張振華，何 燚，王愛偉，王建秋，孫振蓮

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

20世紀(jì)研制的運(yùn)載型號(hào)氣液連接器[1～3]在火箭點(diǎn)火前、約-2 min已全部脫落。新一代運(yùn)載火箭[4,5]氣液連接器廣泛采用零秒脫落方案，即火箭起飛一定高度后才允許脫落，發(fā)射任務(wù)終止或推遲，可保證發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)箭上氫箱的安全泄壓、泄出以及發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備用氣，相比現(xiàn)役成熟型號(hào)安全性有了更大保障。但由于連接器需要承受火箭點(diǎn)火起飛過(guò)程中的振動(dòng)、燃?xì)饬鳑_刷等惡劣工況，且連接器的脫落具有不可逆性，如果脫落失敗將可能造成火箭以及地面發(fā)射支持系統(tǒng)爆炸或毀壞等災(zāi)難性事故，經(jīng)濟(jì)損失和政治影響均較大。因此，對(duì)零秒脫落連接器的解鎖可靠性要求極高。

目前，部分零秒脫落連接器通過(guò)冗余解鎖技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)連接器的可靠解鎖，為進(jìn)一步提高解鎖可靠性，采用拉斷球頭的強(qiáng)制拉斷方案確保連接器與火箭可靠分離。但由于影響拉斷力的因素較多，且上箭產(chǎn)品的拉斷力具有不可檢特性，因此對(duì)拉斷力的相關(guān)影響參數(shù)控制尤為重要，本文針對(duì)如何有效保證零秒脫落連接器箭地分離可靠性進(jìn)行分析探討。

1 零秒脫落方案及工作原理

本文介紹的零秒脫落連接器用于芯二級(jí)氫箱的緊急排氣，采用球鎖完成與箭上接口的對(duì)接、鎖緊、脫落。當(dāng)火箭起飛一定高度，固定在地面設(shè)備上的鋼絲繩拉動(dòng)球鎖向左運(yùn)動(dòng)，使其與箭上接口的球頭解鎖，連接器繞著箭上接口的支撐軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)一定角度即與箭上接口完全分離，其脫落原理如圖 1所示。

本文提出當(dāng)球鎖在意外情況下卡滯，無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常解鎖，球鎖在鋼絲繩的作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直至將安裝在火箭上的拉斷球頭拉斷。拉斷球頭采用組合式方案，與球鎖配合的球頭體在工作過(guò)程中需承受較大的點(diǎn)載荷，因此采用強(qiáng)度、硬度均較大的材料；在箭體起飛后火箭允許的徑向及軸向拉斷載荷均較小，被拉斷的球頭座應(yīng)采用強(qiáng)度較小的材料，為了保證球頭座可靠拉斷，在球頭座中部設(shè)置了環(huán)形削弱槽，拉斷球頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 零秒脫落連接器脫落原理Fig.1 Separation Schematic Diagram of T-0 Rise-off Connector

圖2 拉斷球頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Breaking Ball-Lock Pin

2 拉斷力影響因素

對(duì)于承受拉伸載荷的試件，拉斷力按式（1）計(jì)算：

式中 F為試件拉斷前的最大負(fù)荷，N；bσ為試件的抗拉強(qiáng)度，MPa；A為試件橫截面積，mm2。對(duì)于圓柱形橫截面，A=πD2/4，其中，D為橫截面直徑。

拉斷球頭削弱槽為圓柱形，根據(jù)式（1）可知，在拉斷載荷一定時(shí)，影響拉斷力的因素為削弱槽的直徑以及材料的抗拉強(qiáng)度。為了降低加工精度對(duì)拉斷力的影響，在材料的選取上使削弱槽的直徑盡量大、抗拉強(qiáng)度盡量小。另外，為了保證鎖緊、密封可靠，在正常工作載荷下拉斷球頭不能產(chǎn)生塑性變形并有一定安全系數(shù)，材料的屈強(qiáng)比值應(yīng)較大。經(jīng)過(guò)分析與試驗(yàn)，實(shí)際產(chǎn)品最終選取了一種高強(qiáng)度鋁合金棒材。

材料確定后，理論抗拉強(qiáng)度已確定，拉斷球頭的直徑可計(jì)算得到。實(shí)際上，用于確定拉斷球頭的真實(shí)抗拉強(qiáng)度還受到原材料批次、原材料成分、表面處理方式、加工處理方式以及構(gòu)件結(jié)構(gòu)等因素的影響，相關(guān)影響因素如圖3所示。使用這種棒材加工出的產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度并不嚴(yán)格等于理論值，而是存在一個(gè)變化區(qū)間。

圖3 拉斷球頭生產(chǎn)工藝流程及拉斷力影響因素分析Fig.3 Forming Process and Influencing Factors of Breaking Force

