重型火箭无人值守箭地气液连接技术研究

王 南，吴新跃，李泳峄，王 忻，肖士利

（1.北京航天发射技术研究所，北京，100076；2.北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引 言

火箭箭地气液连接器用于推进剂的加注泄回、贮箱泄压以及箭上用气的输送。在低温推进剂开始加注后，人员撤离现场，此时气液连接器进入无人值守状态，连接器在后续的发射流程中必须可靠地自动分离脱落。一旦火箭中止发射，需要泄回推进剂，气液连接器应能自动对接或保持锁紧密封状态。国外航天发展史上曾出现过多次与推进剂加注、泄回过程有关的灾难性事故，造成重大的人员伤亡和财产损失。中国重型运载火箭相比在役火箭，规模显著增加，为满足推进剂加注要求，气液连接器和加注管路的通径必须相应增大。同时，采用气液接口组合方式后，箭地气液连接器本身的规模也大幅增长。上述因素均为箭地气液接口的自动连接和脱落带来了困难。本文对国外重型火箭无人值守气液连接技术进行分析，提出适用于中国重型火箭的箭地气液连接无人值守方案。

1 国外重型火箭箭地气液连接情况

1.1 美 国

美国重型火箭主要包括土星V、航天飞机、战神火箭、德尔塔重型以及Falcon重型。土星V火箭箭地气液连接系统见图1 及表1，德尔塔重型火箭以及战神火箭的箭地气液连接系统见图2～3。箭地连接采用气、液、电、机械一体化自动对接与脱落的组合箭地连接技术［1-2］，火箭连接器组合设计将气、液、电及空调管路等箭地接口组合到最少数量的组合板上，组合板通过一个脐带装置进行对接脱落，实现快速对接、点火前自动脱落。

图3 战神火箭连接器面板Fig.3 Connector of Ares

美国重型火箭箭地连接的主要特点如下：

a）美国重型火箭的发射区相对简化，气液连接器转场至发射区前完成连接和测试。

b）发射区勤务塔为非包围型勤务塔，摆杆系统较为庞大，能够容纳连接器自动对接装置，人员可通过摆杆到达箭地接口附近。

c）一级或助推的低温推进剂加泄连接器位于火箭尾部，具备二次自动对接功能。

d）二级及二级以上的火箭级多采用零秒脱落技术。

e）火箭点火后摆开或后倒的摆杆位于无助推侧，火箭与摆杆及脐带塔之间的安全距离相对较大，增加了火箭起飞初始段飞行的安全性。

f）箭地气液接口多采用组合化方式，大通径液路接口与多路供气、电气接口组合设计，连接器规模较大，均采用自动对接装置完成对接。

1.2 俄罗斯

俄罗斯的重型火箭主要为能源号、安加拉号。安加拉号火箭的箭地气液连接系统如图4所示。俄罗斯的火箭气液连接采用全方位组合化方案，不仅在发射阵地采用组合化脐带装置，在技术测试阵地也采用组合化脐带装置。俄罗斯的火箭脐带装置在组合化阵列包括电气及非燃性气路管线组合化，包括各种电气线路、非燃性供气管路、增压管、测压管等。俄罗斯气液连接器的工作模式有完全自动对接和自动脱落、遥控手动对接和脱落。

图4 安加拉火箭箭地连接Fig.4 Connector system of Angara

俄罗斯重型火箭箭地连接的主要特点如下：

a）俄罗斯火箭一般采用“三平”测发模式，火箭转场后进行箭地气液连接；

b）发射区箭地气液连接工作较多，发射区设置大型勤务塔架，便于人员到达火箭相应部位，并对箭地气液连接点进行检查；

c）采用组合化箭地气液连接装置，可以全自动对接、脱落；

d）芯一级及助推的箭地气液连接均位于火箭尾部，脱落后具备再次自动对接能力；

e）芯二级箭地气液连接器脱落一般为零秒脱落形式，采用摆杆辅助连接，摆杆一般位于火箭斜后方两侧。对于带助推的火箭构型，依靠火箭发动机对火箭进行牵制，使摆杆在火箭起飞前摆动至安全区域内。

