常 娟，李新寬，劉振東，徐 華

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新一代某型運(yùn)載火箭捆綁機(jī)構(gòu)對(duì)接特性研究

常 娟，李新寬，劉振東，徐 華

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海，201109）

通過(guò)理論分析，得到新型運(yùn)載火箭捆綁機(jī)構(gòu)的對(duì)接特性，探討了助推器與芯級(jí)對(duì)接距離與拉力的關(guān)系、周向可對(duì)接的范圍，以及對(duì)接操作對(duì)于吊裝精度、助推器姿態(tài)的需求。試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性，通過(guò)實(shí)際操作中出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象，修正理論可對(duì)接范圍值，保證試驗(yàn)操作模式的便捷有效。為新一代捆綁火箭的研制提供依據(jù)和參考，以保障超重型助推器順利吊裝對(duì)接及其全程安全。

運(yùn)載火箭；捆綁機(jī)構(gòu)；對(duì)接特性

0 引 言

現(xiàn)役火箭捆綁機(jī)構(gòu)多采用“插頭式”，即助推器通過(guò)球頭球窩機(jī)構(gòu)與芯級(jí)聯(lián)接。由于目前的助推器質(zhì)量相對(duì)較輕，吊裝起來(lái)后，人員推動(dòng)產(chǎn)品時(shí)，可較為輕松地調(diào)整產(chǎn)品姿態(tài)，通過(guò)觀察助推器與芯級(jí)的關(guān)系，邊推裝邊調(diào)整，將助推器上的球頭結(jié)構(gòu)直插入芯級(jí)固定的球窩內(nèi)，完成對(duì)接操作。

對(duì)于捆綁火箭來(lái)說(shuō)，助推器與芯級(jí)之間的捆綁機(jī)構(gòu)是影響成敗的關(guān)鍵部件之一，目前文獻(xiàn)研究集中于捆綁機(jī)構(gòu)的形式與承力方案[1,2]、飛行工況下的動(dòng)力學(xué)特性[3,4]，以及飛行大載荷情況下，摩擦熱對(duì)機(jī)構(gòu)材料性能的影響[5]等方面，從而進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。但對(duì)捆綁機(jī)構(gòu)對(duì)接特性的研究較少。

新一代某型捆綁火箭與現(xiàn)役捆綁火箭差異較大，由于助推為實(shí)心裝藥，用于捆綁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間遠(yuǎn)小于現(xiàn)役火箭，無(wú)法直接借用現(xiàn)有成熟的球頭球窩捆綁機(jī)構(gòu)，需研制錐面導(dǎo)向的捆綁機(jī)構(gòu)，從而使得產(chǎn)品對(duì)接方式與傳統(tǒng)模式存在區(qū)別；同時(shí)，由于吊裝對(duì)接的助推器重達(dá)700 kN，遠(yuǎn)大于現(xiàn)役10噸級(jí)助推器，給捆綁機(jī)構(gòu)對(duì)接工作帶來(lái)更多不確定性。因此，有必要開(kāi)展對(duì)新研捆綁機(jī)構(gòu)對(duì)接特性的研究，為新一代捆綁火箭的研制提供依據(jù)和參考；同時(shí)，在快速發(fā)射需求的背景下，了解該機(jī)構(gòu)的對(duì)接特性，對(duì)于加快火箭在發(fā)射場(chǎng)組裝的操作，保證超重型助推器順利吊裝對(duì)接，及其全程的安全性有重要意義。

1 捆綁機(jī)構(gòu)

典型的捆綁火箭，助推器一般通過(guò)前、后兩套捆綁機(jī)構(gòu)與芯級(jí)相連[6]，如圖1所示。前捆綁機(jī)構(gòu)由連桿組成，起限制助推器轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、傳遞剪力、扭轉(zhuǎn)和徑向載荷的作用；后捆綁機(jī)構(gòu)靠近助推器發(fā)動(dòng)機(jī)，主要傳遞來(lái)自助推器的推力，為主承力裝置。

