□文/頓向明、山磊、陸晉榮、鄭永煌、張育林

探究火箭推進劑加注機器人

□文/頓向明、山磊、陸晉榮、鄭永煌、張育林

我國在航空航天，尤其是火箭領(lǐng)域取得的成就是舉世矚目的。在火箭推進劑的加注過程中，加泄連接器的對接與脫離作為一項高危環(huán)節(jié)，卻仍采用人工方式。而令人欣喜的是，歷經(jīng)三代研發(fā)，我國已在酒泉實現(xiàn)火箭推進劑加注機器人的成功實驗。這其中經(jīng)歷了哪些曲折的發(fā)展？美國、俄羅斯在該領(lǐng)域又采取何種策略？望從本專題窺見一斑。

推進劑加注是火箭發(fā)射前的重要環(huán)節(jié)，加泄連接器的對接與脫離既是加注中的高危險環(huán)節(jié)，又是實現(xiàn)加注過程自動化需解決的首要問題。眾所周知，運載火箭液體推進劑具有易燃、易爆、易揮發(fā)和易腐蝕等顯著特性，少量吸入或接觸即可導(dǎo)致操作人員中毒傷亡。因此，研究加泄連接器的對接與脫離機器人技術(shù)，對于縮短發(fā)射前的準備時間、減少工作量及降低勤務(wù)人員因誤操作產(chǎn)生的緊急情況的風險大有裨益。該技術(shù)對于提高火箭和操作人員的安全性，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，減輕操作人員的勞動強度有著重要意義，因此世界各航天強國對加泄連接器與加注口的自動對接和脫離技術(shù)的研究一直非常重視。

“架棲”與“箭棲”

從目前國外對推進劑加注過程中對接與脫離操作機器人技術(shù)的研究來看，目前主要有兩種截然不同的研究方向——以俄羅斯為代表的“架棲”對接機器人技術(shù)和以美國為代表的“箭棲”對接機器人技術(shù)。

俄羅斯之“架棲”

俄羅斯在火箭加注自動對接技術(shù)方面的研究起步較早。他們采用了通過滑軌安裝在發(fā)射塔架上的對接機構(gòu)的“架棲”對接技術(shù)。其早期的連接器采用手動操作，發(fā)射場的參試人員較多。上世紀60年代，一次在拜科努爾發(fā)射場突然發(fā)生的火箭爆炸事故，造成了慘痛的人員傷亡和設(shè)施損失。為此，前蘇聯(lián)下定決心要避免人員在現(xiàn)場操作，逐步推行全面自動化措施。他們研制的自動對接系統(tǒng)具有機械本體、執(zhí)行機構(gòu)、跟蹤定位機構(gòu)、氣動系統(tǒng)、觸覺等裝置，這些裝置及導(dǎo)管等裝在滑軌式底座上，目前正在為“天頂”號和“聯(lián)盟”號運載火箭提供加注服務(wù)。

圖1 “天頂”號上的自動對接系統(tǒng)的連接與分離過程

以“天頂”號上的自動對接系統(tǒng)為例，加泄連接器與火箭的對接采用氣動方式進行鎖緊與分離，帶鎖緊裝置的鎖緊器產(chǎn)生將對接裝置壓到火箭的鎖緊力，以保證對接的密封性。另外，對接時，該系統(tǒng)具有導(dǎo)向機構(gòu)，以便限位與緩沖。自動對接裝置中還包含有檢查火箭加注活門與連接器連接部位密封性的專門系統(tǒng)，用于加注前對連接部件快速進行密封性檢查，檢查時間為1~2分鐘。整個對接過程全自動進行，機械本體及導(dǎo)管等安裝在滑架上，以氣動方式驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，跟蹤機構(gòu)檢測定位，觸覺系統(tǒng)與自動控制系統(tǒng)等會共同完成整個程序。

