运载火箭非火工分离机构技术发展与展望

2023-04-15王国辉张宏剑吴会强

宇航学报 2023年3期

王国辉，张宏剑，吴会强

(1. 中国运载火箭技术研究院，北京 100076；2. 北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引言

航天运输系统是人类开展航天系列活动的重要前提和基础,是实现航天器发射和维护的重要保障,是进行开发和利用空间的重要载体,是人类社会进步的重要推动力量。航天运输系统技术水平直接代表着国家实现自主进出太空的能力[1]。运载火箭是航天运输系统中的主要组成部分,经过60多年的不断发展,特别是随着以长征五号、长征七号、长征八号为代表的新一代运载火箭陆续服役,中国运载火箭已形成了较为完备的产品系列,为中国载人航天、月球探测、火星探测与空间站建设等重大工程实施开展提供了有力支撑[2]。以运载火箭为代表的航天运输系统,是建设航天强国的基础,是落实国家创新驱动发展战略,是实现“两个一百年”发展目标的重大科技创新,对促进中国国民经济建设、构建中国现代军事力量体系、捍卫中国太空安全和国防安全具有重大意义[3]。中国运载火箭未来以重复使用、重型运载、载人登月与商业发射为主要发展方向[4]。运载火箭除实现运载功能外,还需实现可靠分离、重复使用、落区控制、商业发射、多星部署等多项新功能,以有效支撑大规模星座计划、载人月球探测、载人火星探测以及地月空间经济圈等任务[5]。

机构技术是运载火箭多功能化发展的重要支撑技术。运载火箭机构技术相较于常规机构在高可靠、高轻质、高适应、高效率等方面面临更大的挑战。以往运载火箭机构多用于实现火箭推力矢量控制、火工驱动星箭分离、载人逃逸整流罩分离、载人飞船罩内上下辅助支撑等功能实现[6]。随着运载火箭复用化、商业化与智能化发展,机构能源形式更加多样化、机构产品比例不断提升、机构设计与运载火箭总体设计、智能设计、控制设计与动力学分析耦合性也不断加强[7-11]。分离机构作为运载火箭使用最为广泛、可靠性要求最高的产品,其技术发展直接影响运载火箭整体技术水平。运载火箭从单级到多级、从串联到并联、从一箭一星到一箭多星的发展过程,都伴随着相关分离技术的发展与应用。本文从技术发展、技术特点、连接形式、驱动能源四个方面对运载火箭非火工分离机构发展进行综述,对运载火箭非火工分离机构的发展趋势进行展望,旨在为运载火箭非火工分离机构的创新发展提供参考。

1 运载火箭分离技术发展研究

如图1所示,以长征五号运载火箭为例,在飞行过程中需完成包括助推分离、级间分离、整流罩分离与有效载荷分离等分离动作,较以往运载火箭具有分离体尺寸大、助推器推力高、级间分离行程长、整流罩刚度低等新特点,系统设计难度高,技术跨越大。分离系统直接决定运载火箭的综合可靠性和飞行安全性,是长征五号火箭研制的核心关键技术[12]。

表1对国内外典型运载火箭助推分离、整流罩分离、级间分离与有效载荷分离方案进行了统计分析。以往一次性使用运载火箭多采用爆炸螺栓、低冲分离装置、膨胀管等基于火工能源驱动的分离技术实现对应部位分离,分离能源除分离弹簧外,多采用分离火箭提供分离推力的技术方案。火工能源驱动的分离装置具有承载能力大、作动迅速、分离可靠与环境适应性强等优点,但对应其多采用火工能源破坏结构形式的技术途径,直接导致分离冲击大、安全性差、污染严重、不可检、不可测、不可重复使用等缺陷。随着有效载荷和箭上精密仪器对运载火箭环境要求的不断提高,研究人员也在火工分离装置高安全、高可靠与低冲击等方面开展相关工作。通过爆炸箔与激光等新式起爆炸点火技术提升药剂使用安全性。采用双分离面、双元膨胀管、冗余导爆索或冗余爆炸螺栓提升分离整体可靠性。采用颗粒阻尼减振、点阵材料吸能、螺旋缓释预紧与隔冲击结构等技术抑制分离冲击,并通过传爆及内弹道精细分析技术开展火工分离装置精确分析[13]。

