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(yùn)載火箭在發(fā)射準(zhǔn)備過(guò)程中，與地面設(shè)備間存在大量的氣、液、電管線（臍帶）通過(guò)連接器連接。根據(jù)火箭正常測(cè)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(diǎn)火前，甚至火箭確認(rèn)起飛時(shí)（已點(diǎn)火）才與火箭分離，此時(shí)人員已經(jīng)撤離現(xiàn)場(chǎng)，連接器必須現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守、遠(yuǎn)控自動(dòng)脫落。如果連接器不能按時(shí)、可靠脫落，就會(huì)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(shí)現(xiàn)火箭安全可靠的重要保障條件。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外氣液連接器對(duì)接、脫落及防護(hù)總體方案技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行分析及總結(jié)。

1 運(yùn)載火箭連接器研究進(jìn)展

1.1 美 國(guó)

通過(guò)對(duì)美國(guó)土星Ⅴ、航天飛機(jī)、X-33、大力神、宇宙神系列等型號(hào)的箭地連接器[1,2]對(duì)接、脫落及防護(hù)總體方案分析可見：

a）美國(guó)為減少連接器的數(shù)量，在各個(gè)型號(hào)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(yùn)載火箭S-II級(jí)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(tái)19 mm才自動(dòng)脫開；航天飛機(jī)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(yàn)狀態(tài)，實(shí)際應(yīng)用為底部支撐）。

b）組合連接器對(duì)接脫落總體方案有：連接器底部插拔徑向密封滑動(dòng)連接、固定標(biāo)高支撐（水平少量位移隨動(dòng)）方式；連接器與箭上接口固定連接，對(duì)接裝置彈性隨動(dòng)，起飛前連接器解鎖，火箭上升運(yùn)動(dòng)拔出脫落方式；連接器水平方向彈射脫落，吊桿、平衡臂等機(jī)構(gòu)懸掛縮回方式。勤務(wù)臂（擺桿）前端的連接器對(duì)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(tái)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(dòng)脫落、不再對(duì)接方式，提前脫落自動(dòng)對(duì)接方式應(yīng)用較少。為實(shí)現(xiàn)可靠自動(dòng)脫落，基本具備兩種以上互為冗余的脫落措施，連接器強(qiáng)調(diào)快速但不一定自動(dòng)對(duì)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(gè)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(dòng)作（高度最低的S-IC氧加連接器可在5 min內(nèi)再次對(duì)接），其余5根擺桿為連接器零秒脫落（1 s內(nèi)完成）后動(dòng)作，按高度由低到高分別在6.4～9 s快速擺回。航天飛機(jī)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(dòng)發(fā)射平臺(tái)與發(fā)射工位設(shè)施間應(yīng)用了自動(dòng)對(duì)接連接器。21世紀(jì)以來(lái)為適應(yīng)技術(shù)發(fā)展需求，研究了遠(yuǎn)程智能臍帶對(duì)接系統(tǒng)，自動(dòng)對(duì)接地面臍帶連接器系統(tǒng)（應(yīng)用于戰(zhàn)神1火箭二級(jí)，需人工輔助對(duì)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(guò)組合板上的萬(wàn)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(dòng)推桿為主要解鎖方式，再為液壓缸作動(dòng)拉索解鎖，然后為火箭起飛被動(dòng)張緊解鎖，以上解鎖方式均失效時(shí)球鎖強(qiáng)制拉斷。同時(shí)應(yīng)用了一種零秒脫落緊急排氣連接器，通過(guò)氣動(dòng)及機(jī)械冗余解鎖，正常發(fā)射流程時(shí)內(nèi)部無(wú)低溫推進(jìn)劑通過(guò)，分離時(shí)可不考慮低溫對(duì)它的影響。

圖2為航天飛機(jī)尾部服務(wù)塔布局，服務(wù)塔內(nèi)部的臍帶臂通過(guò)連桿對(duì)接支撐臍帶板，繞底部樞軸旋轉(zhuǎn)回收臍帶板，然后護(hù)罩旋轉(zhuǎn)關(guān)蓋防護(hù)，低溫連接器通徑達(dá)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(shí)，也采用有效的隔熱措施及用干燥的氮?dú)饣蚝鈱?duì)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(jī)Fig.2 Space Shuttle

圖3 所示宇宙神火箭上面級(jí)采用多個(gè)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(jiǎn)易擺桿，空調(diào)連接器不設(shè)擺桿，能夠簡(jiǎn)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(hào)、天頂號(hào)火箭采用了組合連接器自動(dòng)對(duì)接脫落技術(shù)，回收至防護(hù)塔防護(hù)。以天頂號(hào)為例，其采用的錐桿-傘式導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單而實(shí)用，在一級(jí)箭體的尾端側(cè)面設(shè)置有兩個(gè)對(duì)稱布置的對(duì)接裝置，工作模式有全自動(dòng)、手動(dòng)遙控模式，連接器二次對(duì)接可在5 min內(nèi)完成。1984年蘇聯(lián)在拜科努爾發(fā)射場(chǎng)發(fā)生了一次火箭爆炸事故，由于采取了自動(dòng)對(duì)接加注技術(shù)，避免人員在現(xiàn)場(chǎng)，僅發(fā)射工位被毀，無(wú)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(dòng)對(duì)接及安全性。海射天頂號(hào)3SR具有高度自動(dòng)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(dòng)連接好。

