自適應(yīng)起飛脫落的支撐式插拔連接器系統(tǒng)

王愛(ài)偉，劉忠明，胡亞濤，王建秋，王鳳金

自適應(yīng)起飛脫落的支撐式插拔連接器系統(tǒng)

王愛(ài)偉，劉忠明，胡亞濤，王建秋，王鳳金

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

介紹一種自適應(yīng)起飛脫落的支撐式插拔連接器系統(tǒng)，由可供氣帶載分離的氣路插拔組合連接器及可自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)位置調(diào)整的支撐裝置組成。該插拔連接器系統(tǒng)具有脫落時(shí)與箭上接口無(wú)機(jī)械解鎖動(dòng)作，脫落可靠性高等特點(diǎn)。研究表明：其平衡式接頭能夠降低連接器對(duì)接脫落時(shí)的供氣分離力，支撐裝置可實(shí)現(xiàn)連接器對(duì)接及脫落前后的上下、水平隨動(dòng)和滾轉(zhuǎn)及一定角度的俯仰調(diào)整功能。

支撐式；插拔連接器；支撐裝置；自適應(yīng)調(diào)整

0 引 言

氣路插拔組合連接器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“插拔連接器”）是運(yùn)載火箭箭地接口氣液連接器[1～4]關(guān)鍵設(shè)備之一，它需要在火箭點(diǎn)火后保持對(duì)接、持續(xù)供氣，起飛一定高度后確認(rèn)發(fā)射流程不可逆時(shí)才能進(jìn)行脫落，并且在火箭點(diǎn)火后緊急關(guān)機(jī)終止發(fā)射時(shí)能夠保持對(duì)接、密封，進(jìn)行應(yīng)急安全處理。這要求插拔連接器在多路供氣帶載工況下，火箭起飛一定高度才進(jìn)行可靠脫落，同時(shí)必須適應(yīng)火箭點(diǎn)火起飛、漂移、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及振動(dòng)條件等復(fù)雜發(fā)射環(huán)境工況。連接器脫落時(shí)火箭發(fā)射流程已不能終止，若存在不能脫落分離故障模式隱患，則可能造成箭體損傷甚至火箭爆炸等事故。

插拔連接器必須可靠脫落，為解決供氣帶載起飛漂移脫落需求，目前已提出一種平衡式接頭結(jié)構(gòu)的中心球鎖插拔連接器[5]，然而中心球鎖插拔連接器在脫落時(shí)存在球鎖機(jī)械解鎖動(dòng)作，同時(shí)插拔連接器帶載脫落及箭體的漂移會(huì)引起連接器的翹動(dòng)、存在插頭卡滯不能脫落分離的故障模式，為提高插拔連接器的脫落可

靠性，在平衡式接頭中心球鎖插拔連接器的基礎(chǔ)上，提出取消中心球鎖結(jié)構(gòu)、直接脫拔分離的自適應(yīng)起飛脫落的支撐式插拔連接器系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“支撐式插拔連接器”）。支撐式插拔連接器，由可供氣帶載分離的插拔連接器及可進(jìn)行自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)調(diào)整的支撐裝置組成，其平衡式接頭能夠降低連接器對(duì)接脫落的供氣分離力，支撐裝置可實(shí)現(xiàn)連接器對(duì)接及脫落前后的上下、水平隨動(dòng)和滾轉(zhuǎn)及一定角度的俯仰調(diào)整功能。支撐式插拔連接器具有脫落時(shí)與箭上接口無(wú)機(jī)械解鎖動(dòng)作，直接拔脫、無(wú)卡滯不能脫落故障隱患，脫落可靠性高等特點(diǎn)。

1 技術(shù)方案介紹

1.1 中心球鎖插拔連接器技術(shù)方案

中心球鎖插拔連接器結(jié)構(gòu)如圖1所示，脫落狀態(tài)如圖2所示。

圖1 中心球鎖插拔連接器結(jié)構(gòu)

圖2 中心球鎖插拔連接器脫落狀態(tài)