圖1 捆綁機(jī)構(gòu)位置示意

助推器的對(duì)接過(guò)程往往是先連接主承力裝置，然后連接前捆綁機(jī)構(gòu)的各連桿，連桿收緊，完成助推器與芯級(jí)對(duì)接。因此，對(duì)接的重要步驟是完成主承力裝置的對(duì)接。本文主要研究主承力裝置即后捆綁機(jī)構(gòu)對(duì)接特性，如圖2所示。

圖2 捆綁對(duì)接示意

2 捆綁機(jī)構(gòu)對(duì)接特性分析

助推器與芯級(jí)通過(guò)捆綁機(jī)構(gòu)對(duì)接的工作，是在火箭組裝階段進(jìn)行的，一般以吊裝對(duì)接為主，輔以人員推拉導(dǎo)向。

2.1 對(duì)接過(guò)程分析

對(duì)接過(guò)程分為3步：吊裝到位；在拉力作用下助推器支座法蘭盤(pán)與芯級(jí)支座接觸；助推器支座法蘭盤(pán)進(jìn)入芯級(jí)支座對(duì)接到位。

b）助推器支座法蘭盤(pán)與芯級(jí)支座接觸的過(guò)程中，吊車(chē)已經(jīng)不動(dòng)作，由橫向拉力拉動(dòng)助推器靠近芯級(jí)；

c）助推器支座法蘭盤(pán)進(jìn)入芯級(jí)支座的過(guò)程是錐面導(dǎo)向定位的過(guò)程，當(dāng)法蘭盤(pán)與芯級(jí)支座斜面接觸后，法蘭盤(pán)受到支反力和摩擦力，球頭適應(yīng)性調(diào)整，在橫向拉力作用下，最終對(duì)接到位。

在步驟a、b中，主要是助推器吊裝到位，再經(jīng)橫向拉力靠近、姿態(tài)略微變化后，仍在可對(duì)接的范圍之內(nèi)。分析可對(duì)接范圍及相應(yīng)吊裝精度、助推器吊裝姿態(tài)要求。在步驟c中，主要是分析助推器支座法蘭盤(pán)在多力作用下的受力和運(yùn)動(dòng)情況以及對(duì)接時(shí)所需要的最大拉力，是否具備可操作性。

2.2 機(jī)構(gòu)對(duì)接受力分析

由于芯級(jí)支座斜面導(dǎo)向喇叭口的存在，當(dāng)助推器支座水平中心線低于芯級(jí)支座水平中心線時(shí)，對(duì)接過(guò)程中，助推器支座法蘭盤(pán)下沿先與芯級(jí)支座接觸，靠斜面導(dǎo)向?qū)?，其受力分析如圖3所示。

圖3 法蘭盤(pán)下沿先接觸時(shí)受力分析

法蘭盤(pán)上沿先與芯級(jí)支座接觸，靠斜面導(dǎo)向?qū)樱涫芰Ψ治鋈鐖D4所示。

圖4 法蘭盤(pán)上沿先接觸時(shí)受力分析

2.2.1 法蘭盤(pán)下沿先接觸時(shí)的受力分析

假設(shè)助推器支座法蘭盤(pán)與芯級(jí)支座接觸后，沿斜面平穩(wěn)導(dǎo)向到位。

多力平衡可得：

表1 法蘭盤(pán)下沿先接觸時(shí)對(duì)接距離與拉力關(guān)系

Tab.1 Connection Distance and Tension Relation When the Lower Edge of the Flange Contacts

對(duì)接距離L1/mm50100120170220 （=330kN）/kN0.962.012.373.414.01 （=700kN）/kN2.044.265.037.238.51

2.2.2 法蘭盤(pán)上沿先接觸時(shí)的受力分析

假設(shè)助推支座法蘭盤(pán)與芯級(jí)支座接觸后，沿斜面平穩(wěn)導(dǎo)向到位。

多力平衡可得：

表2 法蘭盤(pán)上沿先接觸時(shí)對(duì)接距離與拉力關(guān)系

Tab.2 Relationship Between Distance and Tension When Flannel’s Upper Edge Contact

對(duì)接距離L1/mm50100120170220 （=330kN）/kN0.571.191.402.012.46 （=700kN）/kN1.212.522.974.275.22

