基于ADAMS的火箭頭體分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真分析

王軍輝 邊園園

（中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，陜西西安 710025）

0.引言

分離系統(tǒng)是火箭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]，一般包括多級(jí)火箭的級(jí)間分離、頭體分離、整流罩分離和有效載荷釋放等。分離前兩分離體可靠連接，分離時(shí)可靠分離，且在分離過程中和分離后，對(duì)繼續(xù)飛行體不造成影響和危害，是分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求[2]。為確?；鸺w行正常，設(shè)計(jì)合理的分離機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)地建立有效的力學(xué)模型并開展結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真是解決問題的有效途徑[3-4]。

某火箭有效載荷為龍伯球，當(dāng)火箭彈道高度達(dá)到預(yù)定位置時(shí)，龍伯球工作。龍伯球安裝在箭體中，火箭艙段材料為金屬，為滿足龍伯球透波要求，要求在龍伯球工作前火箭進(jìn)行頭體分離，釋放龍伯球。本文根據(jù)龍伯球在火箭上的工作要求，設(shè)計(jì)了頭體分離方案，并基于ADAMS建立可視化虛擬樣機(jī)，對(duì)分離過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。

1.頭體分離系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

將龍伯球安裝在箭頭載荷艙端面，球體伸入分離艙中，載荷艙和分離艙對(duì)接面為箭頭和箭體的分離面，火箭飛行到彈道高度80km時(shí)頭體分離，釋放龍伯球，頭體分離系統(tǒng)見圖1。

圖1 頭體分離系統(tǒng)

1.1 分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

頭體分離機(jī)構(gòu)包括連接解鎖裝置、分離導(dǎo)向裝置和分離沖量裝置。

1.1.1 連接解鎖裝置

連接解鎖裝置包括結(jié)構(gòu)和電氣兩方面，結(jié)構(gòu)上通過4個(gè)爆炸螺栓將頭體分離面連接，爆炸螺栓起爆后，箭頭和箭體分離。爆炸螺栓起爆后成為活動(dòng)物，設(shè)計(jì)防護(hù)盒約束螺栓頭的運(yùn)動(dòng)，避免損傷艙內(nèi)設(shè)備。

箭頭和箭體的電氣連接通過分離電連接器實(shí)現(xiàn)，在箭體遠(yuǎn)離箭頭的過程中，通過分離拉索將連接器拉脫。

1.1.2 分離導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

防護(hù)盒安裝在分離艙內(nèi)壁，凸出較高，距離龍伯球僅3mm，考慮箭體在外力作用下繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)，必須設(shè)計(jì)分離導(dǎo)向機(jī)構(gòu)約束分離軌跡。如圖2所示，分離導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由底座、導(dǎo)向桿、轉(zhuǎn)軸、扭簧、鎖定銷、壓簧等組成，通過底座固定在載荷艙內(nèi)壁。4根導(dǎo)向桿插入分離艙上的導(dǎo)向孔中，頭體分離時(shí)箭體沿導(dǎo)向桿遠(yuǎn)離箭頭，導(dǎo)向桿脫離導(dǎo)向孔后，導(dǎo)向桿在扭簧作用下繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，直至鎖定銷在壓簧作用下插入導(dǎo)向桿鎖定孔中，導(dǎo)向桿折回并鎖定在載荷艙后端。

圖2 分離導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

1.1.3 分離沖量裝置

分離沖量裝置使用反推發(fā)動(dòng)機(jī)，反推發(fā)動(dòng)機(jī)總沖≥5.9kN·s，遠(yuǎn)大于爆炸螺栓分離沖量（≤8.0N·s）。

1.2 分離時(shí)序設(shè)計(jì)

分離時(shí)序：（1）主發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)；（2）彈道高度達(dá)到80km，同時(shí)給出爆炸螺栓起爆信號(hào)和反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)；（3）頭體分離完成。

頭體分離時(shí)，爆炸螺栓在非電傳爆裝置作用下起爆分離，同時(shí)，反推發(fā)動(dòng)機(jī)工作使箭體減速沿導(dǎo)向桿遠(yuǎn)離箭頭，當(dāng)導(dǎo)向桿脫離分離艙后，分離導(dǎo)向機(jī)構(gòu)將導(dǎo)向桿折回并鎖定在載荷艙后端面，龍伯球脫離箭體約束，頭體分離完成。

1.3 頭體分離影響因素分析

分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足連接和分離可靠、系統(tǒng)協(xié)調(diào)、不發(fā)生分離碰撞干涉、分離干擾小等要求。對(duì)該分離系統(tǒng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)載荷偏差、火箭初始姿態(tài)偏差、分離導(dǎo)向機(jī)構(gòu)有效導(dǎo)向長(zhǎng)度等可能造成頭體分離過程中分離機(jī)構(gòu)與龍伯球發(fā)生碰撞干涉。

