馬海濤，陳 健，魏 青，唐妹芳

（上?？臻g推進(jìn)研究所，上海200233）

0 引言

從上世紀(jì)90年代以來(lái)，發(fā)射長(zhǎng)期在軌的載人近地空間站已成為當(dāng)今世界各大國(guó)在航天領(lǐng)域中爭(zhēng)相追逐的目標(biāo)。研制和發(fā)射載人的近地空間站并不等于它可以長(zhǎng)期在空間在軌運(yùn)行。如果要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，首先必須解決空間站推進(jìn)系統(tǒng)能夠持續(xù)工作的基本條件——推進(jìn)劑及增壓氣體的補(bǔ)給。推進(jìn)劑目前大部分是消耗量大、有毒、易燃、易爆的液體，而增壓氣體是高壓、易漏的氣體，能否安全地、可靠地進(jìn)行在軌補(bǔ)加成為各國(guó)空間站研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。

浮動(dòng)斷接器也稱“在軌補(bǔ)加接頭”，是在軌補(bǔ)加的關(guān)鍵技術(shù)之一。其主要作用是隨著兩飛行器（如空間站與貨運(yùn)飛船）的對(duì)接和分離，依據(jù)一定要求來(lái)實(shí)現(xiàn)液路和氣路的連通和斷開，從而實(shí)現(xiàn)兩飛行器之間的燃料、氧化劑和氣體的傳輸。

1 浮動(dòng)斷接器的功能要求

在貨運(yùn)飛船與空間站對(duì)接時(shí)，浮動(dòng)斷接器的主動(dòng)與被動(dòng)部分可能出現(xiàn)不同的軸度，為了補(bǔ)償這個(gè)偏差，浮動(dòng)斷接器的主動(dòng)部分一般設(shè)有不同軸度的補(bǔ)償器。因此，根據(jù)空間飛行器以及其工作環(huán)境的特點(diǎn)，浮動(dòng)斷接器必須具有如下的功能：

1）具有“浮動(dòng)”適應(yīng)對(duì)接后可能產(chǎn)生的相對(duì)位置（角度和徑向）偏差的能力；

2）具有小的反作用力，不能影響對(duì)接機(jī)構(gòu)的對(duì)接和分離；

3）具有自動(dòng)鎖緊/解鎖的能力；

4）具有位置顯示的能力。

2 國(guó)外的研制情況

浮動(dòng)斷接器有兩類方案：無(wú)源方案和有源方案。

無(wú)源方案：本身不具備自動(dòng)插合能力，即本身沒有執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所有的主動(dòng)位移的產(chǎn)生均依靠?jī)蓚€(gè)對(duì)接飛行器的移動(dòng)得到，這就意味著，必須在飛行器完成對(duì)接的同時(shí)也完成浮動(dòng)斷接器的對(duì)接，這會(huì)給對(duì)接機(jī)構(gòu)的分離帶來(lái)額外的干擾力，可能影響運(yùn)輸飛船分離姿態(tài)。

有源方案：本身具備主動(dòng)移動(dòng)功能，即自帶執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)一端接頭的推出和回縮。由于浮動(dòng)斷接器自身具備了執(zhí)行功能，可以在對(duì)接機(jī)構(gòu)完成對(duì)接后（或分離前）進(jìn)行自身的對(duì)接和分離，這樣對(duì)對(duì)接機(jī)構(gòu)的影響降到最低。但同時(shí)由于不能依靠對(duì)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行鎖緊/解鎖，因此自身必須具備鎖緊/解鎖功能。要產(chǎn)生浮動(dòng)斷接器的直線運(yùn)動(dòng)，有多種方式。但由于空間環(huán)境和資源的限制，一般采用兩種方式：一種是美國(guó)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，另一種是俄羅斯的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。

氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)：利用氣體的壓力驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，這在工業(yè)上應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)相對(duì)成熟，但需要提供額外的氣源，在一定程度上，增加了系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)：利用蝸輪蝸桿將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，同樣在工業(yè)上廣泛應(yīng)用，但對(duì)于電功率需求較大，并且體積、重量也相對(duì)較大。但是，若同時(shí)控制多個(gè)浮動(dòng)斷接器的對(duì)接，其體積和重量平均下來(lái)還是有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.1 俄羅斯

在上世紀(jì)80年代左右，在軌補(bǔ)加技術(shù)在蘇聯(lián)的“禮炮”空間站成功進(jìn)行了應(yīng)用，后經(jīng)過二十多年的發(fā)展，俄羅斯（前蘇聯(lián)）在此領(lǐng)域取得了國(guó)際領(lǐng)先地位。在90年代初，美國(guó)也開始進(jìn)行在軌補(bǔ)加技術(shù)的研究，并取得了一定的成果。

俄羅斯在補(bǔ)加技術(shù)上研究較早，其技術(shù)相對(duì)比較成熟。圖1是用于貨運(yùn)飛船和軌道站對(duì)接的補(bǔ)加接頭。其主要的工作特點(diǎn)是：采用插入式結(jié)構(gòu)，主動(dòng)端較為復(fù)雜，被動(dòng)端簡(jiǎn)單。由于被動(dòng)端位于空間站上，長(zhǎng)期在軌運(yùn)行，空間環(huán)境惡劣，因此采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以增加可靠性。

其工作原理：在對(duì)接時(shí)，依靠氣體壓力推動(dòng)插入管，在主動(dòng)插入管的錐形接頭和被動(dòng)端的錐面導(dǎo)引下插合。在分離時(shí)，排空氣腔壓力，插入管依靠彈簧力自動(dòng)回縮。通過一個(gè)鍥型塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)接偏差的補(bǔ)償。密封結(jié)構(gòu)采用雙道O形圈密封。補(bǔ)加接頭的鎖緊采用氣動(dòng)方式，通過氣體壓力推動(dòng)鎖緊裝置鎖緊，反之，卸壓解鎖。

2.2 美國(guó)

在80年代末期到90年代初期，美國(guó)為了實(shí)現(xiàn)利用航天飛機(jī)對(duì)衛(wèi)星或空間站進(jìn)行推進(jìn)劑補(bǔ)加，開始對(duì)在軌補(bǔ)加技術(shù)進(jìn)行研究。在補(bǔ)加接頭技術(shù)上形成了標(biāo)準(zhǔn)的模塊，并將補(bǔ)加接頭模塊系列化和組合化，并已完成了地面試驗(yàn)。在補(bǔ)加接頭上，主要包括兩大產(chǎn)品，一個(gè)是自動(dòng)流體接口系統(tǒng) （Automated Fluid Interface System，簡(jiǎn)稱AFIS），另一個(gè)是通用補(bǔ)加接口系統(tǒng)（Universal Refueling Interface System，簡(jiǎn)稱 URIS）。

通用補(bǔ)加接口系統(tǒng)工作原理：在每個(gè)獨(dú)立的接頭上不具備鎖緊/解鎖功能，而是通過模塊上的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行鎖緊/解鎖，其類似于卡口式電燈泡的安裝；利用電機(jī)實(shí)現(xiàn)一組補(bǔ)加接頭（在一個(gè)模塊內(nèi)）的鎖緊/解鎖，其重量和體積可以得到減少。但是，在需獨(dú)立控制每付（或不再同一模塊內(nèi)的）補(bǔ)加接頭的時(shí)候，就必須為每個(gè)接頭配備一臺(tái)電機(jī)，增加結(jié)構(gòu)重量。