由表1、表2可知，當(dāng)70噸級(jí)助推器、33噸級(jí)模擬件在對(duì)接距離小于220 mm時(shí)，對(duì)接所需要的拉力不超過(guò)10 kN，且法蘭盤(pán)下沿先接觸時(shí)拉力相對(duì)上沿先接觸時(shí)略大。

2.3 周向可對(duì)接范圍分析

2.3.1 芯級(jí)支座、助推器支座無(wú)傾角的情況

初始設(shè)計(jì)時(shí)，認(rèn)為芯級(jí)支座、助推器支座無(wú)傾斜，助推器支座可對(duì)接范圍與芯級(jí)支座喇叭口斜率有關(guān)，如圖5a所示，在-4.4~4.5 mm（正值表示向上，負(fù)值表示向下）范圍內(nèi)對(duì)接；對(duì)接過(guò)程中，如圖5b所示，利用法蘭盤(pán)繞心轉(zhuǎn)動(dòng)，可以擴(kuò)大對(duì)接范圍，實(shí)現(xiàn)-11.9~7.0 mm的對(duì)接范圍，由于對(duì)接面初始有一定傾斜角度，可對(duì)接范圍下限（11.9 mm）大于上限（7 mm），其可對(duì)接范圍分析如圖5所示。

圖5 可對(duì)接范圍分析

2.3.2 芯級(jí)支座無(wú)傾角、助推器支座傾斜的情況

對(duì)接時(shí)，助推器是吊裝狀態(tài)，質(zhì)心的偏斜很容易引起懸吊狀態(tài)下助推器支座的傾斜。如圖6、表3所示，當(dāng)支座的傾角逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可對(duì)接的范圍明顯減??；當(dāng)支座順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可對(duì)接范圍的下限增加。

圖6 助推器支座傾斜時(shí)可對(duì)接范圍分析

由表3可見(jiàn)，當(dāng)助推器相對(duì)芯級(jí)反向傾斜5°時(shí)，可對(duì)接范圍達(dá)到25.6 mm；即使在助推器相對(duì)芯級(jí)傾斜5°的情況下，仍有15 mm可對(duì)接范圍。一般后捆綁支座靠箭體尾端，芯級(jí)尾端傾斜不超過(guò)3′，考慮加工偏差，芯級(jí)支座的傾斜不超過(guò)5′；同理助推器支座傾斜不超過(guò)5′，吊裝狀態(tài)下，由于質(zhì)心與吊點(diǎn)不共面，增加傾斜量也不會(huì)超過(guò)2′，因此助推器支座與芯級(jí)支座間角度傾斜值遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)5°，因此只需保證助推器吊裝時(shí)與周邊的安全距離，對(duì)接過(guò)程對(duì)于助推器的姿態(tài)沒(méi)有特殊要求。

表3 助推支座傾斜角度與可對(duì)接范圍關(guān)系

Tab.3 Relationship Between Booster Support’s Tilt Angle and Docking Range

支座傾斜角/（°）521-1-2-5 上限/mm10.68.57.56.15.54.5 下限/mm4.48.910.512.915.521.1 對(duì)接范圍/mm1517.118192125.6

注 ：角度逆時(shí)針為正，瞬時(shí)針為負(fù)

3 捆綁機(jī)構(gòu)對(duì)接驗(yàn)證試驗(yàn)

通過(guò)搭建模擬試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)上述理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。圖7中芯級(jí)支座固定安裝于墻面上，其傾斜角度與實(shí)際產(chǎn)品保持一致；將助推器支座與鑄塊連接后，與圓臺(tái)配重連接，為盡量使產(chǎn)品吊裝時(shí)平衡，在圓臺(tái)對(duì)稱位置增加相應(yīng)鑄塊配平，助推器模擬裝置總重約330 kN；助推器支座下方中心引出拉繩，通過(guò)芯級(jí)支座下方的定滑輪換向后朝側(cè)面拉出，連接測(cè)力計(jì)、葫蘆。助推器模擬裝置吊裝到位后，人員在旁側(cè)觀察調(diào)整法蘭盤(pán)姿態(tài)，通過(guò)拉葫蘆施加拉力進(jìn)行對(duì)接。

圖7 捆綁對(duì)接驗(yàn)證試驗(yàn)

