白文龍，李泳嶧，翟 旺，吳新躍

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運載火箭連接器自動對接技術應用分析

白文龍，李泳嶧，翟 旺，吳新躍

（北京航天發(fā)射技術研究所，北京，100076）

基于連接器自動對接技術的主要邊界條件，分析了其安全性內(nèi)涵，對其進行了技術特征分類，在此基礎上對國外主要的運載火箭型號應用的連接器自動對接技術進行介紹，分析了其技術類型及總體特征。結(jié)合中國現(xiàn)役火箭的總體技術特點，提供了應用自動對接技術的相關建議，同時，對后續(xù)新型號研制提出降低該技術應用難度的措施，供中國運載火箭總體方案制定及提升發(fā)射場安全性參考借鑒。

連接器；自動對接；二次對接；無人值守

0 引 言

運載火箭發(fā)射準備過程中，對火箭進行加注、供氣、供電的地面接口設備一般稱為連接器。實現(xiàn)連接器與箭上接口設備之間的自動對接與分離對實現(xiàn)發(fā)射區(qū)無人值守、加注后發(fā)射流程可逆、提高發(fā)射場設備、人員、星箭等的安全性、降低勞動強度等方面具有重大意義，是運載火箭發(fā)射支持系統(tǒng)發(fā)展的一種趨勢。

目前，中國運載火箭連接器基本采用人工對接，尚不具備自動對接能力。公開報導的國外運載火箭連接器自動對接技術（后文簡稱自動對接技術）應用情況中，由于對使用工況、自動對接涵義等理解上的差異性，其應用情況難于進行統(tǒng)一、直接的描述。本文在梳理邊界條件、自動對接技術內(nèi)涵的基礎上，分析歸納國外應用情況，為該技術在中國的研究應用提供借鑒與參考。

1 自動對接技術內(nèi)涵分析

自動對接技術是一項涉及火箭結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、加注系統(tǒng)、連接器等多系統(tǒng)、多學科高度集成的技術，需要多系統(tǒng)、多專業(yè)共同配合才能達成實際應用。下面通過對影響該技術應用的連接器邊界條件、安全性內(nèi)涵進行分析，對其技術類型進行區(qū)分與約定。

1.1 連接器應用邊界條件

從連接器使用邊界條件分析，主要有以下因素影響自動對接技術的應用難度。

a）連接器對接位置：1）位于箭體尾部；2）位于高空擺桿（臍帶臂）上；

b）連接器對接時機：1）推進劑加注前；2）完成加注、連接器分離后二次對接。

c）連接器通過介質(zhì)：1）氣、電、常規(guī)液體；2）低溫液體。

相對箭體尾部的靜態(tài)對接，位于高空的連接器在對接時需要適應箭體在風載等外載荷作用下產(chǎn)生的相對晃動，自動對接技術需要具備動態(tài)測量、跟蹤、隨動等能力，在動態(tài)對接、隨動過程中又涉及到對接載荷控制、機構(gòu)可靠性等問題，技術難度將大幅增加。

推進劑加注前，自動對接技術相對容易實現(xiàn)，且現(xiàn)場人員可以進行輔助及觀察確認工作，而二次對接為遠控自動對接，現(xiàn)場無人值守，實現(xiàn)難度較大。

相對氣、電及常規(guī)液體，低溫液體連接器在進行二次對接時，連接器自身及箭上接口部分可能由于低溫已結(jié)冰結(jié)霜，因此，該工況下需解決結(jié)冰、除冰及多余物清理檢測等問題后方可進行二次對接，這無疑增加了技術實現(xiàn)難度。

1.2 自動對接技術安全意義

在火箭發(fā)射前、連接器分離后，若發(fā)生意外故障導致發(fā)射推遲或中止發(fā)射，則需要將推進劑泄出以排查故障，因此連接器與箭上接口需進行二次對接（采用零秒脫落技術的連接器除外）。與加注前的連接器對接不同的是，二次對接前，火箭已加滿了燃料，具有較大的安全威脅。