2 中国重型火箭无人值守测发流程对箭地气液连接系统的设计需求

2.1 中国重型火箭无人值守测发流程

中国重型火箭的芯级直径较大，根据任务需求，火箭构型包括三级、三级半以及通用芯级并联等多种构型［3］。重型火箭的测发模式在现有新一代火箭“三垂”测发模式的基础上进行了优化［4］，采用短距离移动方案，简化发射区勤务系统，火箭在低温推进剂加注开始后进入无人值守自动发射流程。火箭中止发射时，已脱落的箭地气液连接接口自动连接，未脱落的箭地气液连接接口保持密封状态，直至低温推进剂泄回，火箭完成抢险处理。

2.2 测发流程对箭地气液连接系统的设计需求

根据测发流程，箭地气液连接系统应满足以下要求：

a）满足低温推进剂无人值守加注及发射要求，具备火箭故障情况下无泄出低温推进剂；

b）统一供配气，简化并减少箭地接口，采用集成化、组合化和自动化设计；

c）减少连接器射前脱落动作，提高发射可靠性；

d）降低人员操作难度，技术区的箭地气液接口连接采用自动化手段。

3 中国重型火箭箭地连接总体方案技术分析

根据国内外火箭箭地连接方案特点，按照集中化、组合化和自动化的原则开展箭地接口总体方案设计。

a）由于发射区采用简易勤务系统，无全封闭式工作平台，低温氧气以及煤油蒸气在加注及发射流程时直接排大气，取消各火箭级液氧氧排连接器以及煤油排气连接器。技术区可采用简易接口完成安全排气需求。

b）重型火箭加泄及排气活门通径较大，箭地气液连接器规模较在役火箭气液连接器显著增大，在技术区采用自动连接装置，完成箭地气液接口连接及检测。

c）尽量减少摆杆和对接脱落装置的数量，对接脱落芯一级以上的火箭级，对气液连接器采用组合化方案。根据推进剂加泄时序以及供气时机进行气液组合设计，零秒脱落的液路连接器与零秒气路进行组合，火箭中止发射后，不再使用的供气气路和提前脱落的液路连接器组合。

d）尽量减少箭地低温液路接口连接数量，优化接口位置布局。芯级氢箱两个对称的排气阀在射前加注阶段仅开启一个，用于地面排气，另一个排气阀保持氦气吹除，防止倒吸冻结。

e）减少地面供气管路，各芯级发动机和箭上用气采用统一供配气方案，将用气压力等级统一为35 MPa、23 MPa、5 MPa 和2.5 MPa 四个等级。取消气管连接器，所有气路进入可零秒脱落的气路组合连接器，避免冷氦气路脱落后再次对接时密封可靠度低的问题。高压气路在火箭起飞前停止供气，减小连接器脱落难度。

f）电气系统采用无线测试方案，取消电脱拔物理连接。在助推、芯一级尾段分别设置磁耦合箭地无线供电接口，在芯一级以上的火箭级分别设置箭地激光无线供电和双向无线通信接口。

4 箭地气液接口连接技术分析

箭地气液接口方案分析主要针对无人值守要求下的气液连接器对接脱落方式开展。对于“三垂”测发模式，气液连接器在技术区已完成连接和测试，火箭转场至发射区后，气液连接器保持连接状态，加注低温推进剂时发射区现场无人值守，在射前流程按照规定的时刻远控脱落。在中止发射时，气液连接器可以在规定的时间内远控自动对接或保持密封状态并进行状态监测，完成低温推进剂的泄回或补加。

可以实现上述功能的箭地气液接口方案主要包括零秒脱落和自动对接两类。对两类气液连接方案以现有型号的需求开展了原理样机的研制和试验。

4.1 自动对接箭地气液接口技术

自动对接箭地气液连接系统主要由摆杆、自动对接装置、组合气液连接器组成，其中自动对接装置由控制和柔性环节机械导向等部分组成。

气液连接器在进行自动对接时，安装于摆杆上的自动对接装置机构与箭上接口均在持续晃动。由于无全包围的回转平台，加满推进剂的重型火箭在地面20 m/s 的风速下，高空活门处的晃动量预计能达到±300～±400 mm，摆杆上的自动对接装置机构的晃动量预计能达到±100 mm。检测系统需对箭上接口进行实时、准确的检测，与传统的静态目标检测技术相比难度明显增加，且对接场合存在低温、水汽、雾气等不利环境因素，给动态检测带来很大的困难。