聯(lián)盟號(hào)二級(jí)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(wú)需設(shè)置臍帶塔，具有獨(dú)到之處；為減少接口數(shù)量，采用內(nèi)外分層的連接器同時(shí)對(duì)多貯箱進(jìn)行加注。新型安加拉火箭二級(jí)采用了零秒脫落連接器、水平擺桿。

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

1.3 法 國(guó)

法國(guó)阿里安V為了在二級(jí)火箭正常加泄連接器脫落后，火箭推遲發(fā)射時(shí)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(wú)擺桿零秒脫落方案。芯一級(jí)的所有加泄、排氣及供氣連接器均位于箭體尾部，在火箭點(diǎn)火后脫落防護(hù)，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(jī)構(gòu)、鎖緊與脫落機(jī)構(gòu)、氣電液管線等組成。上面級(jí)（芯二級(jí)）貯箱箭地加注、供氣系統(tǒng)接口設(shè)置有兩個(gè)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(cè)壓、增壓、放氣等48項(xiàng)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(cè)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(dòng)脫落，由連接器伸縮機(jī)械臂完成對(duì)接支撐、快速脫落回收。

1.4 日 本

日本H-2A、H-2B火箭的一級(jí)火箭尾部氫氧低溫管路采用兩套自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)，為垂直升降對(duì)接及分離方式。自動(dòng)對(duì)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(duì)接系統(tǒng)分離后回收至防護(hù)塔進(jìn)行防護(hù)。二級(jí)火箭仍有擺桿式臍帶連接系統(tǒng)，整流罩設(shè)置了無(wú)擺桿零秒脫落空調(diào)連接器。

1.5 中 國(guó)

中國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭在役型號(hào)連接器[3,4]均為氣或液?jiǎn)误w產(chǎn)品形式，上箭使用數(shù)量達(dá)37個(gè)以上，僅供氣項(xiàng)目進(jìn)行多路集中，無(wú)組合氣液連接器及自動(dòng)對(duì)接連接器應(yīng)用，連接器以提前手動(dòng)脫落、臨射前自動(dòng)脫落方案以及零秒脫落方案為主，新型運(yùn)載火箭按照液氫加注無(wú)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(shí)機(jī)，手動(dòng)提前脫落的為常溫推進(jìn)劑連接器；臨射前自動(dòng)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(jí)液氫加排連接器（射前3 min球鎖解鎖后由對(duì)接裝置支撐）以及支撐式插拔連接器，在火箭起飛時(shí)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(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院在“八五”期間、新型運(yùn)載火箭及重型運(yùn)載火箭預(yù)研階段對(duì)低溫連接器組合技術(shù)及自動(dòng)對(duì)接關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究驗(yàn)證，其它型號(hào)研制配套單位對(duì)連接器自動(dòng)對(duì)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(cè)試發(fā)射流程，特別是脫落時(shí)機(jī)要求差異，連接器總體方案也存在不同的對(duì)接、分離及防護(hù)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(shí)機(jī)及功能不同，分為提前手動(dòng)對(duì)接脫落、提前自動(dòng)脫落、零秒自動(dòng)脫落、自動(dòng)對(duì)接脫落連接器等形式。通常低溫連接器及其自動(dòng)對(duì)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(cè)試發(fā)射流程及脫落時(shí)機(jī)要求，低溫貯箱相連的氣液連接器需完成射前推進(jìn)劑補(bǔ)加，動(dòng)力系統(tǒng)增壓、測(cè)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(guò)程存在危險(xiǎn)性，為避免火箭延遲發(fā)射補(bǔ)加或泄出推進(jìn)劑再對(duì)接時(shí)的危險(xiǎn)，因而低溫加注階段的氣液連接器通常為無(wú)人值守、臨射前或點(diǎn)火時(shí)自動(dòng)脫落狀態(tài)，且必須確?？煽棵撀?。

b）氣液連接器無(wú)人值守自動(dòng)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(dòng)對(duì)接連接器方案，以及提前脫落、不再自動(dòng)對(duì)接方式。零秒脫落連接器有直接插拔式、拉斷式，球鎖氣動(dòng)及機(jī)械冗余解鎖脫落方式，脫落后不再自動(dòng)對(duì)接。

c）國(guó)外運(yùn)載火箭型號(hào)為減少單體連接器數(shù)量以及對(duì)接裝置、擺桿或防護(hù)塔設(shè)置數(shù)量，普遍采用組合式連接器，提前自動(dòng)脫落、零秒自動(dòng)脫落及自動(dòng)對(duì)接方式均有。

