自适应起飞脱落的支撑式插拔连接器系统

王爱伟，刘忠明，胡亚涛，王建秋，王凤金

自适应起飞脱落的支撑式插拔连接器系统

王爱伟，刘忠明，胡亚涛，王建秋，王凤金

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

介绍一种自适应起飞脱落的支撑式插拔连接器系统，由可供气带载分离的气路插拔组合连接器及可自适应运动位置调整的支撑装置组成。该插拔连接器系统具有脱落时与箭上接口无机械解锁动作，脱落可靠性高等特点。研究表明：其平衡式接头能够降低连接器对接脱落时的供气分离力，支撑装置可实现连接器对接及脱落前后的上下、水平随动和滚转及一定角度的俯仰调整功能。

支撑式；插拔连接器；支撑装置；自适应调整

0 引 言

气路插拔组合连接器（以下简称“插拔连接器”）是运载火箭箭地接口气液连接器[1～4]关键设备之一，它需要在火箭点火后保持对接、持续供气，起飞一定高度后确认发射流程不可逆时才能进行脱落，并且在火箭点火后紧急关机终止发射时能够保持对接、密封，进行应急安全处理。这要求插拔连接器在多路供气带载工况下，火箭起飞一定高度才进行可靠脱落，同时必须适应火箭点火起飞、漂移、滚转运动以及振动条件等复杂发射环境工况。连接器脱落时火箭发射流程已不能终止，若存在不能脱落分离故障模式隐患，则可能造成箭体损伤甚至火箭爆炸等事故。

插拔连接器必须可靠脱落，为解决供气带载起飞漂移脱落需求，目前已提出一种平衡式接头结构的中心球锁插拔连接器[5]，然而中心球锁插拔连接器在脱落时存在球锁机械解锁动作，同时插拔连接器带载脱落及箭体的漂移会引起连接器的翘动、存在插头卡滞不能脱落分离的故障模式，为提高插拔连接器的脱落可

靠性，在平衡式接头中心球锁插拔连接器的基础上，提出取消中心球锁结构、直接脱拔分离的自适应起飞脱落的支撑式插拔连接器系统（以下简称“支撑式插拔连接器”）。支撑式插拔连接器，由可供气带载分离的插拔连接器及可进行自适应运动调整的支撑装置组成，其平衡式接头能够降低连接器对接脱落的供气分离力，支撑装置可实现连接器对接及脱落前后的上下、水平随动和滚转及一定角度的俯仰调整功能。支撑式插拔连接器具有脱落时与箭上接口无机械解锁动作，直接拔脱、无卡滞不能脱落故障隐患，脱落可靠性高等特点。

1 技术方案介绍

1.1 中心球锁插拔连接器技术方案

中心球锁插拔连接器结构如图1所示，脱落状态如图2所示。

图1 中心球锁插拔连接器结构

图2 中心球锁插拔连接器脱落状态

中心球锁插拔连接器主要由连接器本体、平衡接头、球锁、钢丝绳、箭上插座等组成。连接器特点为：a）采用供气分离力较小的径向密封平衡式接头，解决分离力过大，力矩不平衡问题；b）通过中心球锁实现连接器的可靠对接锁紧，球锁采用火箭起飞时钢丝绳被动张紧拉拽方式解锁；c）通过调整钢丝绳松弛量适应火箭水平漂移及起飞方向随动距离要求。

工作原理为：锁紧时将连接器插入箭上接口，锁芯在弹簧力作用力下向上运动复位将钢球挤压入承力螺母梯形槽中，球锁上锁，然后拧紧压紧螺母，连接器实现对接锁紧，对接后连接解锁钢丝绳、设定好松弛量；脱落时，火箭起飞一定高度后将钢丝绳拽紧，锁芯向下运动使球锁解锁，进而箭上插座拔脱，连接器实现脱落分离，脱落后由其它牵制钢丝绳限位防护。