表4 對(duì)接距離與拉力關(guān)系

Fig.4 Relationship Between Distance and Tension

對(duì)接距離L1/mm50100120170220 靠下沿對(duì)接時(shí)實(shí)測(cè)拉力/kN0.8—2.53.5— 靠上沿對(duì)接時(shí)實(shí)測(cè)拉力/kN1.5—4.04.5— 靠下沿對(duì)接時(shí)理論計(jì)算拉力/kN0.962.012.373.414.01 靠上沿對(duì)接時(shí)理論計(jì)算拉力/kN0.571.191.402.012.46

注 ：a）由于拉力器自身較重，在拉力器拉到水平，助推器支座開(kāi)始動(dòng)作時(shí)，拉力值為0.5kN，在記錄數(shù)據(jù)時(shí)該值作為初始偏差已去除；b）實(shí)測(cè)拉力值記錄的是在周向可對(duì)接范圍內(nèi)，從助推器支座接觸芯級(jí)支座開(kāi)始到完全進(jìn)入的多次試驗(yàn)的綜合數(shù)值范圍

從表4可見(jiàn)，靠下沿對(duì)接時(shí)，不同對(duì)接距離的拉力值與理論計(jì)算值均符合較好；靠上沿對(duì)接時(shí)，測(cè)量的力相對(duì)理論計(jì)算值偏大。

通過(guò)試驗(yàn)，可得到如下結(jié)論：

a）可對(duì)接范圍。

在20 m吊高下，助推器支座受到橫向拉力前移220 mm時(shí)，助推器質(zhì)心抬高1.2 mm；70 m吊高下，助推器支座受到橫向拉力前移220 mm時(shí)，助推器質(zhì)心抬高0.3 mm，因此在吊高較高時(shí)，由于橫向拉力抬升對(duì)于可對(duì)接范圍的影響非常小，可忽略。

b）下沿先接觸的狀態(tài)進(jìn)行對(duì)接實(shí)際所需拉力試驗(yàn)。當(dāng)助推器支座與芯級(jí)支座下沿剛好齊平對(duì)接時(shí)，法蘭盤(pán)可繞球頭轉(zhuǎn)動(dòng)，人員很難控制住法蘭盤(pán)的姿態(tài)，碰觸時(shí)，容易形成臺(tái)階，無(wú)法直接進(jìn)入，實(shí)際操作時(shí)必須留出一定間隙，即保證法蘭盤(pán)下沿的倒圓角進(jìn)入后，產(chǎn)品可順利拉入。

當(dāng)助推器支座法蘭盤(pán)下沿先接觸時(shí)，如表4所示，不同對(duì)接距離的拉力值與理論計(jì)算值均符合較好。

c）上沿先接觸的狀態(tài)進(jìn)行對(duì)接實(shí)際所需拉力。

試驗(yàn)中，當(dāng)助推器支座法蘭盤(pán)水平軸線高于芯級(jí)支座水平軸線4 mm以上時(shí)，上沿先碰到芯級(jí)支座上沿，開(kāi)始對(duì)接時(shí)，法蘭盤(pán)上沿與芯級(jí)支座接觸，下沿則在橫向拉力和接觸部位支反力的共同作用下，繞接觸部位旋轉(zhuǎn)，法蘭盤(pán)下部先擺入芯級(jí)支座，之后上部形成間隙，繼而整個(gè)法蘭盤(pán)沿斜面向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的受力狀態(tài)為非穩(wěn)定狀態(tài)，不同于理論分析的穩(wěn)定狀態(tài)，因此測(cè)量的力相對(duì)理論計(jì)算值大。

