王愛偉，劉忠明，范 虹，張振華，王 南

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引言

運載火箭在發(fā)射準(zhǔn)備過程中，與地面設(shè)備間存在大量的氣、液、電管線（臍帶）通過連接器連接。根據(jù)火箭正常測試發(fā)射流程，及推遲發(fā)射、故障處置總體需求，大部分連接器管線一直工作到火箭點火前，甚至火箭確認(rèn)起飛時（已點火）才與火箭分離，此時人員已經(jīng)撤離現(xiàn)場，連接器必須現(xiàn)場無人值守、遠(yuǎn)控自動脫落。如果連接器不能按時、可靠脫落，就會貽誤發(fā)射，甚至導(dǎo)致發(fā)射失敗。因此高可靠性、安全性、任務(wù)適應(yīng)性的氣液連接器（涵蓋電路）是實現(xiàn)火箭安全可靠的重要保障條件。本文對國內(nèi)外氣液連接器對接、脫落及防護總體方案技術(shù)進展進行分析及總結(jié)。

1 運載火箭連接器研究進展

1.1 美 國

通過對美國土星Ⅴ、航天飛機、X-33、大力神、宇宙神系列等型號的箭地連接器[1,2]對接、脫落及防護總體方案分析可見：

a）美國為減少連接器的數(shù)量，在各個型號大量應(yīng)用了組合式連接器，將氣液電管線以多種組合形式集中到最少數(shù)量的組合板。

土星V運載火箭S-II級電氣及非燃性氣路管線組合連接器包括44路氣路、電路和一路空調(diào)管，當(dāng)火箭起飛至離開發(fā)射臺19 mm才自動脫開；航天飛機尾端側(cè)面、X-33尾端底部的LH2、LO2組合連接器，分別包括低溫氫、氧加注口及多路供氣供電接口組合。圖1為X-33 LH2組合連接器示意（圖示為側(cè)面支承試驗狀態(tài)，實際應(yīng)用為底部支撐）。

b）組合連接器對接脫落總體方案有：連接器底部插拔徑向密封滑動連接、固定標(biāo)高支撐（水平少量位移隨動）方式；連接器與箭上接口固定連接，對接裝置彈性隨動，起飛前連接器解鎖，火箭上升運動拔出脫落方式；連接器水平方向彈射脫落，吊桿、平衡臂等機構(gòu)懸掛縮回方式。勤務(wù)臂（擺桿）前端的連接器對接裝置形式有水平可伸縮臍帶臂、平衡臂式吊掛臍帶裝置、升降平臺可伸縮臂等形式。

c）連接器脫落總體方案以零秒脫落方式應(yīng)用居多，其次為臨射前自動脫落、不再對接方式，提前脫落自動對接方式應(yīng)用較少。為實現(xiàn)可靠自動脫落，基本具備兩種以上互為冗余的脫落措施，連接器強調(diào)快速但不一定自動對接。單一連接器主要為空調(diào)連接器、緊急低溫連接器，相比零秒低溫連接器（區(qū)別于緊急，僅指正常加排連接器）質(zhì)量較輕，通常不設(shè)置擺桿。

圖1 X-33LH2組合連接器示意Fig.1 Knockdown Connector of X-33 LH2

土星V火箭總體方案為底部為3個零秒脫落連接器及服務(wù)塔；側(cè)面9根擺桿，其中4根擺桿為射前8 s前動作（高度最低的S-IC氧加連接器可在5 min內(nèi)再次對接），其余5根擺桿為連接器零秒脫落（1 s內(nèi)完成）后動作，按高度由低到高分別在6.4～9 s快速擺回。航天飛機集中設(shè)有尾端氫加、氧加零秒脫落組合連接器及服務(wù)塔，外掛貯箱零秒脫落氫排組合連接器及勤務(wù)臂；X-33底部分別設(shè)有氫加、氧加零秒脫落組合連接器及服務(wù)塔。宇宙神5活動發(fā)射平臺與發(fā)射工位設(shè)施間應(yīng)用了自動對接連接器。21世紀(jì)以來為適應(yīng)技術(shù)發(fā)展需求，研究了遠(yuǎn)程智能臍帶對接系統(tǒng)，自動對接地面臍帶連接器系統(tǒng)（應(yīng)用于戰(zhàn)神1火箭二級，需人工輔助對接、零秒脫落）。