1.2 支撑式插拔连接器技术方案

支撑式插拔连接器相比中心球锁插拔连接器方案及接口变化为：同样采用平衡式接头以解决连接器供气带载脱落工况，实现箭地接口较小分离力；箭上接口布局不变，主要改动为取消球锁相关部件，箭地接口变化不大；连接器与发射台支撑臂的对外接口保持不变，将中心球锁插拔连接器的牵制装置改为自适应运动位置调整的支撑装置即可。

支撑式插拔连接器结构如图3所示。连接器对接、脱落状态如图4所示。

图3 支撑式插拔连接器结构（含支撑臂）

图4 支撑式插拔连接器对接及脱落状态

支撑式插拔连接器由可供气带载分离的插拔连接器及可进行自适应运动调整的支撑装置组成。插拔连接器主要由连接器本体、平衡接头等组成，采用径向密封供气的平衡式接头，实现较小的供气带载分离力。连接器通过中心导向杆与箭上插座对接时定位导向，插座中心安装直线轴承，在连接器对接、脱落过程减小连接器摩擦力。支撑装置主要由滑台、滑台座、支撑筒、支座等组成，供气管路穿过以上部件的内部开孔连接到连接器供气接头。插拔连接器的各自由度运动功能实现方式如下：上下运动功能由弹簧支撑的支撑筒及滑动套作为运动副实现；水平运动由同心叠合的滑台与滑台座构成滑动副实现；倾斜旋转运动由球窝对内锥面配合的旋转副实现。

支撑式插拔连接器对接脱落工作原理：箭体吊装前将支撑装置安装到支撑臂；箭体就位后，使用工装气缸将滑台高度降低，然后将连接器安装到支撑装置上方；对工装气缸缓慢放气、同时移动滑台使连接器与箭上接口对中，直至连接器与箭上接口完全插入、端面贴紧，取下工装气缸即完成连接器对接。连接器脱落时通过滑台实现水平漂移运动一定距离后限位，在弹簧力的作用下实现箭体起飞方向随动，升降筒运动一定距离后限位，进而箭上接口直接拔出连接器实现脱落分离，脱落时无机械解锁动作。

2 插拔连接器方案对比分析

2.1 关键设计要素实现方案对比

根据插拔连接器设计关键要素的实现方案，对支撑式插拔连接器与中心球锁插拔连接器方案进行对比分析，如表1所示。

表1 插拔连接器设计方案比较

续表1

由表1可知，支撑式插拔连接器与中心球锁插拔连接器方案相比，同样能够满足水平随动、密封性要求，在对接可靠、脱落防护、对接操作简便性方面较优，尤其在可靠脱落、起飞方向随动、对箭作用力设计要素上更具优势：

a）支撑式插拔连接器无脱落时的球锁等机械动作，因而脱落可靠性较高；

b）支撑式插拔连接器起飞方向随动距离可控，而中心球锁插拔连接器起飞方向随动距离可能过大，不能精确控制；

c）支撑式插拔连接器对箭上作用力较小，脱落防护方面更为可靠。

2.2 故障模式与影响分析

通过对以上两种方案进行故障模式与影响分析（Failure Mode and Effect Analysis，FMEA），由于支撑式插拔连接器在脱落过程中无机械解锁动作、始终保持与箭上接口平行分离，因而不存在连接器卡滞无法脱落的故障隐患，无Ⅰ、Ⅱ类故障模式。

中心球锁插拔连接器解锁时，由于箭体漂移及连接器供气分离力使连接器解锁时翘动分离，因而存在插头卡滞的可能性，同时球锁不解锁、以及解锁拉索部件失效都可能造成连接器不能脱落分离，因此中心球锁插拔连接器存在3个Ⅰ、Ⅱ类故障模式。

2.3 安全性对比分析

支撑式插拔连接器相比中心球锁插拔连接器，无球锁分离机构，脱落时与箭上接口无机械解锁动作、平行分离直接拔脱，无卡滞不能脱落故障隐患，不会造成箭体损伤甚至火箭爆炸等事故，因而安全性好。

