运载火箭气液连接器锁紧及解锁方案技术探讨

2021-10-26张振华杨泽涛甄恩发王建秋

导弹与航天运载技术 2021年5期

常新，张振华，杨泽涛，甄恩发，王建秋

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

0 引言

现代运载火箭在发射准备阶段与地面设备存在大量气、液管路，某些管路与箭上相连至火箭起飞。现役火箭设置大量箭地接口设备用来箭上增压和推进剂加注，气液连接器作为运载火箭与地面气液管路间的关键接口设备，工作可靠性直接影响火箭发射流程。

目前气液连接器都设置有锁紧机构用来实现连接器与箭上接口的可靠锁紧，并且在火箭起飞前或者火箭起飞时实现连接器脱落[1]。在推进剂加注过程中连接器锁紧可靠可防止推进剂发生泄露，保证了加注过程的安全性。连接器的锁紧装置是连接器的核心部件，需要有针对性的研究来确保连接器工作的可靠性。不同锁紧装置的力学环境和使用范围不同，现役运载火箭很多选用低温推进剂，箭地接口处温度很低，需研究可在低温下锁紧可靠的锁紧机构[2]。针对目前发射场无人值守的研究预期，连接器的锁紧装置需可适应自动对接和推进剂紧急泄出后的二次对接[3]。针对某些加注连接器的特殊性，连接器需要零秒脱落，则需要研究可适应零秒脱落的锁紧机构。

本文对气液连接器的典型锁紧方式进行调研和分析，气液连接的锁紧装置可大致分为钩爪式、球锁式、拉断分离式和爆破解锁式4种类型。总结每种锁紧方式的特点和技术难点，对各自锁紧机构进行力学分析，总结锁紧力和解锁力的影响因素，并对各方案就锁紧脱落可靠性、安全性、低温适应性以及自动对接和零秒脱落适应性等方面进行对比分析，为后续新研连接器锁紧机构提供参考。

1 连接器锁紧及解锁方案研究进展

1.1 钩爪式方案

钩爪式锁紧机构广泛应用于运载火箭气液连接器，其运动机构简单有效，可提供较大锁紧力。且对于低温连接器，钩爪分离力大能够保证较好的破冰能力。大部分钩爪式锁紧机构通过气缸提供运动动力，锁紧脱落气缸便于标准化与通用化，可用于不同口径的连接器。本文通过一种典型钩爪式锁紧机构来具体阐述其工作原理。CZ-5运载火箭设置了低温高压氦气连接器，用来向火箭贮箱提供氦气[4]。该连接器采用钩爪式锁紧机构，具体结构形式如图1所示。

图1 冷氦连接器结构Fig.1 The Structure of the Connector which Transports Cold Helium

连接本体外侧设为套筒活塞，其周围是活动气缸、拉杆端盖、锁紧钩等组成的运动部件，具有使连接器与箭体插座实施锁紧与自动脱落的功能。该连接器的锁紧主要通过活动气缸作用拉动拉杆，使得锁紧钩绕销轴顺时针转动，与锁紧钩相连的螺钉压紧端盖；解锁时气缸推动拉杆，使得锁紧钩绕销轴逆时针转动，螺钉与端盖分离脱落。

钩爪式锁紧结构形式多样锁紧可靠，且解锁方式简单可靠性高。不同于上述冷氦连接器，还可以将解锁气缸单独放置在连接器外侧周向布置远离低温本体，在结构布局上避免低温导致气缸漏气。钩爪式结构在连接器解锁时容易与箭上活门发生钩挂发生故障，在设计时需考虑连接器脱落过程中锁脱钩的运动包络问题。且连接器与箭上接口的密封比压来自锁脱钩的锁紧力，需严格计算气缸的供气压力和结构尺寸。