連接過程與脫離過程由發(fā)射設(shè)備遙控系統(tǒng)的中央控制臺控制，在進行維護工作時可使用現(xiàn)場的控制臺進行控制。自動找準裝置采用錐桿式機械導(dǎo)向，三個自由度的導(dǎo)引范圍小于±40毫米。自動對接系統(tǒng)固定安裝在一個專用倉內(nèi)，以保護自動對接臍帶不受燃氣流的沖擊。自動對接裝置處于火箭尾段側(cè)面，在發(fā)射前5秒自動脫落并回收，防護門自動關(guān)閉，以保護自動對接裝置免受發(fā)動機火焰噴烤，以便重復(fù)使用。

形成這種“架棲”對接技術(shù)的重要原因是由于俄羅斯的火箭加注口位于箭體尾段，自動對接裝置位于半地下的坑道里。對接機構(gòu)與加注口兩者基本處于相對靜止狀態(tài)，因此其對中檢測系統(tǒng)可大為簡化，采用氣壓驅(qū)動，通過錐桿式機械導(dǎo)向便能實現(xiàn)自動對接。

“架棲”對接雖然具有對接及脫離簡便可靠、操作時間短等優(yōu)點，并具有脫離后重復(fù)利用的功能，但其核心屬于剛性裝配技術(shù)，不可避免地存在環(huán)境適應(yīng)性差（只適用于加注口位于箭體尾段的火箭）、對箭體吊裝和安放等配套環(huán)節(jié)要求高、裝置本身體積龐大等不足之處，由此帶來的缺陷對于多級火箭則更加明顯?；鸺幼⒖诩杏诩w尾段，給各級之間的密封以及分離帶來了很大困難，這在很大程度上造成了火箭本身的可靠性降低。屢屢意外發(fā)生火箭爆炸的事實也間接揭示了這種基于剛性裝配技術(shù)的架基自動對接理念和其箭體系統(tǒng)設(shè)計的局限。

美國之“箭棲”

圖2 土星Ⅴ運載火箭SⅡ級加注連接器連接與脫落狀態(tài)

美國作為世界航天強國，經(jīng)過多年發(fā)展，形成了以火箭箭體為安裝基架的“箭棲”對接技術(shù)，即自動對接裝置安裝在火箭箭體上。在對接及加注的過程中，加注口與加泄連接機器人均處于相對靜止狀態(tài)。這樣便避免了對接和加注過程中因箭體晃動所產(chǎn)生的對中及隨動難度。

比如，著名的土星Ⅴ運載火箭SⅡ級采用了兩個8英寸的液氫和液氧加注連接機器人。它裝在第Ⅱ級中間，由服務(wù)臂支承，服務(wù)臂由人工事先安裝在箭體上。圖2(a)是連接狀態(tài)，圖2 (b)是脫落狀態(tài)。

“箭棲”對接技術(shù)的特點是分離機構(gòu)與連接機構(gòu)各自分開，分離機構(gòu)可不考慮密封和低溫對它的影響。

推進劑加注軟管和氣、電路連接裝置通過平衡臂式和萬向伸縮式裝置與發(fā)射塔架連接，連接器靠平衡臂支承和鋼索吊掛，以減小火箭的承力。在自動脫離的實現(xiàn)方面，對接裝置與火箭箭體之間的鎖緊解除后，利用火箭起飛所產(chǎn)生的上升運動進行強力脫離，當火箭起飛1.9厘米時才自動脫開。用于平衡加注管路自重的平衡臂和萬向伸縮式連接裝置在火箭起飛前收到尾部兩個服務(wù)塔里面，防止火焰燒壞。

“箭棲”對接的特點是自動對接裝置體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，對接的可靠性高。但使用前需要由人工先將對接裝置安裝在箭體上，這就造成一旦對接裝置與箭體脫離后則無法實現(xiàn)自動再對接。同時，由于必須要在火箭箭體上預(yù)留對接裝置的安裝接口，增加了箭體自重和發(fā)射負荷。