中心球鎖插拔連接器主要由連接器本體、平衡接頭、球鎖、鋼絲繩、箭上插座等組成。連接器特點(diǎn)為：a）采用供氣分離力較小的徑向密封平衡式接頭，解決分離力過(guò)大，力矩不平衡問(wèn)題；b）通過(guò)中心球鎖實(shí)現(xiàn)連接器的可靠對(duì)接鎖緊，球鎖采用火箭起飛時(shí)鋼絲繩被動(dòng)張緊拉拽方式解鎖；c）通過(guò)調(diào)整鋼絲繩松弛量適應(yīng)火箭水平漂移及起飛方向隨動(dòng)距離要求。

工作原理為：鎖緊時(shí)將連接器插入箭上接口，鎖芯在彈簧力作用力下向上運(yùn)動(dòng)復(fù)位將鋼球擠壓入承力螺母梯形槽中，球鎖上鎖，然后擰緊壓緊螺母，連接器實(shí)現(xiàn)對(duì)接鎖緊，對(duì)接后連接解鎖鋼絲繩、設(shè)定好松弛量；脫落時(shí)，火箭起飛一定高度后將鋼絲繩拽緊，鎖芯向下運(yùn)動(dòng)使球鎖解鎖，進(jìn)而箭上插座拔脫，連接器實(shí)現(xiàn)脫落分離，脫落后由其它牽制鋼絲繩限位防護(hù)。

1.2 支撐式插拔連接器技術(shù)方案

支撐式插拔連接器相比中心球鎖插拔連接器方案及接口變化為：同樣采用平衡式接頭以解決連接器供氣帶載脫落工況，實(shí)現(xiàn)箭地接口較小分離力；箭上接口布局不變，主要改動(dòng)為取消球鎖相關(guān)部件，箭地接口變化不大；連接器與發(fā)射臺(tái)支撐臂的對(duì)外接口保持不變，將中心球鎖插拔連接器的牽制裝置改為自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)位置調(diào)整的支撐裝置即可。

支撐式插拔連接器結(jié)構(gòu)如圖3所示。連接器對(duì)接、脫落狀態(tài)如圖4所示。

圖3 支撐式插拔連接器結(jié)構(gòu)（含支撐臂）

圖4 支撐式插拔連接器對(duì)接及脫落狀態(tài)

支撐式插拔連接器由可供氣帶載分離的插拔連接器及可進(jìn)行自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)調(diào)整的支撐裝置組成。插拔連接器主要由連接器本體、平衡接頭等組成，采用徑向密封供氣的平衡式接頭，實(shí)現(xiàn)較小的供氣帶載分離力。連接器通過(guò)中心導(dǎo)向桿與箭上插座對(duì)接時(shí)定位導(dǎo)向，插座中心安裝直線(xiàn)軸承，在連接器對(duì)接、脫落過(guò)程減小連接器摩擦力。支撐裝置主要由滑臺(tái)、滑臺(tái)座、支撐筒、支座等組成，供氣管路穿過(guò)以上部件的內(nèi)部開(kāi)孔連接到連接器供氣接頭。插拔連接器的各自由度運(yùn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)方式如下：上下運(yùn)動(dòng)功能由彈簧支撐的支撐筒及滑動(dòng)套作為運(yùn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)；水平運(yùn)動(dòng)由同心疊合的滑臺(tái)與滑臺(tái)座構(gòu)成滑動(dòng)副實(shí)現(xiàn)；傾斜旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由球窩對(duì)內(nèi)錐面配合的旋轉(zhuǎn)副實(shí)現(xiàn)。

支撐式插拔連接器對(duì)接脫落工作原理：箭體吊裝前將支撐裝置安裝到支撐臂；箭體就位后，使用工裝氣缸將滑臺(tái)高度降低，然后將連接器安裝到支撐裝置上方；對(duì)工裝氣缸緩慢放氣、同時(shí)移動(dòng)滑臺(tái)使連接器與箭上接口對(duì)中，直至連接器與箭上接口完全插入、端面貼緊，取下工裝氣缸即完成連接器對(duì)接。連接器脫落時(shí)通過(guò)滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)水平漂移運(yùn)動(dòng)一定距離后限位，在彈簧力的作用下實(shí)現(xiàn)箭體起飛方向隨動(dòng)，升降筒運(yùn)動(dòng)一定距離后限位，進(jìn)而箭上接口直接拔出連接器實(shí)現(xiàn)脫落分離，脫落時(shí)無(wú)機(jī)械解鎖動(dòng)作。