表1 国内外运载火箭分离方案Table 1 Schemes of domestic and foreign launch vehicle separation

火工分离装置成功使用几十年,参与数百发运载火箭飞行任务,相关产品成熟度和可靠性较高,但由于产品采取一次性火工能源驱动形式,产品具有不可检与不可测的特性。火工分离装置为实现降低分离冲击,从传统爆炸螺栓类结构破坏式发展为低冲分离螺母火工驱动内部装置作动式。虽然实现了分离冲击的降低,但火工驱动能源散差偏大易造成火工分离装置内部作动偏差大,产品性能一致性难以保证。火工装置散差大与控制难度高的难点,也难以通过精确仿真分析技术和精细装置机械产品设计予以克服。火工分离装置的火工能源易造成环境污染,产品应用中还需涉及相关防护结构,进一步增加了分离系统的整体重量。火工品的使用、测试与维护也对运载火箭总装总测提出了更多要求,对产品生产人员与靶场操作人员的安全性控制也提出了更高要求。火工分离装置一次性使用也导致产品研制、系统试验中相关产品的大量采购,一方面难以实现产品测试覆盖有效性,另一方面也进一步提升了型号研制成本。

随着航天商业化发展,大型互联网星座等建设需求,有效载荷多样化、密集化发射需求日益突出。如图2所示,美国SpaceX公司已完成一箭143颗卫星发射任务。高密度、多样式、组合化发射任务不仅分离动作更为密集,每个分离部位的可靠性与可检测性要求也进一步增加。基于火工能源驱动的火工分离装置已难以满足此类发射任务的需要。过多火工装置的密集排布,会对分离冲击环境以及整体净环境控制设计造成了更大的困难。

图2 猎鹰9号B1058.5一箭143颗卫星[6]Fig.2 143 satellites on a Falcon 9 (B1058.5)[6]

在运载火箭多级发射、有效载荷多样式发射技术发展同时,运载火箭复用化、运输航班化也对分离机构提出了更多研制需求。如图3所示,运载火箭在完成常规分离动作外,还需完成栅格舵等气动控制部件连接分离、着陆机构或挂索机构等缓冲部件连接分离、降落伞或整流罩变刚度支撑机构连接释放分离等面向运载火箭返回所需的相关分离动作。运载火箭返回采用降落伞气动减速方案也需研制降落伞开伞相关分离动作执行机构。挂索类返回缓冲方案也需研制相关机构实现挂索飞行中可靠锁定与返回时准备解锁等分离动作。随着运载火箭复用化与多功能化进一步发展,以星舰整流罩解锁打开后还需关闭锁定为代表的连—分—合多功能一体化分离机构也将成为未来运载火箭重要支撑技术。

图3 运载火箭垂直返回过程栅格舵与着陆机构展开示意图[5]Fig.3 Deployment diagram of grid fin and landing mechanism during vertical return of the launch vehicle[5]

综上所述,面对运载火箭复用化、多功能化等发展趋势,适应运载火箭需求的非火工分离机构是保证运载发射、深空探测、落区控制、返回复用等运载火箭任务的重要支撑技术,也是进一步提升运载火箭分离动作可靠性、安全性与测试性的必要技术手段。通过对国内外运载火箭分离装置研制进展进行统计分析,本文对运载火箭非火工分离机构技术的研究进展进行综述有助于研究人员了解非火工分离机构的最新发展动态,熟悉研究基础,提升研制效率,为相关研究人员系统性开展运载火箭非火工分离机构技术研究提供参考意见。