此外，利用箭體發(fā)射所產(chǎn)生的升力進行對接裝置與箭體的強力分離，雖然能夠完成自動脫離動作，但脫離動作缺乏流暢性，易對箭體活門和貯箱造成損壞。歷史上，美國曾發(fā)生過由于對接裝置不能從火箭上安全脫落，導(dǎo)致管路被火箭拉斷使火箭推進劑貯箱嚴重損壞，致使發(fā)射失敗的惡性事故。

我國的“兩棲綜合”

目前，我國運載火箭推進劑加注過程中，加泄連接器與箭體活門的對接與撤收工作仍采用傳統(tǒng)人工方式，如圖3。中國航天科技集團公司某所在國內(nèi)較早地開展了自動對接技術(shù)的研究，對低溫加注連接器自動跟蹤對接系統(tǒng)進行了預(yù)研，從理論基礎(chǔ)方面為運載火箭加注自動對接與脫離系統(tǒng)的研制進行了有益的探索，但由于體積龐大、基于剛性思路系統(tǒng)設(shè)計、對火箭安放初始位置及加注口要求高等原因，其任務(wù)缺乏適應(yīng)性，因此未能得到實際應(yīng)用。

圖3 我國仍采用人工方式進行對接與撤收

綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，可知對接技術(shù)的形成是與箭體結(jié)構(gòu)密不可分的。目前俄、美等國所采用的“架棲”和“箭棲”對接技術(shù)雖然相對較成熟，但從系統(tǒng)角度考察，仍存在諸多的不足之處。

為了實現(xiàn)對接與撤收的完全自動化，在充分調(diào)研國外現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，針對我國火箭箭體的自身結(jié)構(gòu)，提出“兩棲綜合”的對接技術(shù)。該技術(shù)以目前的“長二丁”火箭為使用對象，研究在不改變現(xiàn)有箭體結(jié)構(gòu)的情況下實現(xiàn)加泄連接器的自動對接與撤收。

“兩棲綜合”對接技術(shù)是融合“箭棲”對接技術(shù)和基于柔性裝配理念的新型“架棲”對接技術(shù)兩者優(yōu)點的高度集成體，采用這一新技術(shù)能夠有效解決我國航天發(fā)射領(lǐng)域的瓶頸問題，為打造航天強國、占領(lǐng)國際競爭的制高點奠定基礎(chǔ)，對提升我國高科技裝備的自主研發(fā)能力，培養(yǎng)高層次科研隊伍有極大的促進作用。

我們自2005年底開展了基于機器人技術(shù)的對接與撤收系統(tǒng)研究，歷經(jīng)三代升級完善，現(xiàn)已研制出能實現(xiàn)自動對接與撤收的工程樣機。

第一代機器人

第一代樣機基于箭棲技術(shù)，如圖4所示，它解決了人工操作無法完成的大泄漏情況下的自動再對接難題。目前，該樣機已在上海宇航系統(tǒng)工程研究所與真實火箭進行了合練，試驗結(jié)束后已投入發(fā)射任務(wù)使用。該型樣機自重45千克，通過箭體加注口周圍的四個螺釘孔實現(xiàn)對接機構(gòu)與箭體活門的相對連接固定，有近控和遠控兩種操作方式，能夠自動完成所需的對接與撤收動作，采用可變剛度柔順設(shè)計，實現(xiàn)了柔順對接及應(yīng)對大泄漏等意外情況快速再對接的雙重功能，解決了推進劑加注過程中最危險環(huán)節(jié)的自動化操作。對接機構(gòu)與箭體之間的脫離仍采用人工拆卸的方法，在4分鐘內(nèi)即可完成整個對接機構(gòu)與火箭箭體的完全脫離。