自动对接系统的检测系统对动态目标进行检测，其控制系统原理如图5所示。将连接器与箭上接口的位置偏差反馈至控制系统，通过控制系统、机械调整跟随系统实现连接器对箭上接口的实时跟踪随动，并实时监控连接器与箭上接口的作用力。减小跟踪误差是气液连接器顺利对接以及保持姿态的关键因素。系统跟踪误差仿真结果见图6。

图5 自动对接控制系统原理Fig.5 Schematic of automatic connecting control system

图6 系统跟踪误差仿真结果Fig.6 System tracking error simulation result

目前针对重型运载火箭的气液连接器自动对接技术已经开展了多轮原理样机的设计、试制和试验工作。在模拟风载情况下，气液连接器动态自动对接的最大跟踪速度满足箭体晃动需求。自动对接箭地气液连接低温试验见图7。

图7 自动对接箭地气液连接低温试验Fig.7 Test for automatic connecting system

为避免箭地连接器脱落后再次对接时引入多余物，保证接口的密封性，对箭地接口除冰和防冰技术开展研究，技术途径主要包括气封吹除、非金属材料的选择等。

自动对接箭地气液连接真正在工程上应用，还需要结合摆杆、箭上动力系统开展系统性分析研究，开展箭地连接接口一体化设计，合理设置气液连接接口位置［5］，降低对火箭风载下的姿态动态跟踪难度，提高自动对接箭地气液连接器对发射环境的适应性。

4.2 零秒脱落箭地气液连接技术

零秒脱落箭地气液连接是指火箭点火起飞后完成脱落的气液连接器。其包括火箭底部的气路插拔组合连接接口以及尾部和高空的液路连接接口。本文主要讨论液路连接接口。零秒脱落箭地气液连接系统主要由低温软管、气液组合连接器、脱落机构、锁紧密封机构等组成。

中国在役运载火箭已经使用的液路零秒脱落连接器为氢紧急排气连接器。氢紧急排气连接器在火箭正常发射流程下无推进剂流通，中止发射后具备氢箱泄压排气以及液氢燃料紧急泄回功能。氢紧急排气连接器在火箭起飞一定距离后依靠悬索强制拉脱脱落［6］。

为保证脱落可靠性，零秒脱落气液连接器一般采用多重冗余脱落机构。火箭点火后，根据总体时序给出连接器脱落信号，锁紧机构解锁，实现主动脱落；与此同时设置紧急脱落机构，在时序信号下，紧急脱落机构解锁；在前两种解锁方案均失效情况下，随火箭上升对连接器强制脱落。连接器脱落后通过摆索的限制使连接器进行钟摆运动，限制其运动轨迹，同时在防回弹弹簧的作用下弹射分离，远离箭体。

零秒脱落连接器的锁紧机构一般采用单点设计，避免多点解锁动作不同步引起解锁时的机构卡滞。在设计时需要考虑推进剂加注时的密封力、悬垂软管张力、强制拉断力等载荷。

重型火箭零秒脱落连接器采用气液组合接口，连接器液路通径远远大于在役运载火箭。同时气液连接器在火箭正常射前流程下需具备低温推进剂加注功能，为保证低蒸发量，气液连接器以及连接器后部与加注系统的连接软管均采用真空绝热设计。大口径的液路和组合的高压气路使得密封力、悬垂软管张力、强制拉断力等载荷大幅增加，这些载荷会通过箭地气液连接器支撑点全部传递到火箭上，火箭局部载荷较大。

根据重型火箭现有结构，分析计算了零秒脱落气液连接器的相关载荷条件，如表2～4所示。

表2 密封载荷Tab.2 Connector seal load

表3 气路对箭上球头反作用力Tab.3 Air path force of connector

表4 低温软管张力Tab.4 Cryogenic hose tension

目前针对重型火箭的大口径气液组合连接器的零秒脱落技术开展了多轮原理样机的研制工作。以液路通径DN150、组合多路高压气路为设计条件，选用自平衡气路连接接头，零秒脱落连接器完成了低温条件下带载主动脱落和非带载主动脱落的性能试验，解锁力达到设计要求。零秒脱落箭地气液连接低温试验见图8。