2 运载火箭非火工分离机构技术特点分析

航天分离机构技术在卫星帆板、空间机械臂、空间交互对接、月球登陆及采用、火星登陆等领域已进行应用验证,有力支撑了相关重大工程的顺利实施,取得了一个又一个重大成就。岳洪浩等[14]对航天器非火工分离机构技术进行了系统综述,提出面向航天器动作执行高精度、分离低冲击、分离低成本、连分可重复等需求,航天器分离装置也需提速推进由火工向非火工技术发展。近几年面向中国空间站、探月与探火等重大工程,航天器非火工分离机构技术实现了跨越式发展,大量产品有力支撑了相关重大工程建设。中国在长征二号F载人运载状态中,在整流罩多点连接分离方案中就采取了锁钩式分离机构,大幅提高了整流罩分离动作可靠性[15-16]。运载火箭分离机构技术虽在长征二号F逃逸机构、多款火箭星箭分离得以应用,但相对国外先进运载火箭、中国运载火箭非火工分离机构发展相对较晚。如表1所示,以SpaceX公司猎鹰9、猎鹰重型、超重星舰等为代表的新式运载火箭已实现箭体非火工分离机构全覆盖[6,17]。运载火箭非火工分离机构技术相较于航天器非火工分离机构技术发展起步较晚。运载火箭非火工分离机构产品相对其他机构产品具有以下特点:

1)可靠性要求高:运载火箭分离机构可靠性直接影响运载火箭飞行过程中分离动作的可靠执行,是直接影响运载火箭飞行成败或关键任务执行的重要因素。尤其针对载人运载火箭,其飞行可靠度指标需不小于0.97[18]。冗余设计、降额设计等可靠性设计、可靠性分析与试验技术的应用都直接影响产品整体可靠性。分离机构工作过程机理复杂、系统有效预示和多参数系统控制难度大,产品设计对精确分析与试验系统性要求高。

2)轻质化要求高:机构产品不仅需高效率实现功能动作执行,还需极限减少自身重量。产品自身重量的有效控制,一方面可以降低对驱动功率的需求,降低电机、电池等产品对应重量;另一方面可以降低机构的自身运动惯性,降低对控制等其它系统的要求。结构与机构所对应的结构系数提升是火箭运载效率提升的直接手段[19]。尤其对于火箭末级的分离机构,其重量以及对能源的需求对运载火箭发射能力与效率影响显著。相对运载火箭结构仅需强度与刚度等要求,机构还需兼顾功能实现高效性、复用性与可靠性,对应轻质化设计因素多、工况多、难度大。

3)环境适应性要求高:与航天器分离机构不同,运载火箭分离机构主要在火箭飞行过程大过载、强振动、高低温等复杂环境中执行相关动作,相关环境因素除对结构承载性能产生影响外,对机构整体运动功能、性能、效能影响性更为复杂。以星箭分离机构为例,不仅要满足火箭发射过程中的大连接载荷工况,还需满足分离过程对航天器的低冲击作用。运载火箭飞行过程的气动、振动、冲击与高低温环境也相对航天器工作环境更为复杂恶劣。

4)空间与能源利用率要求高:运载火箭分离机构设计中需充分利用火箭内部有限空间,多采用小型化零、组、部件以及密集型装填装配的设计形式。分离机构还需利用电源、气源或液压源等驱动能源才能实现功能。而运载火箭能源有限,因此分离机构设计中还需考虑运载火箭能源选择与统筹利用能源输出效率等约条件。

3 运载火箭分离机构技术发展研究

运载火箭分离机构是实现运载火箭中连接部件产生分离动作的机械装置。分离机构一般具备连接(锁定)与释放(解锁)两项基础功能,也可兼具解锁后推离的附加功能。本章从连接形式与释放驱动能源两个方面分别对非火工分离机构技术发展进行分析。