對液氫、液氧低溫推進劑，在火箭貯箱內(nèi)的不斷汽化可能導致貯箱升壓甚至爆炸，給發(fā)射場帶來災難性后果[1]。液氧可通過箭上氧排接口將氣態(tài)氧直接排放到大氣避免升壓，而液氫由于汽化后與空氣的混合物具有爆燃性，因此不能直接向大氣排放，需要最短時間內(nèi)完成氫排連接器及加泄連接器的對接，由于人員在發(fā)射前均已撤離至安全區(qū)域，搶險人員回到工作崗位并完成手動對接需消耗較多時間，對人員、系統(tǒng)安全均具有較大威脅，若實現(xiàn)遠控自動對接，則可在較短時間內(nèi)將低溫連接器與箭上接口對接，實現(xiàn)泄出作業(yè)，極大提高人員、系統(tǒng)的安全。

對傳統(tǒng)的四氧化二氮、偏二甲肼等常規(guī)推進劑，采用自動對接技術，可避免人員在可能包含劇毒物質(zhì)的環(huán)境下工作，提高操作安全性。

因此，自動對接技術是實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守，保證推進劑加注及推遲、中止發(fā)射時人員、系統(tǒng)安全的一條重要途徑。

1.3 自動對接技術分類

分別對連接器的不同使用邊界進行編碼，如表1所示。自動對接技術類型表述為“連接器位置-對接時機-介質(zhì)類型”，例如位于箭體尾部的低溫連接器進行二次對接即為1-2-2型自動對接。

表1 自動對接技術影響因素編碼

由此可見，位于高空的低溫連接器進行二次對接時（2-2-2型），技術實現(xiàn)難度最大，相較于1-1-1型自動對接，其增加的技術需求如圖1所示。鑒于自動對接技術邊界條件種類多樣，實現(xiàn)難度大，有必要對國外技術應用情況進行分析，以進行對比、借鑒與參考。

圖1 技術需求分析

另外，針對2-2-2型自動對接技術，可通過零秒脫落技術替代，且該技術已得到廣泛應用，但兩種技術的對比不屬于本文討論的范疇，因此不展開詳細論述。

2 國外自動對接技術應用情況

下面重點對當今航天技術水平較高的俄羅斯、美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)的自動對接技術進行調(diào)研分析。

2.1 俄系運載火箭連接器自動對接技術

眾所周知，蘇聯(lián)1960年發(fā)生的火箭爆炸事故造成了的巨大損失，也使蘇聯(lián)痛下決心開發(fā)并實現(xiàn)了自動對接技術，從而在1984年的又一起火箭爆炸事故中，避免了人員傷亡。從此該技術成為蘇聯(lián)及后來的俄羅斯、烏克蘭等國家引以為豪的明星技術，對世界航天領域產(chǎn)生了深遠的影響。

由于國家運載火箭總體技術方案的一致性，統(tǒng)稱為俄系運載火箭。其中天頂號自動化程度最高，下面對天頂號火箭采用的自動對接技術進行分析介紹。

圖2為天頂號連接器自動對接裝置示意。在一級箭體尾端，兩組對接裝置沿箭體的半徑方向180°布置，對接裝置能夠在灰塵、雨雪、風速不大于25 m/s等條件下全天候正常工作。連接器與對接裝置均位于發(fā)射坑道內(nèi)，與箭體間基本為相對靜止狀態(tài)，因此，檢測系統(tǒng)可大大簡化。其自動對接過程依靠機械手自動進行，機械本體及導管等安裝在滑架上，以氣動方式驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，錐桿跟蹤機構(gòu)檢測定位，觸覺系統(tǒng)與自動控制系統(tǒng)共同完成對接，其中，觸覺系統(tǒng)主要通過傳感器檢測對接狀態(tài)，為自動控制系統(tǒng)提供判斷依據(jù)。

箭體內(nèi)部設計了通長的加注管路，使火箭二級、三級的推進劑也可通過一級尾部連接器進行加注，當火箭起飛后，通過級間分離技術實現(xiàn)各級加注管路隨各級箭體模塊分離。