图8 零秒脱落箭地气液连接低温试验Fig.8 Test for T0-separation connecting system

4.3 重型火箭自动对接与零秒脱落箭地气液连接技术对比分析

采用自动对接箭地气液连接技术或零秒脱落箭地气液连接技术，其主要目的均为实现推进剂加注发射正常流程、中止发射流程和紧急关机流程的无人值守目标，尤其是中止发射流程和紧急关机流程的无人值守。因此，箭地接口方案的可靠性和安全性尤为重要。

结合中国重型火箭特点以及国外重型火箭箭地气液连接情况，从对射前流程的影响、对火箭的要求、对发射可靠性安全性的影响以及操作使用性方面对两类技术进行对比分析。

a）自动对接气液连接器在完成与火箭的对接后，自动对接机构一般采用被动跟随火箭运动的技术方案，气液连接器的固定机构与气液连接器为分离的状态，完成射前气液连接器脱落工作的主要动作如下：再次动态跟踪箭体姿态→气液连接器的固定机构再次连接气液连接器→气液连接器解锁脱落→摆杆摆开。零秒脱落方案中，气液连接器始终保持接口密封状态，气液连接器脱落主要动作为锁紧机构解锁，如零秒连接器架设在摆杆上，则需要增加摆杆摆开的动作。从连接器脱落流程的复杂度上来说，零秒脱落的动作相对较少，但零秒脱落的动作时刻为火箭起飞后，因此对脱落动作的速度要求较高，需要在3 s 内完成全部动作，可靠性要求较高。

b）自动对接系统具有柔性环节，在自动对接过程中，柔性环节可尽量减小对箭体的附加载荷，自动对接机构对箭体的附加载荷不超过10 000 N。通介质情况下，考虑低温软管张力、低温介质和气路介质密封力以及风载及管路晃动等因素，零秒脱落气液连接系统设置的强制拉断载荷应大于上述载荷之和。根据第4.2 节的分析，这些载荷形成附加载荷，作用在火箭对接接口附近，对于重型火箭气液连接器的规模，附加载荷不小于100 000 N。

c）自动对接过程特别是二次自动对接过程中，火箭和地面两侧的接口都应无冰、霜等多余物，以保证在对接过程中不引入多余物。由于零秒对接气液连接器在火箭起飞前一直保持密封连接，不存在引入多余物的风险。但对于两种气液连接器，为保证可靠脱落，在气液连接器与火箭保持连接的过程中，连接部位均应保持无结冰状态。

d）自动对接气液连接系统架设在摆杆上，按照现有重型火箭方案，满足芯二级和芯三级两种低温推进剂泄回功能，需要使用4 套自动对接气液连接器，因此摆杆至少应具备4套。考虑到提前脱落而不再需要对接的液路连接器的设置，芯二级和芯三级仍需要设置摆杆。因此重型火箭的自动对接气液连接系统需要在活动发射平台脐带塔上设置6根摆杆。为减小自动对接过程中的摆杆晃动量，摆杆应具有较高的刚度，按照芯三级箭地气液连接接口的高度，摆杆在地面风速20 m/s下，晃动量应尽量减小。综合前端自动对接气液连接器集中载荷、低温管路敷设、人员通行以及承受发射过程中的燃气流等各种载荷，摆杆规模较大。

e）零秒脱落气液连接器可按照无零秒摆杆辅助摆开方案设计，但对于故障状态下箭地气液连接位置的维护和检测，需要人员可达，仍需要配备具备人员通行功能的辅助摆杆，其数量与零秒气液连接器的数量相同。因此在摆杆数量上与自动对接气液连接器方案相同。对于采用零秒摆开辅助摆杆的零秒脱落气液连接器，需考虑摆杆的摆开时间，根据美国和俄罗斯重型火箭零秒摆杆的设置位置，应使摆杆位于不影响火箭起飞的空间内，摆动方向与火箭起飞方向相同，同时增加火箭在活动发射平台上的系留时间，保证摆杆可以可靠摆开。