3 浮動(dòng)斷接器方案

3.1 方案選擇

表1是各種浮動(dòng)斷接器方案的比較，通過比較可知：有源方案的浮動(dòng)斷接器自身具備了執(zhí)行機(jī)構(gòu)使得其可以在飛行器完成對(duì)接后（或分離前）自己進(jìn)行對(duì)接（或分離），其不對(duì)飛行器的對(duì)接和分離帶來(lái)的影響，并可實(shí)現(xiàn)多次嘗試。其中，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案，其氣體可利用運(yùn)輸飛船推進(jìn)系統(tǒng)的增壓氣體，這樣可以不需要獨(dú)立的一整套供氣系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)資源的影響可相對(duì)減少。

綜上所述，浮動(dòng)斷接器采用有源的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案是比較適宜的。

表1 浮動(dòng)斷接器方案比較Tab.1 Comparison of floating coupling schemes

3.2 方案設(shè)計(jì)

補(bǔ)加系統(tǒng)方案如圖2所示，浮動(dòng)斷接器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)需要進(jìn)行推進(jìn)劑補(bǔ)加時(shí)，首先對(duì)主動(dòng)端（貨運(yùn)飛船）的控制氣進(jìn)口1通氣（2排氣），推動(dòng)插入管前進(jìn)。在和被動(dòng)端（目標(biāo)飛行器）接觸后，由浮動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)徑向偏移和角度偏轉(zhuǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，最終使得插入管和被動(dòng)端的接受管插合。永磁鐵提供鎖緊力，確保主動(dòng)端的插入管不會(huì)退出。當(dāng)完成補(bǔ)加后，關(guān)閉浮動(dòng)斷接器兩端的電磁閥，開啟吹除路的電磁閥，浮動(dòng)斷接器兩端電磁閥之間的管路進(jìn)行吹除。吹除完成后，從控制氣進(jìn)口2進(jìn)氣（1排氣），在氣體壓力的驅(qū)動(dòng)下，克服摩擦力，使插入管退出接受管，最終完成分離。

浮動(dòng)斷接器方案的主要特點(diǎn)：

1）采用控制氣作為驅(qū)動(dòng)氣體；

2）位置補(bǔ)償機(jī)構(gòu)采用徑向均勻布置8根彈簧、軸向布置4根彈簧，完成浮動(dòng)功能；

3）在插入管上安裝永磁鐵達(dá)到自鎖功能；

4）具有位置指示功能；

5）被動(dòng)端結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠。

3.3 工作原理

當(dāng)需要進(jìn)行推進(jìn)劑補(bǔ)加時(shí)（在完成空間站和貨運(yùn)飛船的對(duì)接后），首先對(duì)主動(dòng)端（運(yùn)輸飛船）的控制氣進(jìn)口1進(jìn)氣（2排氣），克服永磁力和摩擦阻力，推動(dòng)插入管前進(jìn)。在和被動(dòng)端（空間站）接觸后，由浮動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)徑向偏移和角度偏斜進(jìn)行補(bǔ)償，最終使得插入管和被動(dòng)端的接受管插合。此時(shí)永磁力和氣動(dòng)力（也可只依靠永磁力）提供鎖緊力，確保主動(dòng)端的插入管不會(huì)退出。

當(dāng)完成補(bǔ)加后，關(guān)閉浮動(dòng)斷接器兩端的電磁閥，開啟吹除路的電磁閥，浮動(dòng)斷接器兩端電磁閥之間的管路進(jìn)行吹除。吹除完成后，從控制氣進(jìn)口2通氣（1排氣），克服永磁力和摩擦阻力，使插入管退出接受管，最終完成分離。浮動(dòng)斷接器的實(shí)物外形如圖4所示。

3.4 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

3.4.1 偏差的補(bǔ)償

在對(duì)接機(jī)構(gòu)完成對(duì)接后，浮動(dòng)斷接器的兩端不可避免的存在徑向偏移和角度偏斜，因此必須采用浮動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償。其關(guān)鍵點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高兩方面。