如图4所示,分离机构连接形式可分为单点独立式、多点联动式、线式与箱式四大类。单点独立式包含拔销式、分瓣螺母式、飞轮螺母式、球锁式、卡爪式与变形式。多点联动式包含连杆锁钩式、并联锁钩式、串联锁钩式、连杆抱抓式与内撑环转块式。线式连接有柔性包带与刚性包带两种。箱式连接形式分为标准立方星式与非标准立方星式。

如图4所示,分离机构驱动能源主要存在机械、电机、电磁、电热、气驱、液驱与智能材料七类。机械主要采用柱簧、碟簧等弹性元件储备与释放弹性势能。电机主要采用步进电机、伺服电机、力矩电机等电机实现电能向部件动能的传递转换。电磁多用于连接与释放的触发,通过通电状态变化实现磁性连接状态的控制。电热主要采用电阻丝等加热器将电热转换为热能实现热刀切断或加热熔化等解锁形式。液压多用于伺服等机构通过液压缸、液压泵等实现机构驱动。智能材料采用形状记忆合金等材料实现对分离机构的解锁触发或小功率驱动。

图4 分离机构连接形式和驱动能源示意图Fig.4 Schematic diagram of the connection form and driving energy of the separation mechanism

3.1 分离机构连接形式

如表2所示,根据分离的两体在连接接触面的连接形式以及分离机构动作的关联形式,分离机构的构型一般分为单点独立式、多点联动式、线式和箱式等连接形式。下面分别讨论各种连接形式的特点。

表2 不同连接形式分离机构特点Table 2 Characteristics of separation mechanism of different connection forms

1)单点独立式

单点独立式分离机构,是指分离的两体在连接接触面上,通过分布的单点或多点进行连接,连接刚度不连续,每个连接处独立实现解锁功能的分离机构。单点独立式分离机构内部的机构工作原理也有多种形式,根据分离功能执行机构的构型可分为:拔销式、分瓣螺母式分离机构、飞轮螺母式分离机构、球锁式分离机构、卡爪式分离机构和整体变形式分离机构等。单点独立式分离机构的优点是使用灵活,可根据分离面形式、尺寸和载荷灵活布局;缺点是分离面整体连接刚度不高,分离面使用数量较多的分离机构时,分离面理论分离可靠性不高。

常用于载荷不大的分离面,如有效载荷分离、整流罩横向分离、整流罩纵向分离等。

2)多点联动式

多点联动式分离机构,是指分离的两体在连接接触面上,通过分布的多点进行连接,连接刚度不连续,每个连接处通过机构联动同步实现解锁功能的分离机构。多点联动是分离机构根据内部机构构型可分为:连杆锁钩式、串联锁钩式、连续串联锁钩式、内撑环翻转块式、并联锁钩式、连杆抱爪式等。优点是分离面使用多个分离机构时,多个分离机构通过机构实现联动解锁,分离同步性高、分离可靠性高;缺点是分离面整体连接刚度不高,需要联动机构,整体质量较大。常用于载荷不大且对可靠性要求较高的分离面,如有效载荷分离、载人运载火箭整流罩横分离等。

3)线式

线式分离机构,是指分离的两体在接触面上,通过连续接触线性连接,提供连续的连接刚度,并能实现解锁功能的分离机构。线式分离机构根据其机构组成及特点主要包括:柔性包带分离机构与刚性包带分离机构两种形式[20]。线式连接分离机构优点是连接刚度连续、承载效率高,一般采用不大于3处解锁元件,即可实现整个分离面的分离,分离可靠性高;缺点是应用不够灵活,对连接分离面连续性要求较高。常用于连接刚度要求高、接口形式相对固定、且对分离可靠性要求较高的分离面,如:大型有效载荷连接分离、多卫星与运载火箭整体连接分离等。

