□ 武凱日 □ 趙立喬

1.浙江藍(lán)箭航天空間科技有限公司上海分公司 上海 201109 2.藍(lán)箭航天空間科技股份有限公司 北京 100176

1 研制背景

在航天發(fā)射領(lǐng)域,對于使用低溫推進劑的運載火箭,地面發(fā)射支持系統(tǒng)要滿足火箭點火前用氣、推進劑補加,以及緊急關(guān)機后推進劑泄回的需求。液體運載火箭推進劑具有易燃易爆的特點,從推進劑加注開始,發(fā)射火箭塔架周圍區(qū)域面臨較大的安全風(fēng)險[1]。為保障人員安全,在推進劑開始加注后,不再安排人員進入發(fā)射區(qū)。針對上述情況,筆者以高可靠、高安全、低成本為原則,研制了一種運載火箭連接器零秒脫落及防護裝置。

這一裝置具備連接器零秒脫落、發(fā)射區(qū)無人值守的功能,在火箭發(fā)動機緊急關(guān)機后,還具有將推進劑泄回的能力[2]。連接器零秒脫落技術(shù)的應(yīng)用,使朱雀二號運載火箭首次從根本上實現(xiàn)了國內(nèi)液體火箭自推進劑開始加注后不需要人員值守的目標(biāo),消除了火箭推遲或終止發(fā)射后需要操作人員重新對接連接器的安全隱患,徹底解決了操作人員在易燃易爆環(huán)境下作業(yè)的安全問題。

2 裝置布置

根據(jù)火箭上的連接器分布位置,設(shè)置大、小兩個裝置,主要對在裝置上的各個連接器進行防護。裝置設(shè)置在發(fā)射臺上,裝置布置如圖1所示。大裝置內(nèi)有四個連接器,分別為一個氣體連接器和三個低溫連接器,小裝置內(nèi)有一個氣體連接器。

圖1 裝置布置

3 工作原理

火箭點火后,裝置接收到火箭起飛觸點信號開始動作,按順序完成連接器的分離、回收。隨著火箭的不斷升高,裝置還必須在火箭發(fā)動機尾焰到來之前完成對連接器的防護。位于火箭箭體底部的兩個氣體連接器,與火箭發(fā)動機噴管的距離最短。因此留給這兩個氣體連接器的防護時間最短。根據(jù)火箭起飛時間與高度曲線,火箭發(fā)動機噴管下沿到達裝置翻轉(zhuǎn)門框下沿的時間為1.25 s,考慮到火箭起飛觸點信號在火箭點火后會延遲發(fā)出,由此規(guī)定對氣體連接器的防護動作必須在0.8 s內(nèi)完成。

4 連接器防護機構(gòu)

各個連接器所在位置的運動機構(gòu)采取模塊化、通用化設(shè)計。以小裝置內(nèi)氣體連接器防護機構(gòu)為例進行說明,結(jié)構(gòu)如圖2所示。防護機構(gòu)主要包括翻轉(zhuǎn)門、翻轉(zhuǎn)門氣缸、滑架、滑架氣缸,以及供配氣系統(tǒng)等?？紤]到火箭加注過程中發(fā)生推進劑泄漏極易形成易燃易爆環(huán)境,從安全性角度出發(fā),同時兼顧經(jīng)濟性,充分利用發(fā)射場現(xiàn)有的氣源設(shè)施,裝置采用氣動驅(qū)動方式[3]。

圖2 小裝置內(nèi)氣體連接器防護機構(gòu)結(jié)構(gòu)

當(dāng)火箭豎起并與發(fā)射臺固定后,通過供配氣組件向裝置內(nèi)相應(yīng)氣缸供氣,將翻轉(zhuǎn)門打開,使滑架推出,然后手動完成連接器與火箭箭體的對接。

為了實現(xiàn)防護機構(gòu)快速動作,在裝置內(nèi)設(shè)置蓄壓器,使氣源盡量靠近氣缸,實現(xiàn)氣缸內(nèi)快速建壓,進而實現(xiàn)連接器快速回收,同時對滑架氣缸進行冗余設(shè)置。

供配氣系統(tǒng)氣路原理如圖3所示。在滑架電磁閥V13、V14得電后,滑架氣缸帶動滑架向塔內(nèi)運動?；芘c連接器及解鎖機構(gòu)相連,在滑架的作用下,連接器按順序?qū)崿F(xiàn)解鎖分離及回收動作。滑架回收到位后,觸發(fā)翻轉(zhuǎn)門電磁閥V21得電,翻轉(zhuǎn)門氣缸帶動翻轉(zhuǎn)門實現(xiàn)關(guān)閉動作。另一方面,翻轉(zhuǎn)門也可以依靠自身重力完成關(guān)閉動作。

圖3 供配氣系統(tǒng)氣路原理

5 選型仿真

為滿足防護機構(gòu)動作的快速性要求,對滑架氣缸的缸徑、行程,以及電磁閥的通徑、打開時間進行選型。對蓄壓器容積進行理論計算,并結(jié)合現(xiàn)有產(chǎn)品,選擇250 L蓄壓器。主要器件及參數(shù)選定后,進行氣路仿真,目的是通過系統(tǒng)響應(yīng)時間來初步確定氣缸的供氣壓力。

在蓄壓器0.7 MPa、0.6 MPa、0.5 MPa三種不同壓力下,針對單氣缸作用進行仿真,如圖4所示。仿真過程中,控制信號延遲0.1 s來模擬電磁閥延遲打開時間。仿真結(jié)果顯示,隨著蓄壓器壓力的減小,滑架氣缸缸桿完全縮回所用時間略有增加,但都在0.2 s以內(nèi)完成。單氣缸缸桿行程時間關(guān)系如圖5所示。經(jīng)過理論計算,翻轉(zhuǎn)門關(guān)閉時間為0.365 s,因此連接器回收及防護的整個時間為0.565 s,短于0.8 s,確認(rèn)滿足任務(wù)要求。