1.2 球锁式方案

球锁式锁紧机构同样广泛应用于国内外运载火箭气液连接器，其运动机构较为复杂，可提供很大锁紧力。大部分球锁式锁紧机构通过气缸提供运动动力，在实际应用中球锁有多种结构形式，但锁紧与解锁原理相同。部分连接器周向分布多个小球锁进行锁紧，另一部分连接器通过中央大球锁锁紧。本文通过2种典型球锁式锁紧机构来具体阐述其工作原理。

美国土星Ⅴ运载火箭S-Ⅱ级LH2、LOX加泄自动脱落连接器采用了球锁锁紧结构，如图2所示。

图2 球锁结构Fig.2 The Structure of the Ball-lock Mechanism

球锁对接时，先拔出解脱销，球锁机构解锁（钢珠处于自由状态）。把插座插入与火箭连接的锁紧环中，松开解脱销在弹簧作用下向右移动，迫使钢珠卡入锁紧环的凹槽内实现球锁锁紧。气动解锁时，从A处通入压缩气体，使脱落活塞右移，在活塞杆反作用力下使得解脱销向左移实现球锁解锁，然后使球锁机构和连接器一同弹出脱落。若气动解锁方式失效，则用机械方法向左拉动解脱销，同样可以实现球锁解锁。通常使用钢索牵引解锁销脱落作为冗余解锁措施，以提高球锁解锁的可靠性。球锁式锁紧结构形式多样锁紧可靠，结构较为复杂但适用性广。球锁锁紧机构具有冗余解锁的特性，通常正常解锁为气动解锁，机械解锁为冗余解锁方式，部分球锁机构还设置削弱结构，在前两种解锁方式都失效的情况下强制拉断解锁。球锁解锁机构由于结构较为复杂容易发生卡滞等故障，尤其在低温环境下若机构内部结冰则很容易卡死，其破冰能力较弱。球锁机构应用范围广泛，可用于中国未来主推的集成化气液组合连接器。

1.3 拉断分离式方案

拉断分离式连接器无锁紧机构，在连接器关键受力部位设置削弱结构。在火箭起飞时会使削弱部位应力集中而断开从而实现箭上部分与地面部分分离。本文通过一种典型拉断分离式结构来具体阐述其工作原理。图3为一种用于加注液体推进剂的连接器的结构示意[5]。

图3 拉断式连接器结构Fig.3 The Structure of the Pull-separate Connector

连接器本体结构见图4，火箭点火时，拉拽连接器本体向上运动，使连接器本体绕弯矩结构形成破坏弯矩。破坏弯矩的应力集中在削弱槽部位导致本体断裂从而实现分离。

图4 连接器本体削弱结构Fig.4 The Structure of the Weakened Part of Connector

拉断分离式方案结构简单易实现，可用于箭体尾端箭地连接设备，也可作为一种连接器冗余解锁方式。拉断分离结构可用于零秒连接器，这种解锁方式只通过削弱槽部位解锁，在长时间低温介质传输工况下结构易产生冷脆，如果削弱结构提前断裂会造成危害。

1.4 爆破分离式方案

爆破解锁式方案在箭地连接部位设置爆炸螺栓。在火箭起飞时用火工品点火实现爆炸螺栓破裂，从而实现箭上部分与地面部分分离。本文通过一种典型爆破解锁式方案来具体阐述其工作原理。

航天飞机氢排气起飞脱落系统主要由连接器、冗余解锁装置、真空硬直管、零秒支撑机构和回收减速机构组成[6]。氢排气起飞脱落系统构成如图5所示。

图5 航天飞机氢排气起飞脱落系统Fig.5 Space Shuttle Hydrogen Exhaust Off System

正常解锁回收：飞行器起飞后，通爆炸螺栓点火系统对火工品进行点火，实现爆炸螺栓的破裂，使得连接器总成与火箭接口的分离。其中共设置两处爆炸螺栓，一处位于连接器，保证连接器与箭上接口的连接，另一处位于回收装置的锁定机构，未爆破前回收装置锁定，支撑部分真空硬管重量。点火时两处爆炸螺栓通过一路点火控制系统同时进行点火，同时爆破。