4)箱式

箱式分离机构,是指外形为箱体式的分离机构,被分离体放置在箱体内,并通过多个面与箱体接触,通过箱体一侧的舱门压紧和释放被分离体,通过内部的推板机构提供分离冲量的机构。箱式分离机构主要是用于立方体卫星分离的分离机构,能够实现立方星的连接、解锁与释放功能。优点是星箭接口简单、易于标准化、研制成本低;缺点是只能用于质量较小的微纳卫星分离,只能用于通用接口的立方体卫星分离。常用于标准立方星或非标立方星的分离。

3.2 分离机构驱动能源

分离机构的驱动能源一般包括机械、电机、电磁、电热、气压、液压、智能材料等不同形式驱动能源。各种驱动能源的特点如下:

1)机械

机械能源是指利用弹性元件的弹性势能提供直线和旋转运动能量,主要包括圆柱螺旋弹簧、碟簧、平面涡卷弹簧等各类弹簧或弹性元件等。机械驱动结构简单,不需外界能量输入,环境适应性强,可靠性高。但机构分离冲击较大,长期受力状态下弹性元件容易发生蠕变松弛,影响输出能力,对于长期服役、长期在轨类使用需重点关注。

2)电驱

电驱一般可分为电机、电磁、电热等驱动形式。电机驱动可以实现较高的运动速度及精度,同时体积较小,综合性能优异,但输出能力相对较小。常用的驱动电机主要包括力矩电机、步进电机、直线电机、伺服电机等。力矩电机的机械特性较软,可根据负载转矩调节转速甚至堵转工作,其调速范围大,力矩波动小,过载能力强,响应较快。步进电机的输出性能与输入脉冲严格对应,但其输出的转速和转矩有限。直线电机可以节省一定的传动环节,提高机构的传动精度和动态响应性能,但控制较为困难。伺服电机采用闭环控制,其输出速度、位置精度很高,响应快,抗过载能力强。

电磁驱动是指利用电流通断控制电磁铁吸附力的有无,一般只输出力而无位移。电磁驱动的体积较小,输出力较大,工作寿命长,动态性能好。但磁场随距离衰减较快,电磁力只在较小范围内起作用,且采用电磁驱动时需要解决电磁兼容问题,避免与周围电磁环境相互干扰。

电热方式是指利用液晶、低熔点材料等热敏材料的特性制成熔丝或热刀,通过电流产生热量输入及温度变化进行驱动。电热驱动方式输出的力和位移有限,由于需要一定热量累积,其作动时间较长,响应缓慢,性能一致性较差,且一般难以复位或无法重复使用。但其体积较小,分离冲击小。

3)气驱

气压驱动是指利用压缩气体对外做功进行驱动,常用的工作介质包括空气、氮气、氦气等。气压驱动易于调节输出性能、动作迅速、维护简单。气体黏性小,引起的流阻损失小。但由于气体具有较大的可压缩性,气压驱动受负载影响较大,难于精确控制。为获得更高的驱动能力,需要提高工作气压,对机构密封也提出了对应要求。

4)液压

常见的液压驱动形式包括执行直线运动的液压缸及执行旋转运动的液压马达等。液压驱动中通过调节流量控制速度,工作平稳、惯性小、刚性好、输出力大、功率密度高,在相同功率下液压马达等驱动元件的体积和重量优于普通电机。但液压驱动需要配置液压泵等附属系统,维护复杂,油液可能发生泄漏污染,进而影响系统可靠性,且液压驱动对油温和负载变化较为敏感。

5)智能材料

智能材料能够感知外界刺激并根据自我判断做出响应,是一种集结构和功能于一体的新型材料。具有自主变形、质量轻和柔性释放等优点。基于智能材料研制的分离机构具有自我驱动的特点,因此结构被大幅度简化。其缓慢变形、柔性释放特性可有效避免火工装置瞬间释放所带来的巨大冲击。智能材料的可重复使用特性使得这类机构具备可检可测性,有效提高了机构的可靠性。但是相比机械结构,智能材料的承载能力较低。目前这类机构的飞行案例有限,使用成熟度相对较低,同时,新材料的使用需要满足空间辐照和温度等环境因素的要求。各类分离机构能源的特点如表3所示,驱动性能如图5所示。