圖4 單氣缸作用仿真

圖5 單氣缸缸桿行程時間關(guān)系

在蓄壓器壓力為0.7 MPa的情況下,對真實工況下雙氣缸作用的回收時間進行仿真,如圖6所示。雙氣缸缸桿行程時間關(guān)系如圖7所示,可見回收時間也在0.2 s以內(nèi),與單氣缸作用下的回收時間基本相同。裝置采取雙氣缸冗余設(shè)計方案,即使其中一個滑架氣缸因故障而無法收回,另外一個滑架氣缸也可單獨完成滑架的收回動作,并且不影響收回時間。

圖6 雙氣缸作用仿真

圖7 雙氣缸缸桿行程時間關(guān)系

6 電磁閥振動試驗

火箭發(fā)射過程中,發(fā)動機會給周邊設(shè)備、設(shè)施帶來巨大振動。當(dāng)周邊設(shè)備、設(shè)施受到一定程度的振動沖擊時,可能會引發(fā)共振、損傷等問題,甚至出現(xiàn)超過極限承受能力而致導(dǎo)工作異常的情況[4]。電磁閥作為供配氣系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件,存在打不開和關(guān)不上的故障情況。當(dāng)電磁閥打不開時,供配氣系統(tǒng)無法驅(qū)動滑架氣缸動作,會造成連接器無法脫落的故障。當(dāng)電磁閥關(guān)不上時,驅(qū)動氣源會在未受控的情況下進入氣缸做動腔,使連接器意外脫落。另一方面,為節(jié)約研制經(jīng)費,縮短研制周期,供配氣系統(tǒng)中的電磁閥選用民用產(chǎn)品,電磁閥沒有經(jīng)歷過振動試驗考核。

基于上述原因,設(shè)計了振動試驗設(shè)施,用于對電磁閥及供配氣系統(tǒng)進行驗證。電磁閥振動試驗的原理如圖8所示。

圖8 電磁閥振動試驗原理

氣源提供0.7 MPa氣體至電磁閥進口處。手動截止閥打開一定開度,保證管路有一定壓力,并使水槽內(nèi)有氣泡逸出即可。按正弦掃描振動試驗條件、隨機振動試驗條件對電磁閥的三個相互垂直的方向進行正弦振動試驗和隨機振動試驗。試驗條件見表1～表3,正弦掃描振動試驗掃描速率均為每分鐘兩分鐘頻程,g為重力加速度。電磁閥按X、Y、Z三個方向振動,振動試驗按驗收級與鑒定級分別進行。各級試驗分別按照X、Y、Z三個方向進行,每個方向包括正弦掃描振動與隨機振動。正弦掃描振動驗收級試驗一個循環(huán)完成后,再進入隨機振動驗收級試驗,共進行五次全循環(huán)。正弦掃描振動鑒定級試驗一個循環(huán)完成后,再進入隨機振動鑒定級試驗,同樣共進行五次全循環(huán)。

表1 Z方向正弦掃描振動試驗條件

表2 X、Y方向正弦掃描振動試驗條件

表3 隨機振動試驗條件

電磁閥振動試驗過程中,在未通電情況下應(yīng)可靠關(guān)閉,壓力傳感器在精度范圍以內(nèi)無壓力輸出,水槽內(nèi)無氣泡逸出。

在通電情況下應(yīng)打開順暢,壓力傳感器有壓力輸出,水槽內(nèi)有氣泡逸出。

電磁閥每個方向振動試驗結(jié)束之后,檢查電磁閥是否能夠正常使用,并確認(rèn)試驗設(shè)備各連接部位的緊固情況。

電磁閥振動試驗表明,供配氣系統(tǒng)在振動環(huán)境下能可靠工作,不發(fā)生泄漏,電磁閥可正常打開和關(guān)閉。

7 防護機構(gòu)動作時間試驗

為了進行防護機構(gòu)動作時間試驗,設(shè)計電控柜、試驗軟件、試驗工裝。試驗工裝的作用是提供連接器的對接位置,電控柜的作用是向電磁閥供電,接收接近開關(guān)的信號。

試驗軟件界面如圖9所示。回收及防護時間為滑架電磁閥通電至翻轉(zhuǎn)門關(guān)閉到位的時間,翻轉(zhuǎn)門關(guān)閉到位信號通過翻轉(zhuǎn)門處的接近開關(guān)得到。小裝置氣體連接器回收試驗現(xiàn)場情況如圖10所示。首先將氣體連接器與試驗工裝對接,然后滑架電磁閥得電并移動,使氣體連接器分離?；芑厥盏轿缓?觸發(fā)翻轉(zhuǎn)門電磁閥得電,最后翻轉(zhuǎn)門關(guān)閉,完成整個防護動作。

圖9 試驗軟件界面

圖10 小裝置氣體連接器回收試驗現(xiàn)場

8 結(jié)束語

所研制的運載火箭連接器零秒脫落及防護裝置具有較好的環(huán)境適應(yīng)性、保障性,同時還具備較好的經(jīng)濟性,在氣路、電路、滑架氣缸、翻轉(zhuǎn)門關(guān)閉方式上均采取冗余設(shè)計,不存在Ⅰ、Ⅱ類單點故障,具備較高的可靠性,使朱雀二號運載火箭發(fā)射任務(wù)圓滿完成[5]。裝置滿足運載火箭發(fā)射的使用需求,在進行簡單的狀態(tài)檢查后,即可投入下次任務(wù)使用,具備快速恢復(fù)能力。