f）对于两类方式的气液连接器本身，自动对接气液连接器采用多点锁紧。锁紧状态下，多个锁紧点为并联型可靠性模型，某一点失效不影响其密封性能。而脱落时多个锁紧点变为串联型可靠性模型，某一点失效则连接器脱落失效。因此自动对接气液连接器需要对提高单个锁紧机构的解锁可靠性开展技术攻关。零秒脱落气液连接器采用单套锁紧脱落机构，锁紧状态的可靠保持，需要单套锁紧机构提供足够大的载荷，而且不能误解锁。解锁状态下，零秒脱落气液连接器是通过多重系统冗余解锁方案实现可靠解锁，单套锁紧机构失效，仍可进行强制解锁。因此对于零秒脱落气液连接器的攻关重点在于小空间小质量下高承载的锁紧机构。

g）对于重型火箭，由于气液连接器口径较大，其自身规模相比在役火箭的气液连接器增加较多，两类连接器无论在技术区还是在发射区，均需要使用自动化的对接装置，区别在于，零秒脱落气液连接器的对接装置可仅在技术区使用，不需要具有无人值守功能。

4.4 重型火箭的箭地气液连接方案

综合考虑箭上动力系统方案、自动对接气液连接器和零秒脱落气液连接器难度和风险，同时参考在研和在役火箭箭地接口方案，在满足低温加注开始无人值守的要求下，按照简化射前流程和箭地接口集成化、组合化的原则，提出如下重型火箭的箭地气液连接方案：

a）所有独立的气路连接器均采用零秒脱落方式，位于箭体中部的零秒气路连接器尽量为低压气路连接器，减小高空气路零秒气路的技术难度。

b）一级和助推器煤油加泄连接器提前脱落，设置在箭体尾段。

c）一级和助推器氧加连接器采用自动对接方案，设置在箭体底部，点火前3 min 脱落。气液连接器与火箭连接的位置设计局部封闭环境，低温推进剂开始加注后至火箭起飞，该局部封闭环境保持正压氮气气封，避免潮湿空气进入导致连接接口结冰。

d）芯二级和芯三级液氧加泄连接器采用自动对接气液连接器方案，具备二次自动对接功能，-3 min脱落。芯二级和芯三级完成液氧加注后，加注阀门关闭，排空加注阀至箭地连接处之间管路的液氧，避免连接部位有持续的冷源存在。气液连接器脱落后，连接器对接部位以及箭上对接部位均需要采用正压气封等措施避免连接部位结冰。

e）芯二级和芯三级液氢加注连接器和液氢排气连接器受动力系统方案影响较大，需合理设置液氢泄回通路以及液氢紧急泄回通路。根据在役型号的研制经验，液氢加注连接器距离液氢加注阀较近，有持续的冷源影响，结冰现象相对液氢排气连接器严重，不利于作为脱落后再次对接的气液连接器。

f）若考虑推迟发射后低温推进剂补加和泄回两种需求，液氢加注连接器可采用零秒脱落方案，液氢排气连接器点火前3 min 脱落，脱落后不再对接。同时设置零秒脱落的液氢紧急排气连接器，作为中止发射后氢箱泄压的排气出口。由于芯二级液氢加注口较低，在助推器头锥顶点以下，不适合采用零秒摆开的辅助摆杆，因此液氢加注连接器的管路采用脐带塔至火箭的悬垂方案。

g）若不再考虑推迟发射后低温推进剂的补加，仅满足低温推进剂泄回的需求，泄回通路为在贮箱增压后经由液氢排气连接器泄回，则液氢加注连接器点火前3 min 脱落，脱落后不再对接。液氢排气连接器采用自动对接方案，点火前3 min 脱落后具备中止发射后的再次对接功能。类似于液氧加泄连接器，脱落后，液氢排气连接器对接部位以及箭上对接部位均需要采用正压气封等措施避免连接部位结冰。

5 结束语

目前，对于运载火箭发射流程无人值守的需求越来越迫切。本文通过对国外重型火箭箭地气液连接方式的分析，结合中国气液连接器自动对接和零秒脱落两类技术的研究现状，提出了满足中国重型火箭无人值守需求的箭地气液连接方案。无论自动对接方案还是零秒脱落方案，真正实现在型号上的工程化应用还需要根据中国重型火箭的测发模式及火箭总体方案、动力系统方案开展深入研究。