圖2 俄系運載火箭連接器自動對接裝置示意

天頂號二級尾部設有一個零秒脫落組合連接器，其對接亦通過自動對接方式實現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 二級連接器對接、脫落示意

在發(fā)射工位處固定有管路起豎臂，當轉(zhuǎn)運車載運箭體倒駛進入發(fā)射工位時，管路起豎臂從轉(zhuǎn)運車與箭體間的間隙穿過，待轉(zhuǎn)運車到位后，管路起豎臂前端執(zhí)行機構(gòu)前伸，在導向錐的導向作用下，完成組合連接器與二級尾端箭上接口的對接，然后管路起豎臂隨轉(zhuǎn)運車起豎臂同步起豎，火箭發(fā)射時，連接器同步脫落。

由于該連接器在水平狀態(tài)下完成對接，且對接時連接器與箭體相對靜止，因此，自動對接技術與前述的底部自動對接基本相同。

天頂號連接器均進行了組合化處理，使對接裝置數(shù)量得到有效降低，提高了系統(tǒng)集成化程度及對接固有可靠性。

當火箭臨射前發(fā)生故障，導致需要將連接器重新對接以泄出推進劑時，箭體尾端接口處通過氣封實現(xiàn)空氣隔絕，避免箭上接口結(jié)冰，使對接裝置能夠可靠實現(xiàn)二次對接。

在俄羅斯新一代運載火箭安加拉號上，位于高空二級部位有3組連接器，火箭到達發(fā)射工位起豎后，簡易勤務塔臍帶臂合抱箭體并提供人員操作平臺，人工對接該連接器，火箭發(fā)射時采取零秒脫落技術，其高空連接器未采用自動對接技術，無二次對接需求。

綜上，以天頂號為代表的俄系運載火箭自動對接技術應用關鍵點主要在于：a）箭上接口主要位于尾部，火箭各級推進劑均通過一級尾部接口加注；b）連接器與火箭基本處于相對靜止狀態(tài)，自動對接裝置實現(xiàn)靜態(tài)對接功能即可；c）低溫推進劑箭上接口具有氣封保護功能，避免二次對接時箭上接口結(jié)冰結(jié)霜。

俄系運載火箭自動對接技術達到的實際應用水平為1-2-2型，無2-X-X型自動對接技術。

2.2 美國運載火箭連接器自動對接技術

2.2.1 傳統(tǒng)型號應用情況

美國在連接器方面更多采用零秒脫落而并不強調(diào)自動對接，僅部分連接器具備自動對接能力或自動化改造能力。文獻[1]概括介紹了土星V、航天飛機、X-33驗證機、宇宙神5各型號連接器的應用情況，其部分地地連接器采用了自動對接技術，但箭地連接器，無論是射前脫落還是零秒脫落，除土星V一級箱間段液氧加泄連接器外，其余均采用了人工對接、人工或自動脫落的技術方案。

圖4為土星V運載火箭位于擺桿上的連接器布局及一子級箱間段連接器柔順機構(gòu)示意，圖4a中位于一子級箱間段的液氧加泄連接器具備自動對接能力，能夠在5 min內(nèi)實現(xiàn)遠控二次對接。該連接器距離發(fā)射臺臺面高度約十余米，與箭體尾部對接條件基本相同，主要依靠導向及柔順機構(gòu)實現(xiàn)連接器對接（圖4b），因此，其實現(xiàn)的自動對接技術類型為1-2-2型。

表2列出了土星V位于擺桿上的所有連接器類型及特點，從其類型及安全性角度分析，采用零秒脫落技術的連接器規(guī)避了二次對接需求，而射前脫落的連接器均為氣、電連接器或通道連接器，自動對接需求必要性不高，因此其它連接器主要通過人工對接，未應用自動對接技術。

a）土星V運載火箭位于擺桿上的連接器布局 b）一子級箱間段連接器柔順機構(gòu)