若助推器支座水平軸線高于芯級(jí)支座水平軸線過(guò)多時(shí)，支反力加大，法蘭盤(pán)上半部分的圓角所受的接觸力使法蘭盤(pán)下壓，圓角順著芯級(jí)支座斜面導(dǎo)入，拉力陡增，該狀態(tài)影響對(duì)接操作和產(chǎn)品的安全性，實(shí)際操作中應(yīng)盡量避免。

d）距離與拉力關(guān)系。

表4中試驗(yàn)對(duì)接距離從50 mm加大到220 mm時(shí)，拉力大小及的趨勢(shì)與理論計(jì)算值符合較好，即使在非穩(wěn)定工況下，拉力值在10 kN以內(nèi)。

e）對(duì)接范圍與拉力關(guān)系。

縱向?qū)臃秶鸀?9 mm，一般在-7~3 mm對(duì)接時(shí)操作輕松，在4~7 mm時(shí)容易出現(xiàn)拉力陡增，助推器支座法蘭盤(pán)進(jìn)入動(dòng)作不明顯的情況。因此，實(shí)際操作時(shí)，盡量在-7~3 mm范圍內(nèi)進(jìn)行對(duì)接操作，保證產(chǎn)品的安全性。

f）對(duì)接過(guò)程對(duì)吊裝及助推器姿態(tài)的要求。

試驗(yàn)中，可對(duì)接范圍較大，而成熟吊車(chē)上升過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)1~2 mm的點(diǎn)動(dòng)步進(jìn)量，完全滿足對(duì)接要求；助推器模擬裝置在傾斜2°的情況下，可順利實(shí)現(xiàn)對(duì)接操作，因此對(duì)接過(guò)程對(duì)于吊裝及助推器姿態(tài)無(wú)特殊要求，與理論分析一致。

g）可操作性。

單人操作葫蘆，可提供10 kN拉力，滿足對(duì)接拉力需求；對(duì)接后需要一定時(shí)間連接對(duì)接面螺栓，葫蘆拉到位后具備限位功能，又可防止助推器在重力和拉力形成的回復(fù)力作用下退出；將橫向拉力作用點(diǎn)設(shè)置在助推器支座中心，有利于在拉近的過(guò)程中消除助推器支座與芯級(jí)支座左右偏差，自動(dòng)對(duì)心；芯級(jí)支座下的定滑輪，將拉力轉(zhuǎn)換方向，將狹小空間的操作轉(zhuǎn)到側(cè)面較大的空間中。整個(gè)拉力提供裝置簡(jiǎn)單方便、實(shí)用性強(qiáng)，可直接應(yīng)用于型號(hào)現(xiàn)場(chǎng)操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)理論分析得到捆綁機(jī)構(gòu)的對(duì)接特性，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和完善。建議采用錐面導(dǎo)向捆綁機(jī)構(gòu)的捆綁火箭，實(shí)際對(duì)接操作中，對(duì)接范圍取值為-7~3 mm；對(duì)接距離在220 mm以內(nèi)時(shí)，拉力在10 kN以內(nèi)，實(shí)際操作時(shí)，考慮產(chǎn)品間安全距離，可取150 mm；當(dāng)遇到助推器支座進(jìn)入芯級(jí)支座拉力陡增，進(jìn)入動(dòng)作不明顯時(shí)，建議退出，點(diǎn)動(dòng)調(diào)整產(chǎn)品高度后，再進(jìn)行對(duì)接；同時(shí)，試驗(yàn)中所采用拉力提供裝置簡(jiǎn)單方便、可靠有效，可直接應(yīng)用于型號(hào)現(xiàn)場(chǎng)操作。

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Research on the Docking Feature of Strap-on Equipmentfor the New Generation Launch Vehicle

Chang Juan, Li Xin-kuan, Liu Zhen-dong, Xu Hua

(Aerospace System Engineering Shanghai, Shanghai, 201109)

Through the theoretical analysis, the docking features of the new generation launch vehicle are obtained. This paper discusses the relationship between the booster and the core, the perimeter of the circle can be connected, and the docking operation is required for the precision of the suspension and the stance of the booster. The correctness of theoretical analysis is verified by experiment. By analysis the special phenomena in practice, the correcting theory can be applied to the range of docking. It is proved that the convenient and efficient method of operation in the experiment can be applied directly to the docking operation of the launch site. The conclusion provides reference and foundation for the new generation strap-on launch vehicle. It is of great significance for booster hoisting docking well and safety of the super heavy booster.

Launch vehicle; Strap-on equipment; Docking feature

1004-7182(2018)01-0078-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20180116

V55

A

2017-06-03；

2017-12-18

常 娟（1983-），女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭總體地面設(shè)計(jì)