运载火箭连接器自动对接技术应用分析

白文龙，李泳峄，翟 旺，吴新跃



运载火箭连接器自动对接技术应用分析

白文龙，李泳峄，翟 旺，吴新跃

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

基于连接器自动对接技术的主要边界条件，分析了其安全性内涵，对其进行了技术特征分类，在此基础上对国外主要的运载火箭型号应用的连接器自动对接技术进行介绍，分析了其技术类型及总体特征。结合中国现役火箭的总体技术特点，提供了应用自动对接技术的相关建议，同时，对后续新型号研制提出降低该技术应用难度的措施，供中国运载火箭总体方案制定及提升发射场安全性参考借鉴。

连接器；自动对接；二次对接；无人值守

0 引 言

运载火箭发射准备过程中，对火箭进行加注、供气、供电的地面接口设备一般称为连接器。实现连接器与箭上接口设备之间的自动对接与分离对实现发射区无人值守、加注后发射流程可逆、提高发射场设备、人员、星箭等的安全性、降低劳动强度等方面具有重大意义，是运载火箭发射支持系统发展的一种趋势。

目前，中国运载火箭连接器基本采用人工对接，尚不具备自动对接能力。公开报导的国外运载火箭连接器自动对接技术（后文简称自动对接技术）应用情况中，由于对使用工况、自动对接涵义等理解上的差异性，其应用情况难于进行统一、直接的描述。本文在梳理边界条件、自动对接技术内涵的基础上，分析归纳国外应用情况，为该技术在中国的研究应用提供借鉴与参考。

1 自动对接技术内涵分析

自动对接技术是一项涉及火箭结构、动力系统、加注系统、连接器等多系统、多学科高度集成的技术，需要多系统、多专业共同配合才能达成实际应用。下面通过对影响该技术应用的连接器边界条件、安全性内涵进行分析，对其技术类型进行区分与约定。

1.1 连接器应用边界条件

从连接器使用边界条件分析，主要有以下因素影响自动对接技术的应用难度。

a）连接器对接位置：1）位于箭体尾部；2）位于高空摆杆（脐带臂）上；

b）连接器对接时机：1）推进剂加注前；2）完成加注、连接器分离后二次对接。

c）连接器通过介质：1）气、电、常规液体；2）低温液体。

相对箭体尾部的静态对接，位于高空的连接器在对接时需要适应箭体在风载等外载荷作用下产生的相对晃动，自动对接技术需要具备动态测量、跟踪、随动等能力，在动态对接、随动过程中又涉及到对接载荷控制、机构可靠性等问题，技术难度将大幅增加。

推进剂加注前，自动对接技术相对容易实现，且现场人员可以进行辅助及观察确认工作，而二次对接为远控自动对接，现场无人值守，实现难度较大。

相对气、电及常规液体，低温液体连接器在进行二次对接时，连接器自身及箭上接口部分可能由于低温已结冰结霜，因此，该工况下需解决结冰、除冰及多余物清理检测等问题后方可进行二次对接，这无疑增加了技术实现难度。

1.2 自动对接技术安全意义

在火箭发射前、连接器分离后，若发生意外故障导致发射推迟或中止发射，则需要将推进剂泄出以排查故障，因此连接器与箭上接口需进行二次对接（采用零秒脱落技术的连接器除外）。与加注前的连接器对接不同的是，二次对接前，火箭已加满了燃料，具有较大的安全威胁。

对液氢、液氧低温推进剂，在火箭贮箱内的不断汽化可能导致贮箱升压甚至爆炸，给发射场带来灾难性后果[1]。液氧可通过箭上氧排接口将气态氧直接排放到大气避免升压，而液氢由于汽化后与空气的混合物具有爆燃性，因此不能直接向大气排放，需要最短时间内完成氢排连接器及加泄连接器的对接，由于人员在发射前均已撤离至安全区域，抢险人员回到工作岗位并完成手动对接需消耗较多时间，对人员、系统安全均具有较大威胁，若实现远控自动对接，则可在较短时间内将低温连接器与箭上接口对接，实现泄出作业，极大提高人员、系统的安全。

