對氣體連接器的防護(hù)動作必須在0.8 s內(nèi)完成。

4 連接器防護(hù)機(jī)構(gòu)

各個(gè)連接器所在位置的運(yùn)動機(jī)構(gòu)采取模塊化、通用化設(shè)計(jì)。以小裝置內(nèi)氣體連接器防護(hù)機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行說明,結(jié)構(gòu)如圖2所示。防護(hù)機(jī)構(gòu)主要包括翻轉(zhuǎn)門、翻轉(zhuǎn)門氣缸、滑架、滑架氣缸,以及供配氣系統(tǒng)等。考慮到火箭加注過程中發(fā)生推進(jìn)劑泄漏極易形成易燃易爆環(huán)境,從安全性角度出發(fā),同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性,充分利用發(fā)射場現(xiàn)有的氣源設(shè)施,裝置采用氣動驅(qū)動方式[3]。

圖2 小裝置內(nèi)氣體連接器防護(hù)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

當(dāng)火箭豎起并與發(fā)射臺固定后,通過供配氣組件向裝置內(nèi)相應(yīng)氣缸供氣,將翻轉(zhuǎn)門打開,使滑架推出,然后手動完成連接器與火箭箭體的對接。

為了實(shí)現(xiàn)防護(hù)機(jī)構(gòu)快速動作,在裝置內(nèi)設(shè)置蓄壓器,使氣源盡量靠近氣缸,實(shí)現(xiàn)氣缸內(nèi)快速建壓,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連接器快速回收,同時(shí)對滑架氣缸進(jìn)行冗余設(shè)置。

供配氣系統(tǒng)氣路原理如圖3所示。在滑架電磁閥V13、V14得電后,滑架氣缸帶動滑架向塔內(nèi)運(yùn)動?；芘c連接器及解鎖機(jī)構(gòu)相連,在滑架的作用下,連接器按順序?qū)崿F(xiàn)解鎖分離及回收動作。滑架回收到位后,觸發(fā)翻轉(zhuǎn)門電磁閥V21得電,翻轉(zhuǎn)門氣缸帶動翻轉(zhuǎn)門實(shí)現(xiàn)關(guān)閉動作。另一方面,翻轉(zhuǎn)門也可以依靠自身重力完成關(guān)閉動作。

圖3 供配氣系統(tǒng)氣路原理

5 選型仿真

為滿足防護(hù)機(jī)構(gòu)動作的快速性要求,對滑架氣缸的缸徑、行程,以及電磁閥的通徑、打開時(shí)間進(jìn)行選型。對蓄壓器容積進(jìn)行理論計(jì)算,并結(jié)合現(xiàn)有產(chǎn)品,選擇250 L蓄壓器。主要器件及參數(shù)選定后,進(jìn)行氣路仿真,目的是通過系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間來初步確定氣缸的供氣壓力。

在蓄壓器0.7 MPa、0.6 MPa、0.5 MPa三種不同壓力下,針對單氣缸作用進(jìn)行仿真,如圖4所示。仿真過程中,控制信號延遲0.1 s來模擬電磁閥延遲打開時(shí)間。仿真結(jié)果顯示,隨著蓄壓器壓力的減小,滑架氣缸缸桿完全縮回所用時(shí)間略有增加,但都在0.2 s以內(nèi)完成。單氣缸缸桿行程時(shí)間關(guān)系如圖5所示。經(jīng)過理論計(jì)算,翻轉(zhuǎn)門關(guān)閉時(shí)間為0.365 s,因此連接器回收及防護(hù)的整個(gè)時(shí)間為0.565 s,短于0.8 s,確認(rèn)滿足任務(wù)要求。

圖4 單氣缸作用仿真

圖5 單氣缸缸桿行程時(shí)間關(guān)系

在蓄壓器壓力為0.7 MPa的情況下,對真實(shí)工況下雙氣缸作用的回收時(shí)間進(jìn)行仿真,如圖6所示。雙氣缸缸桿行程時(shí)間關(guān)系如圖7所示,可見回收時(shí)間也在0.2 s以內(nèi),與單氣缸作用下的回收時(shí)間基本相同。裝置采取雙氣缸冗余設(shè)計(jì)方案,即使其中一個(gè)滑架氣缸因故障而無法收回,另外一個(gè)滑架氣缸也可單獨(dú)完成滑架的收回動作,并且不影響收回時(shí)間。

圖6 雙氣缸作用仿真

圖7 雙氣缸缸桿行程時(shí)間關(guān)系

6 電磁閥振動試驗(yàn)

火箭發(fā)射過程中,發(fā)動機(jī)會給周邊設(shè)備、設(shè)施帶來巨大振動。當(dāng)周邊設(shè)備、設(shè)施受到一定程度的振動沖擊時(shí),可能會引發(fā)共振、損傷等問題,甚至出現(xiàn)超過極限承受能力而致導(dǎo)工作異常的情況[4]。電磁閥作為供配氣系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件,存在打不開和關(guān)不上的故障情況。當(dāng)電磁閥打不開時(shí),供配氣系統(tǒng)無法驅(qū)動滑架氣缸動作,會造成連接器無法脫落的故障。當(dāng)電磁閥關(guān)不上時(shí),驅(qū)動氣源會在未受控的情況下進(jìn)入氣缸做動腔,使連接器意外脫落。另一方面,為節(jié)約研制經(jīng)費(fèi),縮短研制周期,供配氣系統(tǒng)中的電磁閥選用民用產(chǎn)品,電磁閥沒有經(jīng)歷過振動試驗(yàn)考核。