2 插拔連接器方案對(duì)比分析

2.1 關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素實(shí)現(xiàn)方案對(duì)比

根據(jù)插拔連接器設(shè)計(jì)關(guān)鍵要素的實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)支撐式插拔連接器與中心球鎖插拔連接器方案進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示。

表1 插拔連接器設(shè)計(jì)方案比較

續(xù)表1

由表1可知，支撐式插拔連接器與中心球鎖插拔連接器方案相比，同樣能夠滿(mǎn)足水平隨動(dòng)、密封性要求，在對(duì)接可靠、脫落防護(hù)、對(duì)接操作簡(jiǎn)便性方面較優(yōu)，尤其在可靠脫落、起飛方向隨動(dòng)、對(duì)箭作用力設(shè)計(jì)要素上更具優(yōu)勢(shì)：

a）支撐式插拔連接器無(wú)脫落時(shí)的球鎖等機(jī)械動(dòng)作，因而脫落可靠性較高；

b）支撐式插拔連接器起飛方向隨動(dòng)距離可控，而中心球鎖插拔連接器起飛方向隨動(dòng)距離可能過(guò)大，不能精確控制；

c）支撐式插拔連接器對(duì)箭上作用力較小，脫落防護(hù)方面更為可靠。

2.2 故障模式與影響分析

通過(guò)對(duì)以上兩種方案進(jìn)行故障模式與影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA），由于支撐式插拔連接器在脫落過(guò)程中無(wú)機(jī)械解鎖動(dòng)作、始終保持與箭上接口平行分離，因而不存在連接器卡滯無(wú)法脫落的故障隱患，無(wú)Ⅰ、Ⅱ類(lèi)故障模式。

中心球鎖插拔連接器解鎖時(shí)，由于箭體漂移及連接器供氣分離力使連接器解鎖時(shí)翹動(dòng)分離，因而存在插頭卡滯的可能性，同時(shí)球鎖不解鎖、以及解鎖拉索部件失效都可能造成連接器不能脫落分離，因此中心球鎖插拔連接器存在3個(gè)Ⅰ、Ⅱ類(lèi)故障模式。

2.3 安全性對(duì)比分析

支撐式插拔連接器相比中心球鎖插拔連接器，無(wú)球鎖分離機(jī)構(gòu)，脫落時(shí)與箭上接口無(wú)機(jī)械解鎖動(dòng)作、平行分離直接拔脫，無(wú)卡滯不能脫落故障隱患，不會(huì)造成箭體損傷甚至火箭爆炸等事故，因而安全性好。

2.4 小 結(jié)

通過(guò)支撐式插拔連接器和中心球鎖插拔連接器方案對(duì)比、FMEA及安全性對(duì)比分析表明，支撐式插拔連接器在脫落可靠性、安全性等方面優(yōu)于中心球鎖插拔連接器，消除了連接器卡滯無(wú)法脫落的Ⅰ、Ⅱ類(lèi)故障模式，在起飛方向隨動(dòng)距離控制、對(duì)接可靠、脫落防護(hù)、對(duì)接操作等性能方面同樣表現(xiàn)優(yōu)異。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及可靠性評(píng)估[6,7]

3.1 試驗(yàn)情況

按威布爾分布策劃可靠性試驗(yàn)，參試產(chǎn)品試驗(yàn)總有效脫落動(dòng)作試驗(yàn)次數(shù)為

式中 R為可靠性置信下限，R=0.999 90；0t為任務(wù)中動(dòng)作次數(shù)；m為威布爾分布的形狀參數(shù)；n為試驗(yàn)投試產(chǎn)品數(shù)；γ為置信度，一般取0.7。

按投試數(shù)n為3臺(tái)，在形狀參數(shù)m取2的情況下，每臺(tái)產(chǎn)品應(yīng)完成的脫落動(dòng)作試驗(yàn)次數(shù)T依據(jù)式（1）進(jìn)行初步估計(jì)，計(jì)算得到單臺(tái)產(chǎn)品有效試驗(yàn)次數(shù)為