1.3.1 載荷

火箭頭體分離時(shí)彈道高度80km，氣動(dòng)力影響可忽略，主級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)束，火箭處于慣性飛行段，外載荷僅考慮重力。頭體分離過程涉及的載荷有爆炸螺栓分離力、分離電連接器插拔力和反推發(fā)動(dòng)機(jī)推力。

爆炸螺栓沖量差異和同步性可能影響頭體分離過程，爆炸螺栓采用非電傳爆裝置引爆，從通電到4發(fā)爆炸螺栓分離的不同步性不大于0.4ms，爆炸螺栓分離沖量不大于8.0N·s。

分離電連接器插拔力變化可能影響頭體分離過程，插拔力約30N，有效長(zhǎng)度約8mm，分離拉索作用長(zhǎng)度為30mm。

反推發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏斜和總沖差異可能影響頭體分離過程，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，反推發(fā)動(dòng)機(jī)總沖在5.9kN·s～6.6kN·s之間，工作時(shí)間0.8s～1.1s，點(diǎn)火延遲時(shí)間約11ms。

1.3.2 分離時(shí)火箭初始狀態(tài)

火箭速度2711m/s，繞箭體軸向角速度不大于20°/s，姿態(tài)角為75°?；鸺|(zhì)量特性見表1。

表1 火箭質(zhì)量特性

分離導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的有效導(dǎo)向長(zhǎng)度為安裝時(shí)導(dǎo)向桿插入導(dǎo)向座的長(zhǎng)度，顯然，在安裝不干涉的前提下導(dǎo)向距離越長(zhǎng)頭體分離越穩(wěn)定，但導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度越大。有效導(dǎo)向長(zhǎng)度設(shè)計(jì)要使頭體分離面能穩(wěn)定越過龍伯球最大截面位置。

2.基于ADAMS的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析

火箭頭體分離過程涉及構(gòu)件多、運(yùn)動(dòng)約束和接觸情況復(fù)雜，應(yīng)用基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的可視化仿真軟件ADAMS可以直觀地模擬頭體分離過程。

2.1 建立頭體分離虛擬樣機(jī)模型

2.1.1 模型簡(jiǎn)化

火箭頭體分離時(shí)彈道高度80km，氣動(dòng)力等外載荷可忽略，且導(dǎo)向桿為鋼件，導(dǎo)向桿、艙體的變形可以忽略，將火箭頭體分離模型作為多剛體系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。

建立模型時(shí)只保留與頭體分離相關(guān)的構(gòu)件，包括載荷艙殼體、分離艙殼體、分離導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向座、龍伯球、防護(hù)盒等，分別以載荷艙殼體、分離艙殼體模擬箭頭、箭體的質(zhì)量特性。將頭體分離模型導(dǎo)入ADAMS，輸入各構(gòu)件材料、質(zhì)量特性、初速度等。

2.1.2 施加約束和載荷

施加約束和載荷，模型中各構(gòu)件連接復(fù)雜。舉例說明，龍伯球固定在載荷艙后端面，模型中使用固定副連接；導(dǎo)向桿可在扭簧作用下繞底座軸孔轉(zhuǎn)動(dòng)，模型中使用鉸鏈副連接，并有扭簧的相互作用力；鎖定銷可在壓簧作用下彈出底座孔，模型中二者使用圓柱副連接，并有壓簧的相互作用力。

模型中主要有接觸和彈簧力，ADAMS中將接觸定義為運(yùn)動(dòng)物體間發(fā)生碰撞時(shí)的相互作用（一般為接觸力和摩擦力），并提供了恢復(fù)系數(shù)法（Restitution）和等效彈簧阻尼法（Impact）兩種接觸模型，建模時(shí)采用等效彈簧阻尼法，該方法收斂性好，且能用于持續(xù)接觸的情況中，通過兩接觸物體的材料和外形特性可選擇相關(guān)參數(shù)。該方法認(rèn)為接觸力由兩構(gòu)件間相互侵入而產(chǎn)生的彈性力和構(gòu)件相互運(yùn)動(dòng)的阻尼力兩部分組成，接觸點(diǎn)處的法向接觸力可由（式1）計(jì)算，式中：F為法向接觸力，k為Hertz接觸剛度，g為接觸點(diǎn)法向穿透距離，非線性指數(shù)e不小于1，dmax是最大阻尼cmax時(shí)構(gòu)件的法向穿透距離，step()是ADAMS內(nèi)置的插值函數(shù)。彈簧的作用力由（式2）計(jì)算，式中：K為彈簧剛度系數(shù)，r為彈簧兩端的相對(duì)位移，r0為彈簧兩端的初始相對(duì)位移；f0彈簧預(yù)載荷。