表3 分离机构驱动能源特点Table 3 Characteristics of the drive energy of separation mechanisms

图5 机构能源驱动形式与特性分析图Fig.5 Form and characteristic analysis of the mechanism driving energy

根据运载火箭分离机构解锁、分离功能对触发及分离能源的性能需求,采用响应频率表征驱动能源针对动态指令的输出能力,采用功率表征驱动能源的稳态输出能力,从两个维度对各种驱动能源的特点进行分析。电热驱动方式需要一定时间热量累积才能完成作动,对指令的响应缓慢,响应频率很低;采用热敏材料的热变形进行驱动,输出的力和位移较小,输出功率较小。气压驱动方式由于气体具有很大的压缩性,对负载比较敏感,难以实现精确控制,其响应频率也较低;气压驱动可利用箭上增压输送系统提供高压冷气,气压可达数十兆帕,远超一般工业应用工况,做功能力很强,同时可通过改变供气系统元件参数调节输出性能,从而覆盖宽幅功率需求。电机驱动方式受负载惯性影响,一般而言响应频率与输出功率负相关,其具体性能与电机类型有关。微小力矩电机输出能力较小,但响应较快。步进电机的输出力矩随转速增大而减小,其工作转速较低,一般仅为每分钟几百转,一般不具有过载能力,输出功率有限。步进电机的启动频率过高时易发生丢步,转速过高时易发生过冲,启动响应较慢,从静止到工作转速需数百毫秒,因此响应频率有限。直线电机的输出能力有限,但传动环节较少,响应频率有所提高。伺服电机的输出力矩大、转速高,具有较强的过载能力,最大转矩可达额定转矩的数倍,同时加速性能好,仅需数十毫秒可从静止加速到额定转速,实现快速启停,响应频率较高。液压驱动采用液压油作为工作介质,工作压力高,对应的输出力及功率很高;同时液体可压缩性小,液压驱动工作平稳,惯性小,响应频率较高;但液压驱动需要设计复杂的供油回路,且液体黏性大,因此不适用于小功率工况。

4 运载火箭分离机构发展趋势及建议

纵观国内外运载火箭分离机构发展历程,从助推分离、级间分离、整流罩分离、有效载荷分离到栅格舵等新式机构分离,运载火箭分离机构逐渐向着多样化、复用化、低冲击等方向发展。分离机构通过多种连接形式与不同能源方式进行组合可实现不同机构构型设计方案,结合运载火箭功能需求与使用环境,以及分离机构产品连接形式与驱动能源性能对比如图6所示,运载火箭非火工分离机构技术发展建议如下。

图6 分离机构连接形式与驱动能源种类性能对比雷达图Fig.6 Radar diagram of the connection forms and drive energy of separation mechanisms

单点拔销式是最基本和通用的连接形式,具有连接应力小,结构形式简单可靠性高等优点,但连接区域难以施加预紧连接力,对连接部位刚度支撑较差。对应分离能源优先采用气驱、液压等作用力以及作用行程较大的驱动形式,有利于分离机构克服连接面分离时的分离阻力。在分离裕度充足情况下,单点拔销式也可采用电动拔销或电驱触发加机械释放的设计形式。

单点分瓣螺母式适用于气驱驱动与电机触发加机械储能驱动组合的设计方案,也可采用智能材料触发加机械储能驱动组合的设计方案。分瓣螺母连接形式相对整体螺母,连接承载能力基本相当,但解锁释放时间及可靠性大幅提升。不同能源下,整体螺母相对分瓣螺母均不存在优势,故分离机构不宜采用整体螺母,推荐使用分瓣螺母连接形式。