对传统的四氧化二氮、偏二甲肼等常规推进剂，采用自动对接技术，可避免人员在可能包含剧毒物质的环境下工作，提高操作安全性。

因此，自动对接技术是实现现场无人值守，保证推进剂加注及推迟、中止发射时人员、系统安全的一条重要途径。

1.3 自动对接技术分类

分别对连接器的不同使用边界进行编码，如表1所示。自动对接技术类型表述为“连接器位置-对接时机-介质类型”，例如位于箭体尾部的低温连接器进行二次对接即为1-2-2型自动对接。

表1 自动对接技术影响因素编码

由此可见，位于高空的低温连接器进行二次对接时（2-2-2型），技术实现难度最大，相较于1-1-1型自动对接，其增加的技术需求如图1所示。鉴于自动对接技术边界条件种类多样，实现难度大，有必要对国外技术应用情况进行分析，以进行对比、借鉴与参考。

图1 技术需求分析

另外，针对2-2-2型自动对接技术，可通过零秒脱落技术替代，且该技术已得到广泛应用，但两种技术的对比不属于本文讨论的范畴，因此不展开详细论述。

2 国外自动对接技术应用情况

下面重点对当今航天技术水平较高的俄罗斯、美国、欧洲、日本等国家和地区的自动对接技术进行调研分析。

2.1 俄系运载火箭连接器自动对接技术

众所周知，苏联1960年发生的火箭爆炸事故造成了的巨大损失，也使苏联痛下决心开发并实现了自动对接技术，从而在1984年的又一起火箭爆炸事故中，避免了人员伤亡。从此该技术成为苏联及后来的俄罗斯、乌克兰等国家引以为豪的明星技术，对世界航天领域产生了深远的影响。

由于国家运载火箭总体技术方案的一致性，统称为俄系运载火箭。其中天顶号自动化程度最高，下面对天顶号火箭采用的自动对接技术进行分析介绍。

图2为天顶号连接器自动对接装置示意。在一级箭体尾端，两组对接装置沿箭体的半径方向180°布置，对接装置能够在灰尘、雨雪、风速不大于25 m/s等条件下全天候正常工作。连接器与对接装置均位于发射坑道内，与箭体间基本为相对静止状态，因此，检测系统可大大简化。其自动对接过程依靠机械手自动进行，机械本体及导管等安装在滑架上，以气动方式驱动执行机构，锥杆跟踪机构检测定位，触觉系统与自动控制系统共同完成对接，其中，触觉系统主要通过传感器检测对接状态，为自动控制系统提供判断依据。

箭体内部设计了通长的加注管路，使火箭二级、三级的推进剂也可通过一级尾部连接器进行加注，当火箭起飞后，通过级间分离技术实现各级加注管路随各级箭体模块分离。

图2 俄系运载火箭连接器自动对接装置示意

天顶号二级尾部设有一个零秒脱落组合连接器，其对接亦通过自动对接方式实现，如图3所示。

图3 二级连接器对接、脱落示意

在发射工位处固定有管路起竖臂，当转运车载运箭体倒驶进入发射工位时，管路起竖臂从转运车与箭体间的间隙穿过，待转运车到位后，管路起竖臂前端执行机构前伸，在导向锥的导向作用下，完成组合连接器与二级尾端箭上接口的对接，然后管路起竖臂随转运车起竖臂同步起竖，火箭发射时，连接器同步脱落。

由于该连接器在水平状态下完成对接，且对接时连接器与箭体相对静止，因此，自动对接技术与前述的底部自动对接基本相同。

天顶号连接器均进行了组合化处理，使对接装置数量得到有效降低，提高了系统集成化程度及对接固有可靠性。

当火箭临射前发生故障，导致需要将连接器重新对接以泄出推进剂时，箭体尾端接口处通过气封实现空气隔绝，避免箭上接口结冰，使对接装置能够可靠实现二次对接。

在俄罗斯新一代运载火箭安加拉号上，位于高空二级部位有3组连接器，火箭到达发射工位起竖后，简易勤务塔脐带臂合抱箭体并提供人员操作平台，人工对接该连接器，火箭发射时采取零秒脱落技术，其高空连接器未采用自动对接技术，无二次对接需求。

综上，以天顶号为代表的俄系运载火箭自动对接技术应用关键点主要在于：a）箭上接口主要位于尾部，火箭各级推进剂均通过一级尾部接口加注；b）连接器与火箭基本处于相对静止状态，自动对接装置实现静态对接功能即可；c）低温推进剂箭上接口具有气封保护功能，避免二次对接时箭上接口结冰结霜。