模型中爆炸螺栓沖量為分離艙、載荷艙間的相互作用力，采用10ms的階躍曲線（沖量6N·s）簡(jiǎn)化施加[5]；將實(shí)測(cè)的反推發(fā)動(dòng)機(jī)推力―時(shí)間數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，用函數(shù)AKISPL()插值擬合為圖示虛線，將推力作為集中力施加到箭體上相應(yīng)位置；當(dāng)載荷艙和分離艙距離在30mm～38mm時(shí)，在二者間施加30N的連接器插拔力。

2.2 基于腳本控制的仿真分析

頭體分離仿真模型如圖3所示，建立箭頭與箭體相對(duì)軸向距離的監(jiān)測(cè)傳感器（SENSOR_1），當(dāng)距離大于650mm時(shí)認(rèn)為頭體分離成功；同時(shí)，建立導(dǎo)向桿（4個(gè)）、導(dǎo)向座、防護(hù)盒、分離艙殼體與龍伯球的接觸監(jiān)測(cè)傳感器（SENSOR_2），仿真分析中當(dāng)這些載荷出現(xiàn)作用力不為0時(shí)，說明分離機(jī)構(gòu)與龍伯球發(fā)生碰撞干涉，頭體分離失敗。

圖3 頭體分離仿真模型

建立仿真腳本，仿真步長(zhǎng)設(shè)置不超過0.2ms，運(yùn)行仿真分析當(dāng)SENSOR_1、SENSOR_2作用時(shí)停止仿真。

2.3 仿真結(jié)果

爆炸螺栓同步起爆、沖量一致，反推發(fā)動(dòng)機(jī)推力沿箭體軸向，仿真結(jié)果如圖4所示。頭體分離被過程中，箭頭和箭體運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，逐漸分開；當(dāng)導(dǎo)向桿與箭體上的導(dǎo)向座分開后，導(dǎo)向桿在扭簧作用下折回并鎖定。分離過程中所有監(jiān)測(cè)力均為0，未發(fā)生干涉。

圖4 頭體分離過程（從上到下）

圖5為頭體分離過程中箭頭與箭體相對(duì)速度、相對(duì)位移隨時(shí)間的變化曲線，頭體分離時(shí)間為0.25s，分離結(jié)束時(shí)相對(duì)分離速度為6.25m/s。圖6是分離艙內(nèi)表面距龍伯球的距離隨時(shí)間變化曲線，最小距離≥3.7mm，分離安全。

圖5 相對(duì)速度、位移隨時(shí)間變化曲線

圖6 分離艙內(nèi)表面距龍伯球的距離

2.4 考慮載荷偏差的仿真分析

考慮非電傳爆裝置0.4ms的起爆不同步時(shí)間、爆炸螺栓沖量散差、反推發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏斜等偏差，進(jìn)行考慮載荷偏差情況下的頭體分離仿真。

2.4.1 爆炸螺栓影響

首先考慮爆炸螺栓起爆不同步時(shí)間0.4ms和爆炸螺栓分離沖量散差進(jìn)行仿真分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)箭體姿態(tài)未發(fā)生改變、分離結(jié)束時(shí)箭頭和箭體相對(duì)速度僅有約0.2m/s的變化，爆炸螺栓差異性對(duì)頭體分離的影響基本可以忽略。原因如下：

（1）爆炸螺栓的載荷量級(jí)較小，而火箭質(zhì)量較大，且爆炸螺栓作用時(shí)處于初始導(dǎo)向段，箭體姿態(tài)穩(wěn)定；

（2）爆炸螺栓起爆及工作時(shí)間最多不超過10ms，而此時(shí)，考慮最嚴(yán)酷的情況，箭頭和箭體的相對(duì)位移不超過3mm，相對(duì)有效導(dǎo)向距離（250mm）而言很小。

同理，連接器插拔力對(duì)頭體分離的影響也很小。

2.4.2 反推發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏斜影響

理想狀態(tài)下反推發(fā)動(dòng)機(jī)推力沿箭體軸向，定義反推發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏斜角α為推力與箭體軸向的夾角。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，反推發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏斜能保證在1°以內(nèi)，考慮一定的安全系數(shù)，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏斜角度α=3°，并考慮爆炸螺栓影響，進(jìn)行仿真分析，分離過程中所有監(jiān)測(cè)力均為0，分離導(dǎo)向機(jī)構(gòu)工作可靠，頭體分離未發(fā)生干涉。

3.結(jié)論

針對(duì)龍伯球工作要求，設(shè)計(jì)了火箭頭體分離方案，并對(duì)影響頭體分離的相關(guān)因素進(jìn)行了分析；在此基礎(chǔ)上，基于ADAMS建立了頭體分離的可視化虛擬樣機(jī)模型，考慮頭體分離時(shí)爆炸螺栓、分離電連接器插拔力、反推發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏斜等載荷的偏差，對(duì)火箭頭體分離進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。結(jié)果表明，頭體分離機(jī)構(gòu)工作正常，分離過程中分離機(jī)構(gòu)不會(huì)與龍伯球發(fā)生碰撞干涉，該方案安全可靠。