一种火箭起飞后快速关闭的液氢防护塔

胡亚涛，杨俊恒

0 引 言

芯一级液氢加排连接器是运载火箭箭地接口关键设备。防护门关闭为芯一级液氢加排连接器零秒脱落后的关键动作，火箭起飞到一定高度后，当箭上接口与液氢加排连接器分离并完全飞出防护塔时，由地面供气系统给防护门关闭气缸供气带动防护门沿防护塔顶部导轨水平向前运动，直至完全关闭。防护门过早关闭，会撞击火箭尾部的箭上接口，由于防护门本身质量和速度均较大，对火箭瞬时冲击较大，可能使火箭发生较大滚转或偏移，甚至造成发射失败；防护门过晚关闭，则燃气流会直接进入防护塔内并对塔内的连接器、低温真空软管等设备造成冲刷烧蚀，若塔内氢气浓度超标，可能有发生爆炸的危险。因此防护门要在不碰撞箭体的前提下，快速可靠关闭。用于火箭起飞防护的液氢防护塔在中国首次使用，对今后重运载火箭及同类产品研制具有借鉴意义[1～4]。

1 防护门关闭流程

1.1 防护门关闭时间要求

图1为防护塔在发射平台上表面安装示意，其位于发射平台井字梁上，箭上接口部分位于防护塔内。

图1 防护塔整体示意Fig.1 Schematic Diagram of the Protective Tower

火箭起飞时，防护塔将不可避免地承受高温、高速燃气流烧蚀、冲击，需避免燃气流无遮挡地直接作用到防护塔内部的设备。因此要求防护塔上部的防护门必须在火箭起飞后开始关闭，并在受燃气流作用前，完成全部关闭动作，关闭时间还应考虑适当的安全余量。根据分析及相关燃气流数据，火箭从起飞到燃气流影响防护塔顶部的时间为 2.71 s，综合考虑动作延时、安全余量等，要求防护门关闭时间≤1.5 s。

1.2 防护门关闭流程[5]

防护门位于防护塔顶部，其顶部设计成圆弧形以减小燃气流的冲击。防护门关闭系统主要由模拟起飞装置、防护门关闭气缸、钢丝绳等组成，其内部结构及关闭流程分别如图2、图3所示。

图2 防护塔结构示意Fig.2 Schematic Diagram of the Protective Tower Structure

图3 防护门关闭流程Fig.3 Protective Door Closing Process

利用4个气缸的共同作用关闭防护门，其最大优点在于从设计上提高了防护门关闭的可靠性，且 4个气缸同时作用在一定程度上可提高防护门关闭的速度，保证整体受力的均匀性。图3中通过电磁阀给气缸G3、G4、G5、G6同时供气，其中G3、G4为防护门水平关闭气缸，直接推动防护门关闭，G5、G6为竖直冗余气缸，其通过连接钢丝绳经过固定滑轮后牵引防护门，使其关闭。

防护门关闭的主要流程为：火箭起飞前4 min左右，通过供气系统给位于防护塔内部的蓄压气瓶充气，压力约 5 MPa。火箭起飞到一定高度后自适应机构下端配重下落，触发传感器，控制系统收到触发信号，打开电磁阀给防护门水平关闭气缸和竖直冗余气缸同时供气，水平气缸直接推动防护门向前关闭，竖直气缸通过钢丝绳和固定滑轮带动防护门向前关闭。防护门关闭到位后，通过限位销限位，防止其撞击后回弹。

2 仿真计算

计算防护门关闭时间主要是计算防护门能否在预期时间内完成关闭动作。根据结构设计和总体要求，已知条件包括：

a）防护门重量1200 kg，运动方向为水平直线运动；

b）防护门关闭行程720 mm；

c）防护门关闭气缸直径62 mm、行程约720 mm、活塞杆直径30 mm、供气压力小于5 MPa；

d）防护门关闭时间不大于1.5 s。

根据上述条件建立连接器脱落、防护门关闭Amesim模型如图4所示[6]。

图4 连接器脱落防护系统Amesim仿真模型Fig.4 Amesim Simulationg Model of Connector Shedding Protection System

其中，用控制信号模拟电磁阀响应时间，设置为0.1 s，气源压力保持为5 MPa。在分析过程中忽略了气缸中O形圈的摩擦等因素。

图5为防护门关闭气缸压力变化，从图5中可以看出，在0.1 s时防护门关闭气缸开始充气，其中0.1 s为电磁阀响应时间，电磁阀打开后气缸压力迅速上升，压力达到一定数值后，由于活塞开始动作，容腔增大，压力减小；当活塞运动到位后，气缸容腔体积不再变化，压力会继续上升，直到与蓄压气瓶的压力平衡。

图5 防护门关闭气缸压力变化Fig.5 Prossure Change of Protective Door Colsed Cylinder

图6 为防护门关闭气缸活塞杆运动位移。

图6 防护门关闭气缸活塞杆运动位移Fig.6 Piston Rod Displacement of Protective Door Colsed Cylinder

从图6可以看出，在0.2 s左右时防护门开始运动，在0.8 s左右时防护门首次运动到最终行程，而后在防护门关闭气缸打开腔死腔容积的压缩缓冲和气缸、防护门到位后产生的机械撞击的共同作用下产生一定程度的回弹，而后在气缸作用下重新关闭。防护门在1.18 s保持关闭状态。实际过程中设置了限位销，保证防护门关闭到位后不会产生回弹。

3 试验研究

为测试防护门关闭时间，设计了简易的控制系统，其原理如图7所示。由模拟起飞工装带动模拟箭上接口与连接器分离后，起飞自适应机构会触发传感器1，时刻为T0，此时防护门仍为打开状态，如图8所示。接收到传感器1的信号后，控制系统给电磁阀加电，使4个气缸同时供气，推动防护门关闭，防护门关闭到位后会触发传感器2，时刻为T1，此时防护门为关闭状态，如图9所示。2个传感器的触发时刻T0、T1之差即为整个防护门的关闭所用时间。

图7 测试简易控制系统原理Fig.7 Principle of Test Control System

图8 防护关闭试验（打开状态）Fig.8 Ptrotective Door Colsing Test(Open State)

图9 防护关闭试验（关闭状态）Fig.9 Ptrotective Door Colsing Test(Colsed State)

防护门关闭试验，累计次数1300余次。部分试验结果如图10所示，总体上气缸压力越高，防护门关闭时间越短。压力2.4 MPa左右时，防护门关闭时间约1.2 s，满足设计要求。

图10 防护门关闭时间Fig.10 Closing Time of Protective Door

需要说明的是防护塔实际使用时的关闭压力为4.5～5 MPa，高于本文试验压力（考虑试验条件和安全性，5 MPa下关闭在出厂试验时进行），则实际关闭时间更短。

4 结束语

防护门关闭为火箭起飞，箭上接口与液氢加排连接器分离后的关键动作，必须在很短的时间内可靠完成。通过仿真计算分析，并经验证，压力2.4 MPa左右，防护门关闭时间约1.2 s，满足设计要求。结合试验情况及任务考核等因素，本文的液氢防护塔局部设计可继续改进和优化，因其在中国首次使用，对今后重运载及同类产品的研制具有借鉴意义。