即：每臺(tái)產(chǎn)品應(yīng)完成317次脫落試驗(yàn)。

支撐式插拔連接器兩種規(guī)格各3臺(tái)產(chǎn)品總計(jì)進(jìn)行了1 800余次脫落可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)表明連接器在脫落過(guò)程中能夠完成與箭上接口起飛、水平方向隨動(dòng)，分離時(shí)保持平行、無(wú)卡滯現(xiàn)象，分離過(guò)程對(duì)箭最大作用力即彈簧最大壓縮力，支撐式插拔連接器隨動(dòng)、脫落性能優(yōu)異，可靠性、安全性更好。

3.2 脫落可靠性評(píng)估

對(duì)于可靠性特征量服從威布爾分布的產(chǎn)品，由產(chǎn)品在任務(wù)中的動(dòng)作次數(shù)0t、每套產(chǎn)品的試驗(yàn)次數(shù)it、試驗(yàn)過(guò)程中的故障數(shù)f、試驗(yàn)投試產(chǎn)品數(shù)n，可得產(chǎn)品發(fā)射任務(wù)可靠度的單側(cè)置信下限評(píng)估為

插拔連接器實(shí)際參加可靠性試驗(yàn)投試產(chǎn)品數(shù)量n=3 臺(tái)，試驗(yàn)次數(shù)分別為t1、t2=449，t3=326，根據(jù)式（2），產(chǎn)品可靠度摸底實(shí)際驗(yàn)證值達(dá)到0.999 940 9，滿(mǎn)足基本可靠度0.999 90的要求。

4 結(jié) 論

自適應(yīng)起飛脫落的支撐式插拔連接器系統(tǒng)的研制解決了適應(yīng)起飛脫落、漂移、供氣帶載振動(dòng)工況下的插拔連接器關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)，該插拔連接器具有脫落時(shí)與箭上接口無(wú)機(jī)械解鎖動(dòng)作、平行分離直接拔脫，無(wú)卡滯不能脫落故障隱患，脫落可靠性高等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于火箭起飛一定高度后供氣帶載脫落的一類(lèi)工況，能夠滿(mǎn)足火箭正常發(fā)射以及火箭緊急關(guān)機(jī)等應(yīng)急發(fā)射工況使用要求。

[1] 王瑞銓. 運(yùn)載火箭臍帶連接器研討[J]. 航天發(fā)射技術(shù), 2002(3): 1-15.

[2] 王瑞銓. 長(zhǎng)征系列火箭地面發(fā)射技術(shù)的成就與未來(lái)[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2002(5): 55-64.

[3] 徐明俊. 低溫高壓自動(dòng)脫落冷氦連接器研制[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 1999(2): 26-30.

[4] 王立興. 俄羅斯火箭臍帶自動(dòng)對(duì)接技術(shù)評(píng)析[J]. 航天發(fā)射技術(shù), 2003(1): 45-50.

[5] 王愛(ài)偉. 一種平衡式氣路插拔連接器的研制[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2015(03): 104-106.

[6] 周正伐, 等. 航天可靠性工程[M]. 北京: 中國(guó)宇航出版社, 2006.

[7] 楊瑞剛. 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2008.

Self-adaptive Take-off Supporting-feed-connector System

Wang Ai-wei, Liu Zhong-ming, Hu Ya-tao, Wang Jian-qiu, Wang Feng-jin
(Beijing Ιnstitute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

The system includes the air-feed combined connector separated by pressure air along with the supporting equipment for adjusting self-adaptively. The feed connector system is of the characteristics of none mechanical unlocking action between the connector and the rocket during taking off along with high reliability. The results show that the balanced connector can reduce the separation force for take-off. The supporting equipment can realize the function of the connector moving and rolling in up, down and horizon direction. Ιn addition the action of adjusting for certain angle can also be fulfilled during connecting and taking off.

Supporting; Air-feed connector; Supporting equipment; Adjusting self-adaptively

TJ768.2+8

A

1004-7182(2017)04-0081-04

DOΙ：10.7654/j.issn.1004-7182.20170419

2016-09-29；

2017-06-28

王愛(ài)偉（1981-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闅庖哼B接器及低溫設(shè)備設(shè)計(jì)