基于上述原因,設(shè)計(jì)了振動試驗(yàn)設(shè)施,用于對電磁閥及供配氣系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。電磁閥振動試驗(yàn)的原理如圖8所示。

圖8 電磁閥振動試驗(yàn)原理

氣源提供0.7 MPa氣體至電磁閥進(jìn)口處。手動截止閥打開一定開度,保證管路有一定壓力,并使水槽內(nèi)有氣泡逸出即可。按正弦掃描振動試驗(yàn)條件、隨機(jī)振動試驗(yàn)條件對電磁閥的三個(gè)相互垂直的方向進(jìn)行正弦振動試驗(yàn)和隨機(jī)振動試驗(yàn)。試驗(yàn)條件見表1～表3,正弦掃描振動試驗(yàn)掃描速率均為每分鐘兩分鐘頻程,g為重力加速度。電磁閥按X、Y、Z三個(gè)方向振動,振動試驗(yàn)按驗(yàn)收級與鑒定級分別進(jìn)行。各級試驗(yàn)分別按照X、Y、Z三個(gè)方向進(jìn)行,每個(gè)方向包括正弦掃描振動與隨機(jī)振動。正弦掃描振動驗(yàn)收級試驗(yàn)一個(gè)循環(huán)完成后,再進(jìn)入隨機(jī)振動驗(yàn)收級試驗(yàn),共進(jìn)行五次全循環(huán)。正弦掃描振動鑒定級試驗(yàn)一個(gè)循環(huán)完成后,再進(jìn)入隨機(jī)振動鑒定級試驗(yàn),同樣共進(jìn)行五次全循環(huán)。

表1 Z方向正弦掃描振動試驗(yàn)條件

表2 X、Y方向正弦掃描振動試驗(yàn)條件

表3 隨機(jī)振動試驗(yàn)條件

電磁閥振動試驗(yàn)過程中,在未通電情況下應(yīng)可靠關(guān)閉,壓力傳感器在精度范圍以內(nèi)無壓力輸出,水槽內(nèi)無氣泡逸出。

在通電情況下應(yīng)打開順暢,壓力傳感器有壓力輸出,水槽內(nèi)有氣泡逸出。

電磁閥每個(gè)方向振動試驗(yàn)結(jié)束之后,檢查電磁閥是否能夠正常使用,并確認(rèn)試驗(yàn)設(shè)備各連接部位的緊固情況。

電磁閥振動試驗(yàn)表明,供配氣系統(tǒng)在振動環(huán)境下能可靠工作,不發(fā)生泄漏,電磁閥可正常打開和關(guān)閉。

7 防護(hù)機(jī)構(gòu)動作時(shí)間試驗(yàn)

為了進(jìn)行防護(hù)機(jī)構(gòu)動作時(shí)間試驗(yàn),設(shè)計(jì)電控柜、試驗(yàn)軟件、試驗(yàn)工裝。試驗(yàn)工裝的作用是提供連接器的對接位置,電控柜的作用是向電磁閥供電,接收接近開關(guān)的信號。

試驗(yàn)軟件界面如圖9所示?；厥占胺雷o(hù)時(shí)間為滑架電磁閥通電至翻轉(zhuǎn)門關(guān)閉到位的時(shí)間,翻轉(zhuǎn)門關(guān)閉到位信號通過翻轉(zhuǎn)門處的接近開關(guān)得到。小裝置氣體連接器回收試驗(yàn)現(xiàn)場情況如圖10所示。首先將氣體連接器與試驗(yàn)工裝對接,然后滑架電磁閥得電并移動,使氣體連接器分離?；芑厥盏轿缓?觸發(fā)翻轉(zhuǎn)門電磁閥得電,最后翻轉(zhuǎn)門關(guān)閉,完成整個(gè)防護(hù)動作。

圖9 試驗(yàn)軟件界面

圖10 小裝置氣體連接器回收試驗(yàn)現(xiàn)場

8 結(jié)束語

所研制的運(yùn)載火箭連接器零秒脫落及防護(hù)裝置具有較好的環(huán)境適應(yīng)性、保障性,同時(shí)還具備較好的經(jīng)濟(jì)性,在氣路、電路、滑架氣缸、翻轉(zhuǎn)門關(guān)閉方式上均采取冗余設(shè)計(jì),不存在Ⅰ、Ⅱ類單點(diǎn)故障,具備較高的可靠性,使朱雀二號運(yùn)載火箭發(fā)射任務(wù)圓滿完成[5]。裝置滿足運(yùn)載火箭發(fā)射的使用需求,在進(jìn)行簡單的狀態(tài)檢查后,即可投入下次任務(wù)使用,具備快速恢復(fù)能力。