土星V側(cè)面應(yīng)用了零秒脫落連接器及擺桿技術(shù)，零秒組合連接器通過組合板上的萬向接頭與擺桿上的平衡臂相連，具有多重解鎖冗余措施，首先氣動推桿為主要解鎖方式，再為液壓缸作動拉索解鎖，然后為火箭起飛被動張緊解鎖，以上解鎖方式均失效時球鎖強制拉斷。同時應(yīng)用了一種零秒脫落緊急排氣連接器，通過氣動及機械冗余解鎖，正常發(fā)射流程時內(nèi)部無低溫推進劑通過，分離時可不考慮低溫對它的影響。

圖2為航天飛機尾部服務(wù)塔布局，服務(wù)塔內(nèi)部的臍帶臂通過連桿對接支撐臍帶板，繞底部樞軸旋轉(zhuǎn)回收臍帶板，然后護罩旋轉(zhuǎn)關(guān)蓋防護，低溫連接器通徑達254 mm，多采用真空絕熱形式，以防止漏熱及水汽凝結(jié)結(jié)冰；當(dāng)采用非真空絕熱形式時，也采用有效的隔熱措施及用干燥的氮氣或氦氣對連接器吹除以防止結(jié)冰。德爾塔4也采用了尾部側(cè)置服務(wù)塔，箭地接口位于斜側(cè)面。

圖2 航天飛機Fig.2 Space Shuttle

圖3 所示宇宙神火箭上面級采用多個零秒脫落連接器示意，零秒低溫連接器需要輔助支撐及快速回收通常設(shè)置簡易擺桿，空調(diào)連接器不設(shè)擺桿，能夠簡化火箭與發(fā)射支持系統(tǒng)總體方案。

圖3 宇宙神火箭連接器示意Fig.3 Connector of Atlas Launch Vehicle

1.2 俄羅斯

俄羅斯旋風(fēng)號、天頂號火箭采用了組合連接器自動對接脫落技術(shù)，回收至防護塔防護。以天頂號為例，其采用的錐桿-傘式導(dǎo)向定位機構(gòu)簡單而實用，在一級箭體的尾端側(cè)面設(shè)置有兩個對稱布置的對接裝置，工作模式有全自動、手動遙控模式，連接器二次對接可在5 min內(nèi)完成。1984年蘇聯(lián)在拜科努爾發(fā)射場發(fā)生了一次火箭爆炸事故，由于采取了自動對接加注技術(shù)，避免人員在現(xiàn)場，僅發(fā)射工位被毀，無人員傷亡。俄羅斯的火箭臍帶裝置有多種電、氣、液組合化形式，重視自動對接及安全性。海射天頂號3SR具有高度自動化的發(fā)射系統(tǒng)，由于火箭臍帶裝置組合化，25條燃料管線和3500條電路在2.5 min內(nèi)就能自動連接好。

聯(lián)盟號二級采用了零秒脫落連接器及擺桿，如圖4所示，擺桿為縱向擺開式，相比水平擺桿無需設(shè)置臍帶塔，具有獨到之處；為減少接口數(shù)量，采用內(nèi)外分層的連接器同時對多貯箱進行加注。新型安加拉火箭二級采用了零秒脫落連接器、水平擺桿。