表2 土星5擺桿連接器匯總

X-33驗證機主要有2組臍帶系統(tǒng)，均通過人工對接，零秒脫落；航天飛機主要有3組臍帶系統(tǒng)，分別為尾端液氫加注服務塔、液氧加注服務塔及外掛貯箱的加注臂，所有臍帶系統(tǒng)中的連接器均通過人工對接，零秒脫落；宇宙神5各箭地連接器在總裝測試廠房中人工對接好，垂直運輸至發(fā)射場后，發(fā)射工位與發(fā)射臺間采用自動對接方式完成地地連接器對接，對火箭進行氣、電、液供給。

2.2.2 新技術研究

近年來，美國開始關注連接器自動對接技術，開展了“遠程智能臍帶系統(tǒng)”、“自動化地面臍帶系統(tǒng)”等項目研究[1,2]，用于提高美國新型火箭連接器對接、脫落操作水平，同時降低發(fā)射成本。

“遠程智能臍帶系統(tǒng)”以航天飛機及空間機構(gòu)對接為應用背景，以實現(xiàn)連接器快速、可靠的自動對接與分離，并能夠?qū)崿F(xiàn)二次對接以取代零秒脫落連接器為目標。該系統(tǒng)原理樣機如圖5所示，主要由對接面板、視覺系統(tǒng)、調(diào)整對接機構(gòu)、控制系統(tǒng)等組成，對接面板上設置有4組錐形導向鎖緊機構(gòu)，后來對遠程控制能力和視覺系統(tǒng)進行了改進，并增加了載荷檢測單元。樣機技術特性如下：

a）能夠在箭上目標最大運動包絡條件下于12 s內(nèi)完成對接；

b）通過在結(jié)冰條件下能夠持續(xù)運動的能力及熱氮吹除技術，樣機能夠在高低溫環(huán)境下應用；

c）樣機能夠在失重、超重、低壓、高壓、腐蝕環(huán)境中保持正常工作；

d）實現(xiàn)了基于六自由度調(diào)整能力的柔性、模塊化設計；

e）對接后被動隨動，避免不必要的載荷，當動力喪失時，能夠由人工完成任務；

f）能夠主動反饋載荷及運動指標；

g）含有緊急脫落設計。

a）遠程智能臍帶系統(tǒng)

b）錐形導向鎖緊機構(gòu)

圖5 遠程智能臍帶系統(tǒng)及其錐形導向鎖緊機構(gòu)

從該樣機性能來看，其自動對接技術類型達到了2-2-2型，能夠在高空相對晃動條件下完成低溫連接器的自動對接及二次對接，但尚未見該技術參加正式發(fā)射任務的公開報導，其實際應用情況尚不明確。

AGUS項目依托戰(zhàn)神火箭研發(fā)開展，主要目的在于總結(jié)以往經(jīng)驗，提高地地連接器的操作效率及優(yōu)化箭地連接器的對接及分離操作。以戰(zhàn)神1上面級低溫連接器（采用零秒脫落技術）為對象，研制了連接器及對接分離裝置原理樣機[3]，如圖6所示，其對接過程如下（見圖7）：

a）臍帶臂帶動連接器靠近箭體，外面板鉸鏈與箭體鉸軸對接；

b）對接裝置驅(qū)動外面板與箭上目標面貼合，人工將脹緊銷擰緊，鎖定外面板與箭上連接；

c）人工扳動線性對接機構(gòu)螺帽，將連接器內(nèi)面板向前平推，使內(nèi)面板與箭上接口面板壓緊，完成對接。

連接器與箭體的對接在總裝測試廠房內(nèi)完成，無相對晃動，因此，雖然連接器位于上面級高空位置，但其技術本質(zhì)與火箭底部對接相同。

連接器對接過程中有兩處主要環(huán)節(jié)通過人工完成，但考慮其較易實現(xiàn)的自動化改進潛力，認為其具備了自動對接技術，但其技術類型僅達到1-1-2型或1-2-1型。