第二代機器人

圖4 第一代機器人工程樣機

圖5 第二代機器人本體

第二代樣機基于箭架兩棲的設(shè)計思路，針對對接作業(yè)精度要求高、加注過程中箭體隨機晃動等特點，提高整個系統(tǒng)應(yīng)對突發(fā)意外情況的可靠性，運用可重構(gòu)機器人技術(shù)，實現(xiàn)處于“箭棲”環(huán)境中的柔順對接機構(gòu)與工作在“架棲”環(huán)境中的智能對準平臺之間的結(jié)合與脫離，通過箭架轉(zhuǎn)換機構(gòu)完成柔順對接與脫離系統(tǒng)的可靠上箭，設(shè)計連接器卡鎖機構(gòu)完成柔順對接與撤收系統(tǒng)對加泄連接器的有效夾持，并采用耳板調(diào)整機構(gòu)，保證上箭后的加泄連接器與箭體活門間的位置精度，以最終實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計目標，如圖5所示。

圖6 (a) 自動上箭模塊安裝示意圖

圖6 (b) 自動上箭模塊安裝示意

自動上箭模塊是實現(xiàn)架棲向箭棲轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵功能模塊，主要解決機器人的自動上箭問題，也是第二代加注對接機器人的關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)主要完成XOZ和XOY 兩個平面內(nèi)的自主導(dǎo)引定位過程及輔助上箭過程。在XOZ 平面定位過程中，圖像處理算法提取箭體表面的十字標記交叉點；在XOY 平面定位過程中，圖像處理算法提取定位銷和耳板銷孔幾何中心。通過以上視覺信息以及運動規(guī)劃，完成平面內(nèi)自主導(dǎo)引定位過程。

平面定位完成后，針對定位銷插入耳板銷孔的過程，我們設(shè)計了力伺服算法，輔助上箭過程平穩(wěn)完成。經(jīng)過大量模擬實驗以及與真實火箭對接實驗，驗證了該自動上箭模塊控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，使該控制系統(tǒng)具有了工程應(yīng)用的可能性。其原理如圖6（a）所示，圖6（b）為機器人系統(tǒng)實物圖及上箭模塊局部圖。

第二代自動對接與脫離機器人完成了自動上箭、重構(gòu)、對接、應(yīng)急再對接等關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)工作，但由于其環(huán)境適應(yīng)性不強，因此在工程應(yīng)用方面，其缺點主要體現(xiàn)在對環(huán)境光線的強敏感性和初始位置的弱容差性，且由于結(jié)構(gòu)原因，后期的密封和抗腐蝕設(shè)計也很困難；另外，由于體積龐大，該機器人不適用于塔架的狹小空間，工作過程中的可重構(gòu)設(shè)計也降低了系統(tǒng)的整體可靠性。

第三代機器人

正是基于上述原因，在充分吸取前兩代機型經(jīng)驗與教訓的基礎(chǔ)上，我們開展了第三代樣機的研制。三代機的本體結(jié)構(gòu)如圖8所示，主要組成部分依次為：四自由度SCARA機械臂、柔順對接與撤收機構(gòu)（通過箭架機構(gòu)與可移動SCARA機械臂連接）、連接器卡鎖機構(gòu)（位于柔順對接與撤收機構(gòu)下方，實現(xiàn)與加泄連接機構(gòu)的連接鎖緊）、滑動筒收放機構(gòu)（安裝于加泄連接機構(gòu)卡鎖兩側(cè)，用于控制加泄連接機構(gòu)的套筒的收放動作）、箭架連接機構(gòu)（位于柔順對接與脫離機構(gòu)的前端，完成箭架系統(tǒng)與箭上定位銷、鉤之間的連接）、定位基板（箭上定位銷、鉤以箭體活門軸線為基準進行安裝，通過耳板調(diào)整機構(gòu)保證耳板與箭體活門之間的位置精度）。分布式泄漏檢測系統(tǒng)通過對加泄連接器周邊敏感點的實時監(jiān)測，完成氣密性等相關(guān)任務(wù)。后方操作人員通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對現(xiàn)場情況的監(jiān)督與控制。