相關(guān)影響因素分析如下：

a）原材料批次影響。原材料批次不同其抗拉強(qiáng)度亦有較大區(qū)別，原材料的一致性受到爐料、冶煉工藝、冶煉設(shè)備等因素影響：

1）材料成分。用于熔煉的原材料質(zhì)量，其化學(xué)組分及組織應(yīng)滿足要求，檢查方法及標(biāo)準(zhǔn)影響最終材料性能。爐料處理及管理、存放也會(huì)對(duì)材料性能產(chǎn)生一定影響。

2）熔煉工藝。熔煉設(shè)備的性能、熔煉溫度和時(shí)間的控制精度等對(duì)出爐材料的力學(xué)性能影響都非常大，可能會(huì)造成不同批次材料的抗拉強(qiáng)度差別較大，從而影響拉斷力。

b）熱處理工藝。金屬材料不同熱處理狀態(tài)（如F、O、H、W、T），其力學(xué)性能參數(shù)有較大區(qū)別，相同熱處理狀態(tài)工藝隨著產(chǎn)品尺寸的變化力學(xué)性能參數(shù)也會(huì)有一定變化。如GB/T3191標(biāo)準(zhǔn)的2A12 T4狀態(tài)的棒料直徑不大于22 mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度不小于390 MPa；直徑22～150 mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度不小于420 MPa，而高強(qiáng)度鋁合金棒材的2A12 T4的抗拉強(qiáng)度不小于440 MPa，相差較大且無(wú)精確值。

c）加工精度、測(cè)量精度。加工精度、測(cè)量精度若偏差較大將會(huì)對(duì)削弱槽的實(shí)際尺寸造成影響，從而影響削弱槽橫截面積，造成實(shí)際拉斷力與理論拉斷力偏差太大。另外，削弱槽的倒角尺寸、表面粗糙度以及結(jié)構(gòu)形狀等因素也會(huì)對(duì)拉斷力產(chǎn)生一定影響。在生產(chǎn)、試驗(yàn)時(shí)需對(duì)此影響進(jìn)行剔除。

d）表面處理工藝。為增強(qiáng)產(chǎn)品耐腐蝕、耐磨性能，對(duì)鋁棒進(jìn)行硫酸陽(yáng)極化處理，表面處理的深度及形式對(duì)材料的力學(xué)性能也會(huì)產(chǎn)生一定影響。在生產(chǎn)、試驗(yàn)時(shí)需對(duì)此影響進(jìn)行剔除。

3 拉斷力控制方法

鑒于拉斷力影響因素眾多，產(chǎn)品需進(jìn)行嚴(yán)格的過(guò)程控制，盡可能消除過(guò)程中所產(chǎn)生的偏差?？刂屏鞒毯头椒ㄈ鐖D4所示。

圖4 拉斷球頭控制流程Fig. 4 Control Process

3.1 原材料復(fù)驗(yàn)

原材料的質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的力學(xué)性能，進(jìn)而影響產(chǎn)品的拉斷力。為確保產(chǎn)品質(zhì)量可靠，生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)開展相關(guān)復(fù)驗(yàn)工作，主要控制內(nèi)容如下：

a）用于加工試件及拉斷球頭樣品、產(chǎn)品的鋁棒，應(yīng)為同一批次、狀態(tài)和規(guī)格。

b）材料供貨單位應(yīng)是通過(guò)認(rèn)證的合格供方。供方應(yīng)出具與該材料所標(biāo)明的牌號(hào)、狀態(tài)、批（爐）號(hào)、技術(shù)條件、生產(chǎn)廠家和生產(chǎn)日期等相符的合格證或產(chǎn)品證明書。

c）材料入廠應(yīng)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)確認(rèn)。為避免原材料質(zhì)量缺陷，還應(yīng)對(duì)原材料進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)，質(zhì)量等級(jí)應(yīng)為AA級(jí)。合格后方允許使用。

3.2 試件試驗(yàn)

通過(guò)試件試驗(yàn)，確定拉斷球頭在正式狀態(tài)下的實(shí)際抗拉強(qiáng)度。步驟如下：

a）選取鋁棒設(shè)計(jì)拉斷試件，按照復(fù)驗(yàn)得出的實(shí)際抗拉強(qiáng)度計(jì)算試件拉斷截面直徑，計(jì)算方法如式（1）所示；

b）按照產(chǎn)品狀態(tài)進(jìn)行表面處理和加工，加工不少于5件；

c）選取試件進(jìn)行拉斷試驗(yàn)，確定材料的實(shí)際抗拉強(qiáng)度值，計(jì)算如下：

3.3 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)