a）連接器示意

b）連接器對接示意

圖6 連接器外形及對接（分離）示意

圖7 連接器對接過程示意

綜上，美國雖然開始了自動對接技術的研究，但達到實際應用的也只是1-1-2類型，達到2-2-2型技術能力的“遠程智能臍帶系統(tǒng)”很可能尚未進行型號應用。

NASA在2015年發(fā)布的技術領域發(fā)展路線圖中NASA將“防結(jié)冰低溫連接器”和“快速斷開/再對接的起飛（-0）連接器”（見表3）兩項課題納入專題研究，用于解決中止發(fā)射情況下的防結(jié)冰和再對接問題，表明美國仍在研究實現(xiàn)二次對接的新方法。

表3 NASA技術路線圖專項課題

2.3 其它火箭

歐空局的阿里安5以及日本的H-2A火箭在連接器操作方面的自動化程度也較高，阿里安5一子級通過底部兩個組合連接器實現(xiàn)液氫、液氧加注與泄出，并在火箭發(fā)射時零秒脫落，為滿足其ECA構(gòu)型的低溫上面級（二子級）加注，在活動發(fā)射平臺臍帶塔上設置了兩組臍帶臂分別完成兩個組合連接器與火箭的對接（見圖8），其對接在總裝測試廠房內(nèi)自動完成，并在發(fā)射前約4 s時自動分離。當產(chǎn)生中止發(fā)射工況時，二子級內(nèi)的低溫推進劑通過零秒脫落的緊急泄出連接器泄出，排除危險。因此其自動對接技術屬于1-1-2型。

日本的H-2A火箭一級加注連接器采取底部垂直自動對接、提前脫落形式，利用球閥隔絕空氣的方式使其具備二次對接功能，二級加注連接器于總裝測試廠房內(nèi)人工對接，發(fā)射時零秒脫落，因此，推進劑加注連接器自動對接類型為1-2-2型。

圖8 阿里安5

2.4 小 結(jié)

綜合上述對國外連接器自動對接技術進行的分析，其應用情況總結(jié)如下：

a）國外航天大國基本實現(xiàn)了1-2-2型自動對接技術的型號應用，2-2-2類型尚未見型號應用實例報道，但美國在該方向上已有了顯著進展；

b）位于高空的連接器大多在總裝測試廠房內(nèi)完成人工對接或半自動對接，為規(guī)避中止發(fā)射工況下的二次對接需求，多采用零秒脫落技術；

c）位于箭體底部的連接器較多的采用了自動對接技術，且通過氣封或球閥等隔絕空氣的方式可避免結(jié)冰，以實現(xiàn)中止發(fā)射工況下的二次對接；

d）俄系火箭多采用加注管路貫通各級箭體的方案，使各級推進劑可均從一級尾部完成加注，這需要火箭飛行時加注管路支持級間分離技術。

3 中國自動對接技術應用建議

3.1 現(xiàn)役火箭應用建議

中國現(xiàn)役運載火箭總體技術具有如下特點：

a）火箭各級均設置獨立的加注泄出接口，需要進行高空連接器對接；b）連接器數(shù)量眾多、布局分散，除部分氣路、電路外，基本未實現(xiàn)組合化；c）高空低溫連接器多為射前脫落連接器，除CZ-5外，其它型號均未采用零秒脫落連接器，在中止發(fā)射工況下具有二次對接需求；d）低溫連接器脫落后，僅少數(shù)箭上接口采用了氣封保護技術防止結(jié)冰；e）發(fā)射區(qū)均有勤務塔。