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

e）對(duì)于上面級(jí)（除基礎(chǔ)級(jí)）連接器總體方案，多采用推進(jìn)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(dòng)對(duì)接技術(shù)應(yīng)用較少。提前脫落連接器通常設(shè)置擺桿進(jìn)行回收，國(guó)外提前脫落連接器及擺桿通常臨射前才動(dòng)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(guó)提前的時(shí)間裕度大些。零秒脫落連接器方案應(yīng)用相對(duì)較多，如美國(guó)土星V、宇宙神系列、德爾塔4，俄羅斯聯(lián)盟號(hào)，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(hù)方案有防護(hù)塔防護(hù)、擺桿擺開以及不防護(hù)方式。基礎(chǔ)級(jí)底部、側(cè)面及斜側(cè)面的連接器一般在發(fā)射臺(tái)設(shè)置防護(hù)塔，側(cè)置及底置式的立式、臥式自動(dòng)對(duì)接及零秒脫落連接器及防護(hù)技術(shù)方案均有應(yīng)用；上面級(jí)多采用擺桿擺開及零秒脫落不防護(hù)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(duì)位置變動(dòng)，連接器一般采取主動(dòng)鎖緊，管路及回收裝置隨動(dòng)方式。

3 連接器無(wú)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(hù)塔的方案選擇。根據(jù)火箭測(cè)試發(fā)射流程及任務(wù)可靠性、安全性需求，目前對(duì)于低溫液體火箭的普通共識(shí)為以低溫推進(jìn)劑加注及緊急情況處理無(wú)人值守為目標(biāo)。

為實(shí)現(xiàn)連接器無(wú)人值守，有自動(dòng)對(duì)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(dòng)對(duì)接低溫連接器相比零秒脫落連接器會(huì)增加對(duì)接系統(tǒng)的復(fù)雜性，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較大，擺桿上的動(dòng)態(tài)自動(dòng)對(duì)接技術(shù)更為復(fù)雜。自動(dòng)對(duì)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(dòng)對(duì)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(yàn)；上面級(jí)零秒脫落低溫連接器通常需設(shè)置零秒動(dòng)作擺桿，工作時(shí)段及時(shí)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?cái)[開措施，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度略大，連接器及擺桿故障均會(huì)影響火箭發(fā)射任務(wù)成敗、風(fēng)險(xiǎn)大。

c）上面級(jí)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(dòng)對(duì)接連接器技術(shù)，火箭點(diǎn)火時(shí)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(diǎn)火時(shí)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(dòng)對(duì)接低溫連接器及零秒脫落低溫連接器均技術(shù)成熟、試驗(yàn)可靠時(shí)，基礎(chǔ)級(jí)火箭綜合可靠性、系統(tǒng)復(fù)雜性等因素?fù)駜?yōu)選用自動(dòng)對(duì)接或零秒脫落連接器方案；上面級(jí)優(yōu)選推進(jìn)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(dòng)對(duì)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(shí)方可應(yīng)用。

4 結(jié)論

國(guó)外連接器總體方案的發(fā)展特點(diǎn)為：a）普遍應(yīng)用組合連接器、零秒脫落連接器、自動(dòng)對(duì)接連接器，一個(gè)火箭同時(shí)應(yīng)用以上多種連接器，總體方案呈現(xiàn)組合化、自動(dòng)化、集成化。b）通過(guò)組合連接器減少連接器數(shù)量，以及服務(wù)連接器的對(duì)接裝置、防護(hù)塔及擺桿數(shù)量；c）零秒脫落連接器能夠確?；鸺龖?yīng)急處置時(shí)無(wú)需再次對(duì)接連接器，避開技術(shù)難度較大的自動(dòng)對(duì)接連接器方案；d）自動(dòng)對(duì)接連接器則可以提前脫落，減少火箭點(diǎn)火時(shí)脫落的連接器數(shù)量，實(shí)現(xiàn)火箭高可靠性和安全性。

連接器采用何種對(duì)接、脫落及防護(hù)總體方案，需要根據(jù)火箭型號(hào)總體方案的需求、特點(diǎn)確定，同時(shí)考慮各國(guó)的技術(shù)水平發(fā)展?fàn)顩r，在型號(hào)研制時(shí)應(yīng)充分借鑒國(guó)外連接器總體方案的技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)。中國(guó)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(dòng)對(duì)接及零秒脫落連接器技術(shù)有待進(jìn)一步研發(fā)，提高連接器的可靠性及自動(dòng)化程度有利于提高火箭的可靠性、安全性、競(jìng)爭(zhēng)力，具有重要意義。