產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)主要分為兩部分，先通過(guò)樣品確認(rèn)拉斷力是否滿足要求，再進(jìn)行正式產(chǎn)品的加工。步驟如下：

a）按照材料的實(shí)際抗拉強(qiáng)度平均值以及目標(biāo)拉斷力，進(jìn)行產(chǎn)品削弱槽設(shè)計(jì)，給出此批材料下的削弱槽直徑目標(biāo)值D，計(jì)算過(guò)程如下：

b）樣品加工：沿用試件選用材料，按照正式產(chǎn)品圖紙狀態(tài)進(jìn)行表面處理和加工，樣品加工不少于5件。

c）對(duì)樣品進(jìn)行拉斷試驗(yàn)，驗(yàn)證產(chǎn)品的拉斷力是否滿足要求及數(shù)值一致性。如拉斷力不滿足則查明原因，迭代計(jì)算削弱槽直徑D并生產(chǎn)、試驗(yàn)，直至合格。如滿足則直接按照樣品尺寸及狀態(tài)加工正式產(chǎn)品。圖 5為拉斷球頭試驗(yàn)狀態(tài)示意。

d）產(chǎn)品加工：同批次的產(chǎn)品加工數(shù)量盡量多，并對(duì)加工超差產(chǎn)品進(jìn)行剔除。

e）檢驗(yàn)合格后的產(chǎn)品再進(jìn)行抽檢，驗(yàn)證拉斷力是否滿足要求，如仍有超差則需查明原因重新生產(chǎn)及試驗(yàn)。

試件生產(chǎn)5套，初始目標(biāo)直徑為5 mm，理論抗拉強(qiáng)度不小于420 MPa，理論拉斷力不小于8246 N。按照試棒結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和拉斷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別如表1、圖6所示。

圖5 拉斷球頭試驗(yàn)狀態(tài)Fig.5 Breaking Test

表1 試件拉斷力試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test Results of Specimens Breaking Force

圖6 拉斷球頭試件拉斷力Fig.6 Breaking Force of Specimens

由圖 6可知，迭代計(jì)算出拉斷球頭削弱槽直徑為4.55 mm。生產(chǎn)5套樣品（第1批），試驗(yàn)結(jié)果分別如表2、圖7所示。由于一個(gè)樣品實(shí)際拉斷力稍微超出預(yù)定最大載荷（10 kN），復(fù)查生產(chǎn)加工過(guò)程及工藝后重新投產(chǎn)第 2批樣品，再次進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證；為驗(yàn)證樣品的一致性，第2批共生產(chǎn)15套（3組）樣品。

表2 樣品（第1批）拉斷力試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test Results of Samples (First Batch) Breaking Force

圖7 拉斷球頭樣品（第一批）拉斷力Fig.7 Breaking Force of Samples (First Batch)

第2批樣品試驗(yàn)結(jié)果分別如表3、圖8所示。由表3可以看出拉斷力均滿足要求，且每組樣品的拉斷力一致性良好，此批次樣品狀態(tài)可作為正式產(chǎn)品依據(jù)。

表3 樣品（第2批）拉斷力試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test Results of Samples (Second Batch) Breaking Force

圖8 拉斷球頭樣品（第2批）拉斷力Fig.8 Breaking Force of Samples (Second Batch)

按樣品狀態(tài)，進(jìn)行正式產(chǎn)品的投產(chǎn)。為確保產(chǎn)品的生產(chǎn)狀態(tài)受控，在產(chǎn)品中隨機(jī)抽檢5套，對(duì)拉斷力進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果分別如表4、圖9所示。由試驗(yàn)結(jié)果看出，產(chǎn)品拉斷力一致性良好，散差范圍在±50 N，與目標(biāo)值9350 N最大偏差386 N，產(chǎn)品滿足使用要求。

表4 產(chǎn)品抽檢拉斷力試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test Results of Product Samples Breaking Force

圖9 拉斷球頭產(chǎn)品抽檢拉斷力Fig.9 Breaking Force of Product Samples

4 結(jié) 論

由于零秒脫落連接器對(duì)脫落的高可靠性要求，需確保拉斷球頭在預(yù)定值范圍內(nèi)可靠拉斷，按照本文提出的過(guò)程控制方法開展了拉斷球頭試驗(yàn)驗(yàn)證，得到結(jié)論如下：

a）通過(guò)過(guò)程迭代，有效降低和消除了拉斷球頭的各個(gè)環(huán)節(jié)影響因素，如原材料、機(jī)械加工、熱處理等狀態(tài)的差異性所造成的拉斷力偏差；

b）產(chǎn)品的拉斷力一致性良好，散差值較小，進(jìn)一步驗(yàn)證了產(chǎn)品質(zhì)量受控，保證了產(chǎn)品的可靠性。