上箭過程中，機器人通過激光雷達實時采集信號，與目標板形成控制閉環(huán)，當接近箭體時，機器人采取減速運動以提高對接精度，并作實時跟隨，對目標識別響應(yīng)頻率為0.5秒。當箭體因不可抗力產(chǎn)生小幅度擺動時，雷達也可實時跟隨，落銷時間為1秒，當火箭靜止時，落銷接觸到信號后，即打開機械臂各個關(guān)節(jié)離合，使機械臂處于柔性隨動狀態(tài)，箭架系統(tǒng)與目標板硬接觸時間為0.1秒，當火箭擺動時，箭架系統(tǒng)與目標板接觸時間與火箭擺頻成正比，擺頻越高，碰觸時間越長。碰觸期間可由機器人的離合器額定扭矩特性來卸除硬接觸力，實現(xiàn)關(guān)節(jié)隨箭體擺動，從而達到保護箭體和機器人安全的目的。

圖7 控制系統(tǒng)流程

工程化實施與展望

為了保證樣機的實用性，設(shè)計階段我們進行了預(yù)想事故分析，對會引起加注系統(tǒng)過負荷、控制失效等對火箭安全構(gòu)成威脅的故障進行模擬，從而對整個機器人自身安全水平、機器人對火箭的安全水平等進行充分評估。

2014年8月至12月，我們在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地進行了機器人的相關(guān)裝配和調(diào)試，初步確認了機器人各機構(gòu)功能的可靠性，進行了模擬上箭、對接、泄漏封堵、撤收等試驗，驗證了機器人系統(tǒng)的可行性，并在此基礎(chǔ)上進行了氧化劑泄漏環(huán)境的作業(yè)流程，驗證了機器人在泄漏環(huán)境中，機器人的耐腐性和對煙霧環(huán)境的抗干擾能力。

2015年1月至4月，在上海交通大學特種機器人產(chǎn)業(yè)化基地，科研人員對機器人進行了安全性優(yōu)化改造，逐步完善了機器人各機構(gòu)功能，并提高了各器件的穩(wěn)定性，對火箭各項加注情況進行了針對性試驗，如模擬箭體晃動對接試驗、對接異物干涉試驗、機器人失控撞擊試驗等，并逐一確定了機器人的安全特性參數(shù)。之后，科研人員又于2015年4月在上海航天科技集團火箭生產(chǎn)廠進行了真實箭體的對接試驗，驗證了機器人的對接功能的可靠性和機械接口的匹配性。

圖8 第三代自動對接與脫離機器人結(jié)構(gòu)布局圖

圖9 機器人在特燃站與模擬箭體進行對接試驗（氧化劑泄漏環(huán)境）

2015年7月至8月，在中國甘肅酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心對機器人進行了安全功能優(yōu)化，對泄漏監(jiān)測系統(tǒng)進行了集成，優(yōu)化了在光照條件下的機器人對接情況，并于8月在全軍特殊燃料供給站進行了室外對接作業(yè)，驗證了機器人室外工作的可行性和耐高溫性。

通過對三代機器人的不斷完善，今年9月，我國自主研發(fā)的自動對接與脫離三代機器人工程樣機，終于在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心的塔架上，開展了與真實箭體對接任務(wù)。這是我國航天發(fā)射場地面裝備的一次質(zhì)的飛躍，也是對我們近10年鍥而不舍努力的回報。通過這三輪摸索，我們有信心直面產(chǎn)品列裝挑戰(zhàn)，完成定型工作，在發(fā)射場系統(tǒng)實現(xiàn)推廣。

頓向明 上海交通大學機器人研究所 研究生導(dǎo)師

山 磊 常州遠量機器人技術(shù)有限公司 副總工程師

陸晉榮 中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心 總工程師

鄭永煌 中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心技術(shù)部 副主任

張育林 中國人民解放軍總裝備部 副部長