圖4 聯(lián)盟號火箭連接器Fig.4 Connector of Soyuz Launch Vehicle

1.3 法 國

法國阿里安V為了在二級火箭正常加泄連接器脫落后，火箭推遲發(fā)射時應(yīng)急處置，設(shè)置了零秒脫落緊急連接器，空調(diào)連接器同樣采用無擺桿零秒脫落方案。芯一級的所有加泄、排氣及供氣連接器均位于箭體尾部，在火箭點火后脫落防護，其中低溫連接器為拉斷式。阿里安V火箭高空及尾部連接器如圖5所示。

圖5 阿里安V火箭連接器Fig.5 Connector of Ariane V Launch Vehicle

阿里安V火箭采用的快速脫落組合連接器，已成系列產(chǎn)品，組合連接器由定位機構(gòu)、鎖緊與脫落機構(gòu)、氣電液管線等組成。上面級（芯二級）貯箱箭地加注、供氣系統(tǒng)接口設(shè)置有兩個組合化的快速脫落連接盤（組合連接器），液氧系統(tǒng)的組合連接器由液氧加注活門以及氧箱測壓、增壓、放氣等48項供氣接口組成，液氫系統(tǒng)的組合連接器由液氫加注活門以及氫箱增壓、測壓、放氣活門等供氣接口組成，組合連接器在火箭起飛前4 s自動脫落，由連接器伸縮機械臂完成對接支撐、快速脫落回收。

1.4 日 本

日本H-2A、H-2B火箭的一級火箭尾部氫氧低溫管路采用兩套自動對接系統(tǒng)，為垂直升降對接及分離方式。自動對接系統(tǒng)使液氧和液氫連接器在不到0.5 h內(nèi)分別和箭上管路接通，對接系統(tǒng)分離后回收至防護塔進行防護。二級火箭仍有擺桿式臍帶連接系統(tǒng)，整流罩設(shè)置了無擺桿零秒脫落空調(diào)連接器。

1.5 中 國

中國長征系列運載火箭在役型號連接器[3,4]均為氣或液單體產(chǎn)品形式，上箭使用數(shù)量達37個以上，僅供氣項目進行多路集中，無組合氣液連接器及自動對接連接器應(yīng)用，連接器以提前手動脫落、臨射前自動脫落方案以及零秒脫落方案為主，新型運載火箭按照液氫加注無人值守、緊急故障不上人處理要求，采用了零秒脫落、提前脫落的箭地連接器總體方案。

根據(jù)脫落時機，手動提前脫落的為常溫推進劑連接器；臨射前自動脫落的為氫氧低溫加排連接器、冷氦連接器[5]以及氣管連接器；零秒脫落的連接器包括尾部液氫加排連接器、氣路插拔組合連接器[6,7]，高空氫緊急排氣連接器、空調(diào)連接器等。芯一級液氫加排連接器（射前3 min球鎖解鎖后由對接裝置支撐）以及支撐式插拔連接器，在火箭起飛時直接脫拔分離，其余零秒連接器依靠球鎖鎖緊脫落，具備冗余脫落措施以保證脫落可靠性。

中國運載火箭技術(shù)研究院在“八五”期間、新型運載火箭及重型運載火箭預(yù)研階段對低溫連接器組合技術(shù)及自動對接關(guān)鍵技術(shù)進行了較為深入的研究驗證，其它型號研制配套單位對連接器自動對接技術(shù)及氣液連接器也有開展技術(shù)研究[8,9]。