球锁连接形式可在气驱、电驱与智能材料触发三种能源下实现单点小承载连接。球锁式分离机构最大优势在于空间利用高,可实现有限空间下单点高效连接与可靠分离。相对拔销式的轴向伸缩空间,球锁多采用径向伸缩空间的释放形式。球锁球形连接形式在小载荷下分离可靠性相对于销形形式更为可靠,所需设计连接空间与作动空间均更小。

卡爪连接形式是单点连接中结构形式最为复杂的形式。连接状态下连接面多且多为非连续光滑过渡形式,导致在机构作动过程中,对接面磨损严重,机构整体可靠性偏低,对连接面润滑设计或摩擦控制要求高。卡爪连接形式仅推荐用于大剪力与大弯矩单点连接状态,且对应驱动能源只适用于高压气体驱动,以通过提高气体压力提升机构解锁功能整体裕度。变形连接形式相对于卡爪连接形式更为复杂,不仅对连接分离区域润滑设计与摩擦控制要求高,而且对变形材料性能及环境适应性要求高,不论在任何能源驱动下,均不建议使用此方案。

多点联动结合应用需求不同可通过串联或并联两种形式进行实现。优先推荐使用气驱能源驱动的锁钩式多点联动机构方案,机构整体可靠性高,气驱能源裕度大,作动动作传递范围广,传递过程对间隙及动特性影响小。对于基于电驱能源形式的锁钩机构推荐用于单点或并联连接形式。单点形式电驱相对气驱能源形式相对简单,并联形式传递路径相对串联短,有利于电驱能源作动。

线式连接分离多采用单点或双点解锁分离方式,连接形式推荐使用包带式连接形式。刚性包带相对柔性包带在连接区域应力分布均匀性上更有优势。同时刚性包带自身存储弹性势能作为主要的推离能源,对对接框刚度及匹配性相对柔性包带有更强的适应性,对应可靠性更高。目前国内外刚性包带有分体式、滑槽式与整体式三种设计构型。其中分体式与柔性包带形式接近,仅增加了卡块布置密度与带体刚度。滑槽式使用刚度更强的卡槽环框代替分体式中刚性带体,虽然通过环框提升了对卡块的约,但整体质量较重,材料利用率较低。推荐使用整体式刚性包带,不仅在卡块约性能上实现大幅提升,而且刚性包带整体材料利用率最优,通过加温预紧的方法,带体整体预紧力分布较柔性包带也更为均匀。箱式分离机构多用于立方星释放,推荐多用于标准立方星释放任务,对于非标准立方星除个性化设计箱体式分离机构外,推荐使用单点独立式或多点联动式分离机构方案。

随着运载火箭的持续进步,新能源、新工艺、新材料等新技术不断发展,复用化、商业化、一箭群星、长期在轨等新需求增加,运载非火工分离机构也将呈现一些新的研究方向:

1)模块化组合式分离机构平台设计技术:为提升运载火箭适应不同发射对象与组合发射任务的需求,具备模块化接口连接与组合式分离释放功能的分离机构平台将成为提升运载火箭商业发射能力的主要支撑。平台是指运载火箭与不同有效载荷的连接均由不同功能的可更换模块标准分离接口组成实现,可以实现不同运载火箭对不同发射任务不同组合设计,提高工作效率,降低研制成本。

2)基于智能材料新式分离机构设计技术:通过电敏、热敏、磁敏、光敏等先进智能材料,运用智能材料主动性,通过产品设计利用其机械变形与温度、电流、磁场等变化耦合性,实现机械响应和非机械响应之间的可控转换。采用形状记忆合金、形状记忆聚合物、压电材料等体积小、适应性好、振动稳定性强、能耗小等优势,进一步提升运载火箭分离机构分离冲击、作动精度与适应性等性能。

3)深空及深远海等领域技术延伸及推广应用:运载火箭非火工分离机构具有低冲击、高可靠、无污染、可复用等优点,其应用场合也可不局限于航天发射领域。诸如长期在轨服务、深空探测、水下航行以及智能变形飞行等领域也可使用。