因此，若基于現(xiàn)役火箭型號應用自動對接技術，其類型為難度最大的2-2-2型，除需要對圖1所示的各項技術進行研究攻關外，還可通過對以下方面進行改進降低技術實現(xiàn)難度：

a）減小相對晃動：在連接器對接前，合攏勤務塔，降低風載導致的箭體晃動；

b）加強擺桿剛度：使末端能夠支撐較大的自動對接裝置重量，同時降低擺桿晃動量。

3.2 針對后續(xù)型號的建議

針對新研制型號，除了現(xiàn)役火箭的相關建議外，還可在總體方案制定之初，統(tǒng)籌考慮，從其它方面制定有利于自動對接技術實現(xiàn)的應用方案。

a）降低自動對接技術類型：設計貫通各級箭體的加注管路，實施級間分離技術，可使各級推進劑均從一級尾部進行加注；擺桿末端增加穩(wěn)定器（圖9），連接器對接前首先將擺桿擺動至與箭體接觸，保持穩(wěn)定器始終貼緊箭體，從而使箭體與擺桿系統(tǒng)處于相對靜止狀態(tài)，如此則連接器對接工況由動態(tài)對接變?yōu)殪o態(tài)對接，對接類型由2-X-X型改為1-X-X型，從而降低對接難度。

圖9 Ares I穩(wěn)定器

b）規(guī)避二次對接需求：位于高空的低溫連接器采用零秒脫落技術，避免在中止發(fā)射時進行二次對接。

c）采用組合連接器技術，減少需自動對接的連接器數(shù)量。

d）箭上接口采用氣封等防冰凍技術，便于實現(xiàn)二次對接。

該技術的應用及各項建議必須經(jīng)過火箭總體方案的統(tǒng)籌權(quán)衡，達到總體最優(yōu)。

4 結(jié) 論

連接器自動對接技術作為一項涉及低溫火箭發(fā)射準備安全性的重要技術，具有邊界條件復雜多樣、涉及專業(yè)廣、技術難度高等特點，其實現(xiàn)方式與技術特點與火箭總體方案密切相關，需要在火箭進行總體方案設計時即予以考慮。俄羅斯、美國、歐洲、日本等航天大國和地區(qū)分別實現(xiàn)了適應于各自火箭總體方案的自動對接技術（最高難度類型為1-2-2型），而基于現(xiàn)役火箭的總體方案特點，中國適應的自動對接技術為難度最高的2-2-2型，其技術跨度巨大，因此，若要真正實現(xiàn)現(xiàn)役火箭的自動對接技術，離不開火箭系統(tǒng)通力合作，進行相應的技術改進及新技術攻關；對于后續(xù)的新型號研制，則可以充分借鑒國外已有的技術，降低自動對接技術難度，實現(xiàn)火箭總體方案的統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)與統(tǒng)一，提高火箭發(fā)射準備過程的安全性與綜合技術水平。

[1] Gosselin A M. Automated ground umbilical systems (AGUS) project[C]. Orlando:The Space Congress Proceedings, 2007.

[2] Prasad G, Tajudeen E, Spenser J. Autonomous docking system for space structures&satellites[C]. Bellingham: Proceedings of SPIE, 2005, 5799: 20-27.

[3] Manley W C, Tamasy G J, Maloney P. Ares I linear mate umbilical plate and collet[J]. NASA-N20130008828, 2012(5): 16-18.

Application Analysis of Automated Mating Technique Used onLaunch Vehicle Filling Connectors

Bai Wen-long, Li Yong-yi, Zhai Wang, Wu Xin-yue

（Beijing Institute of Space Lauch Technology, Beijing, 100076）

This paper has carried on the technical characteristic classification of automated mating connector，which is based upon the analysis of chief boundary using conditions and meaning of safety for automated mating technique. The paper introduces the applications of automated mating technique on launch vehicles abroad and analyse their technique characteristics. This paper proposes some advices about application of automated mating technique on internal launch vehicles,which have considered their overall techinique characteristics, meanwhile, provides some suggestions for reducing the difficulty of applying automated mating technique to new launch vehicles,which can be significative references for drawing up the overall technique programme and raising the safety level of launching centers.

Connector; Automated mating; Mating a second time; Operation self-service

1004-7182(2017)06-0065-07

10.7654/j.issn.1004-7182.20170615

V554+.4

A

2017-07-16；

2017-10-30

白文龍（1982-），男，高級工程師，主要研究方向為彈箭發(fā)射支持系統(tǒng)