對(duì)于角向偏移的補(bǔ)償：在被動(dòng)端，采用了全角 60°～90°錐孔進(jìn)行導(dǎo)向。

對(duì)徑向偏移的補(bǔ)償：在主動(dòng)端，利用一周向柔性支撐機(jī)構(gòu)，使其具備在徑向的移動(dòng)能力，滿足徑向偏移的補(bǔ)償要求。周向柔性支撐機(jī)構(gòu)原理如圖5示。

3.4.2 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是整個(gè)浮動(dòng)斷接器中的關(guān)鍵裝置，其關(guān)鍵在于：在保障可靠性的前提下，盡可能的減少體積和重量。設(shè)計(jì)方案是：直接采用活塞原理，利用氣體帶動(dòng)插入管前移，其密封采用兩道O型圈密封，上游通過電磁閥控制進(jìn)氣或放氣。

3.4.3 永磁路的設(shè)計(jì)

永磁鐵在浮動(dòng)斷接器中主要完成兩個(gè)功能：

1）提供由于位置變化引起的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化量。浮動(dòng)斷接器在進(jìn)行對(duì)接的時(shí)候，需要對(duì)插入管的狀態(tài)進(jìn)行位置顯示。本方案采用霍爾微動(dòng)開關(guān)，通過感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，來(lái)對(duì)插入管的位置進(jìn)行顯示。因此在設(shè)計(jì)永磁鐵時(shí)，將永磁鐵固定在插入管活塞的兩側(cè)，使磁場(chǎng)的變化量較大，永磁磁場(chǎng)分布圖如圖6所示。通過對(duì)霍爾微動(dòng)開關(guān)的試驗(yàn)，驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)的合理性。

2）具有位置自鎖功能。永磁鐵采用環(huán)形磁鐵，一面為N級(jí)，另一面為S級(jí)，分布在插入管活塞的兩側(cè)，通過對(duì)該磁路進(jìn)行仿真計(jì)算，得到永磁吸力約為40 N。經(jīng)過計(jì)算由于加速度產(chǎn)生的沖擊力為9 N，不會(huì)引起插入管的位置變化。通過力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證了浮動(dòng)斷接器的位置自鎖功能。

3.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

該方案的浮動(dòng)斷接器進(jìn)行了插合試驗(yàn)、漏率檢測(cè)試驗(yàn)、動(dòng)作裕度試驗(yàn)，能夠滿足有位置及角度偏差下的插合及回退，并且在插合下氦氣漏率檢測(cè)，能夠滿足小于1×10-6Pa·m3/s的要求。進(jìn)行并通過了力學(xué)環(huán)境、溫度環(huán)境及壽命試驗(yàn)考核，初步驗(yàn)證了該浮動(dòng)斷接器方案的可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)國(guó)外浮動(dòng)斷接器技術(shù)的分析，提出了一種浮動(dòng)斷接器的方案，并對(duì)方案的工作原理進(jìn)行了闡述。目前，該方案的產(chǎn)品通過了力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)、溫度環(huán)境試驗(yàn)及壽命試驗(yàn)的初步考核，驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)合理，密封形式可靠。

[1]HAMILTON W.Automatic refueling coupling for on-orbit spacecraft servicing,AIAA89-2731[R].USA:AIAA,1989.

[2]STUDENICK R M.Automated fluid interface system(AFIS)for remote satellite refueling,AIAA 90-1884[R].USA:AIAA,1990.

[3]CARDIN J.A standardized spacecraft resupply interface,AIAA 91-1841[R].USA:AIAA,1991.

[4]劉國(guó)強(qiáng).ANSOFT工程電磁場(chǎng)有限元分析[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[5]D K休澤耳著.趙元修,吳守生,金如山,等譯.液體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1973.

[6]劉國(guó)球.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理 [M].北京:宇航出版社,1993.

[7]R H沃林著.宋學(xué)義,張正義譯.密封件與密封件手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1990.

[8]朱寧昌.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)（下）[M].北京:宇航出版社,1994.