2 連接器總體方案技術(shù)分析

氣液連接器根據(jù)所輸送介質(zhì)、溫度、功能等要求的區(qū)別而存在不同的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)總體測試發(fā)射流程，特別是脫落時機要求差異，連接器總體方案也存在不同的對接、分離及防護技術(shù)形式。氣液連接器根據(jù)介質(zhì)種類的不同，通常分為常溫與低溫供氣連接器、常溫與低溫加泄排氣連接器、空調(diào)連接器；根據(jù)脫落時機及功能不同，分為提前手動對接脫落、提前自動脫落、零秒自動脫落、自動對接脫落連接器等形式。通常低溫連接器及其自動對接技術(shù)最為復(fù)雜，能夠覆蓋常溫加排連接器、供氣連接器技術(shù)。

a）根據(jù)火箭測試發(fā)射流程及脫落時機要求，低溫貯箱相連的氣液連接器需完成射前推進劑補加，動力系統(tǒng)增壓、測壓、吹除等工作，因而連接器臨射前、甚至火箭起飛后才能脫落；低溫加注過程存在危險性，為避免火箭延遲發(fā)射補加或泄出推進劑再對接時的危險，因而低溫加注階段的氣液連接器通常為無人值守、臨射前或點火時自動脫落狀態(tài)，且必須確?？煽棵撀洹?/p>

b）氣液連接器無人值守自動脫落方案主要有：火箭確認(rèn)起飛后的零秒脫落連接器方案，提前脫落自動對接連接器方案，以及提前脫落、不再自動對接方式。零秒脫落連接器有直接插拔式、拉斷式，球鎖氣動及機械冗余解鎖脫落方式，脫落后不再自動對接。

c）國外運載火箭型號為減少單體連接器數(shù)量以及對接裝置、擺桿或防護塔設(shè)置數(shù)量，普遍采用組合式連接器，提前自動脫落、零秒自動脫落及自動對接方式均有。

d）對于低溫基礎(chǔ)級（芯一級及助推）底部連接器總體方案，自動對接技術(shù)及零秒脫落技術(shù)在基礎(chǔ)級均有應(yīng)用，主要在于發(fā)射臺表面容易設(shè)置對接防護裝置。自動對接技術(shù)以俄羅斯天頂號為代表；基礎(chǔ)級零秒脫落連接器技術(shù)以美國航天飛機、法國阿里安V為代表，總體上強調(diào)連接器快速可靠脫落不一定具備自動對接功能，因而零秒脫落連接器應(yīng)用居多。

e）對于上面級（除基礎(chǔ)級）連接器總體方案，多采用推進劑正常加排通路提前脫落和緊急泄出排氣通路零秒脫落的方案，以及零秒脫落連接器及擺桿方案，自動對接技術(shù)應(yīng)用較少。提前脫落連接器通常設(shè)置擺桿進行回收，國外提前脫落連接器及擺桿通常臨射前才動作，如阿里安V伸縮臂為臨射前4 s，土星V擺桿為8 s、12 s，中國提前的時間裕度大些。零秒脫落連接器方案應(yīng)用相對較多，如美國土星V、宇宙神系列、德爾塔4，俄羅斯聯(lián)盟號，連接器脫落后通常設(shè)置擺桿快速擺開，單一的零秒緊急連接器及空調(diào)連接器重量較輕通常不設(shè)置擺桿。

f）連接器防護方案有防護塔防護、擺桿擺開以及不防護方式?；A(chǔ)級底部、側(cè)面及斜側(cè)面的連接器一般在發(fā)射臺設(shè)置防護塔，側(cè)置及底置式的立式、臥式自動對接及零秒脫落連接器及防護技術(shù)方案均有應(yīng)用；上面級多采用擺桿擺開及零秒脫落不防護方式。采用擺桿方案要考慮風(fēng)載、熱脹冷縮、載荷變化等引起的火箭及擺桿相對位置變動，連接器一般采取主動鎖緊，管路及回收裝置隨動方式。

3 連接器無人值守方案比較

火箭的總體方案決定了氣液連接器系統(tǒng)的復(fù)雜性，直接影響擺桿及防護塔的方案選擇。根據(jù)火箭測試發(fā)射流程及任務(wù)可靠性、安全性需求，目前對于低溫液體火箭的普通共識為以低溫推進劑加注及緊急情況處理無人值守為目標(biāo)。