冗余解锁回收：若爆炸螺栓未能正常点火，则通过冗余解锁装置，将爆炸螺栓拉断，实现解锁。冗余解锁结构由牵引索、配重等组成。航天飞机向上运动时，通过牵引索拉动配重向上运动，当配重运动到T-0锁结构上设置的冗余解锁配重限位点后，停止运动，牵引索产生对爆炸螺栓的拉力，最后拉断爆炸螺栓，实现连接器总成解锁。连接器总成设置有下落减速机构，为一种滑轮组加配重的形式。整个机构设置了备保脱落，直管的作用除了作为零秒摆杆外，还可以作为二次解锁机构。相当于高空的插拔连接器，直接靠火箭向上的力量将连接器拔出来。

爆破式解锁方案主要通过火工品对爆炸螺栓点火来实现，解锁方式简单可靠性高。这种解锁方案对连接器的防爆性能和爆炸螺栓的回收方式有较高要求，并且需精确计算爆炸螺栓的剪断力避免出现解锁失效，且火工品点火装置的控制装置需做好防护。

2 连接器锁紧及解锁方案技术分析

2.1 钩爪式方案

钩爪式方案以典型的冷氦连接器为例进行力学分析，锁紧时以连接器整体为分析对象，受力情况见图6。连接器气缸锁紧腔持续供气，供气压力通过气缸的套筒活塞、固定架、螺钉、锁脱钩、本体、密封圈等零部件传递至箭上接口密封榫面。气压力同时通过气缸筒体、顶盘、销轴、锁脱钩等零部件传递至箭上接口法兰背面。锁紧状态下复位弹簧处于自由状态不施加弹簧力。

图6 冷氦连接器锁紧状态受力Fig.6 The Force Condition of the Connector which Transports Cold Helium

锁紧腔的锁紧力为

式中P锁工为锁紧工作压力。

锁紧腔的面积为

式中1D，D2分别为锁紧腔外径与内径。钩爪式锁紧机构的锁紧力与锁紧工作压力和锁紧腔面积相关，在设计时需校核锁紧钩等关键受力零件的强度。

2.2 球锁式方案

球锁式锁紧机构通过钢球与球头环形槽配合实现锁紧，在球锁锁紧状态时，球锁机构受力较复杂。球锁机构锁紧状态下的力学模型见图7，以钢球为分析对象进行力学分析并求出球锁机构的力平衡方程。

图7 球锁机构锁紧状态受力Fig.7 The Force Condition of the Ball-lock Mechanism

式中F为钢球受力合力；a为3F与球锁轴向夹角；n为钢球数量。球锁机构的受力较为复杂，与球锁的结构（钢球个数、钢球孔夹角）和箭地分离载荷有关。在设计球锁机构时要考虑球锁的承载能力、锁紧力和球锁各零件的强度。

2.3 拉断分离式方案

拉断分离式结构主要通过在箭地连接部位设置削弱结构，在火箭起飞会使削弱部位应力集中而断开从而实现箭上部分与地面部分分离。

削弱槽实际拉断力与分离结构的材料、削弱槽尺寸相关，分离结构的材料决定了其抗拉强度bσ，削弱槽尺寸决定了结构的实际拉断力F。在设计削弱结构时，需根据设计拉断力大小进行选材和结构设计，若削弱槽实际横截面积为S，需满足：F/S≥bσ。在设计过程中选定材料后需先进行试件生产并做拉断试验来确定该批次材料的实际抗拉强度，然后再用同一批次材料、相同的热处理方法来生产削弱结构，并且削弱结构需进行拉断试验与拉断力设计值进行对比，不断优化削弱槽尺寸来达到设计要求[7]。