2.4 小 结

通过支撑式插拔连接器和中心球锁插拔连接器方案对比、FMEA及安全性对比分析表明，支撑式插拔连接器在脱落可靠性、安全性等方面优于中心球锁插拔连接器，消除了连接器卡滞无法脱落的Ⅰ、Ⅱ类故障模式，在起飞方向随动距离控制、对接可靠、脱落防护、对接操作等性能方面同样表现优异。

3 试验验证及可靠性评估[6,7]

3.1 试验情况

按威布尔分布策划可靠性试验，参试产品试验总有效脱落动作试验次数为

式中 R为可靠性置信下限，R=0.999 90；0t为任务中动作次数；m为威布尔分布的形状参数；n为试验投试产品数；γ为置信度，一般取0.7。

按投试数n为3台，在形状参数m取2的情况下，每台产品应完成的脱落动作试验次数T依据式（1）进行初步估计，计算得到单台产品有效试验次数为

即：每台产品应完成317次脱落试验。

支撑式插拔连接器两种规格各3台产品总计进行了1 800余次脱落可靠性试验，试验表明连接器在脱落过程中能够完成与箭上接口起飞、水平方向随动，分离时保持平行、无卡滞现象，分离过程对箭最大作用力即弹簧最大压缩力，支撑式插拔连接器随动、脱落性能优异，可靠性、安全性更好。

3.2 脱落可靠性评估

对于可靠性特征量服从威布尔分布的产品，由产品在任务中的动作次数0t、每套产品的试验次数it、试验过程中的故障数f、试验投试产品数n，可得产品发射任务可靠度的单侧置信下限评估为

插拔连接器实际参加可靠性试验投试产品数量n=3 台，试验次数分别为t1、t2=449，t3=326，根据式（2），产品可靠度摸底实际验证值达到0.999 940 9，满足基本可靠度0.999 90的要求。

4 结 论

自适应起飞脱落的支撑式插拔连接器系统的研制解决了适应起飞脱落、漂移、供气带载振动工况下的插拔连接器关键设计技术，该插拔连接器具有脱落时与箭上接口无机械解锁动作、平行分离直接拔脱，无卡滞不能脱落故障隐患，脱落可靠性高等特点，可以应用于火箭起飞一定高度后供气带载脱落的一类工况，能够满足火箭正常发射以及火箭紧急关机等应急发射工况使用要求。

[1] 王瑞铨. 运载火箭脐带连接器研讨[J]. 航天发射技术, 2002(3): 1-15.

[2] 王瑞铨. 长征系列火箭地面发射技术的成就与未来[J]. 导弹与航天运载技术, 2002(5): 55-64.

[3] 徐明俊. 低温高压自动脱落冷氦连接器研制[J]. 导弹与航天运载技术, 1999(2): 26-30.

[4] 王立兴. 俄罗斯火箭脐带自动对接技术评析[J]. 航天发射技术, 2003(1): 45-50.

[5] 王爱伟. 一种平衡式气路插拔连接器的研制[J]. 导弹与航天运载技术, 2015(03): 104-106.

[6] 周正伐, 等. 航天可靠性工程[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2006.

[7] 杨瑞刚. 机械可靠性设计与应用[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2008.

Self-adaptive Take-off Supporting-feed-connector System

Wang Ai-wei, Liu Zhong-ming, Hu Ya-tao, Wang Jian-qiu, Wang Feng-jin
(Beijing Ιnstitute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

The system includes the air-feed combined connector separated by pressure air along with the supporting equipment for adjusting self-adaptively. The feed connector system is of the characteristics of none mechanical unlocking action between the connector and the rocket during taking off along with high reliability. The results show that the balanced connector can reduce the separation force for take-off. The supporting equipment can realize the function of the connector moving and rolling in up, down and horizon direction. Ιn addition the action of adjusting for certain angle can also be fulfilled during connecting and taking off.

Supporting; Air-feed connector; Supporting equipment; Adjusting self-adaptively

TJ768.2+8

A

1004-7182(2017)04-0081-04

DOΙ：10.7654/j.issn.1004-7182.20170419

2016-09-29；

2017-06-28

王爱伟（1981-），男，高级工程师，主要研究方向为气液连接器及低温设备设计