為實現(xiàn)連接器無人值守，有自動對接低溫連接器、零秒脫落低溫連接器（正常加排）、正常加排通路提前脫落及緊急泄排通路零秒脫落連接器3種主要技術(shù)方案（涵蓋組合連接器及供氣連接器）：

a）自動對接低溫連接器相比零秒脫落連接器會增加對接系統(tǒng)的復(fù)雜性，技術(shù)實現(xiàn)難度較大，擺桿上的動態(tài)自動對接技術(shù)更為復(fù)雜。自動對接連接器提前脫落任務(wù)可靠性高，但須解決好連接器脫落后的破空、防結(jié)冰，再次自動對接的密封性及工作可靠性。

b）火箭底部零秒脫落低溫連接器具有成熟的技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗；上面級零秒脫落低溫連接器通常需設(shè)置零秒動作擺桿，工作時段及時間緊張，可靠性要求高，需采取可靠的快速冗余脫落措施及多重擺開措施，技術(shù)實現(xiàn)難度略大，連接器及擺桿故障均會影響火箭發(fā)射任務(wù)成敗、風(fēng)險大。

c）上面級正常加排通路提前脫落及緊急泄排通路零秒脫落連接器方案，能夠?qū)崿F(xiàn)正常加排通路連接器提早脫落，緊急故障處置情況不上人。相比其它兩種方案，需額外設(shè)置零秒緊急泄出或排氣連接器，避免了在擺桿應(yīng)用自動對接連接器技術(shù)，火箭點火時零秒脫落連接器數(shù)量較少、且在常溫下脫落，是比較折中的方案。

根據(jù)氣液連接器總體方案論證原則，盡量繼承或借鑒現(xiàn)有成熟可靠或已應(yīng)用的連接器技術(shù)方案；能夠提前脫落的連接器盡量提前脫落，減少火箭點火時零秒脫落連接器數(shù)量，以提高發(fā)射可靠性、安全性。連接器工作可靠為首要考慮因素，氣液連接器總體方案策略為：當(dāng)自動對接低溫連接器及零秒脫落低溫連接器均技術(shù)成熟、試驗可靠時，基礎(chǔ)級火箭綜合可靠性、系統(tǒng)復(fù)雜性等因素?fù)駜?yōu)選用自動對接或零秒脫落連接器方案；上面級優(yōu)選推進劑正常加排通路提前脫落和緊急泄排通路零秒脫落的連接器方案，其次為自動對接低溫連接器，最后為零秒低溫加排連接器及擺桿方案，技術(shù)成熟時方可應(yīng)用。

4 結(jié)論

國外連接器總體方案的發(fā)展特點為：a）普遍應(yīng)用組合連接器、零秒脫落連接器、自動對接連接器，一個火箭同時應(yīng)用以上多種連接器，總體方案呈現(xiàn)組合化、自動化、集成化。b）通過組合連接器減少連接器數(shù)量，以及服務(wù)連接器的對接裝置、防護塔及擺桿數(shù)量；c）零秒脫落連接器能夠確保火箭應(yīng)急處置時無需再次對接連接器，避開技術(shù)難度較大的自動對接連接器方案；d）自動對接連接器則可以提前脫落，減少火箭點火時脫落的連接器數(shù)量，實現(xiàn)火箭高可靠性和安全性。

連接器采用何種對接、脫落及防護總體方案，需要根據(jù)火箭型號總體方案的需求、特點確定，同時考慮各國的技術(shù)水平發(fā)展?fàn)顩r，在型號研制時應(yīng)充分借鑒國外連接器總體方案的技術(shù)發(fā)展特點。中國在役火箭氣液連接器以提前脫落方案及零秒脫落方案為主，今后組合化、大口徑真空絕熱的自動對接及零秒脫落連接器技術(shù)有待進一步研發(fā)，提高連接器的可靠性及自動化程度有利于提高火箭的可靠性、安全性、競爭力，具有重要意義。