2.4 爆破分离式方案

爆破式解锁方案为箭地部分通过爆炸螺栓进行连接，爆炸螺栓结构见图8，内部装有炸药和点火器。当火箭点火时，点火器引燃炸药使剪切锁被剪断。

图8 爆炸螺栓结构Fig.8 The Structure of the Explosive Bolt

爆炸螺栓的材料决定了其抗剪强度τ，爆炸螺栓剪切锁厚度d决定了结构的实际剪断力F。在设计爆炸螺栓结构时，需根据设计剪断力大小进行选材和结构设计，需满足：F/d≥τ。实际剪断力需通过控制火工品的爆炸产生的推力，需经过多轮试验迭代确定火工品爆破方式和爆炸螺栓的结构。

2.5 方案对比分析

通过对4种典型锁紧及解锁方案的典型案例分析和技术分析，明确了4种方案的工作原理和应用场合。对比分析4种方案的特点和应用场合，整理见表1。

表1 连接器锁紧及解锁方案对比Tab.1 Comparison of Connector Locking Schemes

钩爪式方案在火箭发射过程中存在脱落时与箭上接口钩挂的故障模式，但其在锁紧时工作可靠，安全性较高。钩爪式锁紧方案已应用于低温连接器，如冷氦连接器、液氧加泄连接器等。钩爪式连接器可用于自动对接，在锁紧钩打开时通过连接器的导向杆进行定位定向。钩爪式锁紧机构由于其结构形式不可用于零秒脱落。

球锁式方案在机构运动时容易出现卡滞的故障，在球锁设计时需考虑冗余解锁方案。球锁结构锁紧时通过周向均匀分布的钢球可提供稳定的锁紧力，锁紧可靠。球锁式锁紧方案已应用于低温连接器，如芯一级液氢加泄连接器、氢紧急排气连接器等。球锁式结构可应用于自动对接，球锁自对中能力强。球锁式结构可用于零秒脱落，在火箭起飞时摆杆拉动球锁外套实现解锁。

拉断分离式方案在低温下容易发生冷脆断裂，适用于尾端连接器。由于该方案无锁紧机构，则无法进行自动对接。拉断分离式结构可用于零秒脱落，在火箭起飞时使削弱部位应力集中而断开从而实现箭上部分与地面部分分离。

爆破解锁式方案通过爆炸螺栓破裂实现箭上部分与地面部分分离，由于爆炸螺栓存在解锁单点故障，所以在进行方案设计时需考虑冗余分离措施。目前该方案只在国外连接器系统应用，中国还在研究阶段，需通过大量试验来验证该方案的可靠性。

2.6 长征五号运载火箭连接器锁紧方式分析

长征五号运载火箭（以下简称CZ-5）所涉及的连接器口径较大，可进行大流量加注，在加注过程中要求锁紧可靠。通过分析总结，CZ-5运载火箭连接器的锁紧方式主要为钩爪式和球锁式。其中液氧加泄连接器、冷氦连接器为钩爪式锁紧方案，气管连接器、液氢加泄连接器、煤油加泄连接器和氢紧急排气连接器为球锁式锁紧方案。由此可看出中国现役连接器以这两2种锁紧方式为主，并且具有了锁紧与脱落分离可靠、可低温加注等优点。分析归纳CZ-5运载火箭连接器锁紧方式的特点有：a）钩爪式和球锁式锁紧方案都可用于低温加注，且加注过程安全可靠；b）球锁式锁紧方案可用于零秒脱落，球锁式锁紧机构可用于主动解锁也可用于被动强制解锁；c）钩爪式锁紧方式用于侧壁连接器，球锁式锁紧方式既可用于侧壁连接器，也可用于尾段插拔式连接器；d）球锁式锁紧机构可实现冗余解锁，提高解锁可靠性。

通过总结分析CZ-5运载火箭连接器的锁紧方案，可直观有效地归纳出中国现役运载火箭连接器锁紧机构的发展现状和特点。对比分析不同锁紧方式的特点和优劣，有利于更深入地剖析不同锁紧方式的适用工况和使用边界。