俄系运载火箭自动对接技术达到的实际应用水平为1-2-2型，无2-X-X型自动对接技术。

2.2 美国运载火箭连接器自动对接技术

2.2.1 传统型号应用情况

美国在连接器方面更多采用零秒脱落而并不强调自动对接，仅部分连接器具备自动对接能力或自动化改造能力。文献[1]概括介绍了土星V、航天飞机、X-33验证机、宇宙神5各型号连接器的应用情况，其部分地地连接器采用了自动对接技术，但箭地连接器，无论是射前脱落还是零秒脱落，除土星V一级箱间段液氧加泄连接器外，其余均采用了人工对接、人工或自动脱落的技术方案。

图4为土星V运载火箭位于摆杆上的连接器布局及一子级箱间段连接器柔顺机构示意，图4a中位于一子级箱间段的液氧加泄连接器具备自动对接能力，能够在5 min内实现远控二次对接。该连接器距离发射台台面高度约十余米，与箭体尾部对接条件基本相同，主要依靠导向及柔顺机构实现连接器对接（图4b），因此，其实现的自动对接技术类型为1-2-2型。

表2列出了土星V位于摆杆上的所有连接器类型及特点，从其类型及安全性角度分析，采用零秒脱落技术的连接器规避了二次对接需求，而射前脱落的连接器均为气、电连接器或通道连接器，自动对接需求必要性不高，因此其它连接器主要通过人工对接，未应用自动对接技术。

a）土星V运载火箭位于摆杆上的连接器布局 b）一子级箱间段连接器柔顺机构

表2 土星5摆杆连接器汇总

X-33验证机主要有2组脐带系统，均通过人工对接，零秒脱落；航天飞机主要有3组脐带系统，分别为尾端液氢加注服务塔、液氧加注服务塔及外挂贮箱的加注臂，所有脐带系统中的连接器均通过人工对接，零秒脱落；宇宙神5各箭地连接器在总装测试厂房中人工对接好，垂直运输至发射场后，发射工位与发射台间采用自动对接方式完成地地连接器对接，对火箭进行气、电、液供给。

2.2.2 新技术研究

近年来，美国开始关注连接器自动对接技术，开展了“远程智能脐带系统”、“自动化地面脐带系统”等项目研究[1,2]，用于提高美国新型火箭连接器对接、脱落操作水平，同时降低发射成本。

“远程智能脐带系统”以航天飞机及空间机构对接为应用背景，以实现连接器快速、可靠的自动对接与分离，并能够实现二次对接以取代零秒脱落连接器为目标。该系统原理样机如图5所示，主要由对接面板、视觉系统、调整对接机构、控制系统等组成，对接面板上设置有4组锥形导向锁紧机构，后来对远程控制能力和视觉系统进行了改进，并增加了载荷检测单元。样机技术特性如下：

a）能够在箭上目标最大运动包络条件下于12 s内完成对接；

b）通过在结冰条件下能够持续运动的能力及热氮吹除技术，样机能够在高低温环境下应用；

c）样机能够在失重、超重、低压、高压、腐蚀环境中保持正常工作；

d）实现了基于六自由度调整能力的柔性、模块化设计；

e）对接后被动随动，避免不必要的载荷，当动力丧失时，能够由人工完成任务；

f）能够主动反馈载荷及运动指标；

g）含有紧急脱落设计。

a）远程智能脐带系统

b）锥形导向锁紧机构

图5 远程智能脐带系统及其锥形导向锁紧机构

从该样机性能来看，其自动对接技术类型达到了2-2-2型，能够在高空相对晃动条件下完成低温连接器的自动对接及二次对接，但尚未见该技术参加正式发射任务的公开报导，其实际应用情况尚不明确。

AGUS项目依托战神火箭研发开展，主要目的在于总结以往经验，提高地地连接器的操作效率及优化箭地连接器的对接及分离操作。以战神1上面级低温连接器（采用零秒脱落技术）为对象，研制了连接器及对接分离装置原理样机[3]，如图6所示，其对接过程如下（见图7）：

a）脐带臂带动连接器靠近箭体，外面板铰链与箭体铰轴对接；

b）对接装置驱动外面板与箭上目标面贴合，人工将胀紧销拧紧，锁定外面板与箭上连接；

c）人工扳动线性对接机构螺帽，将连接器内面板向前平推，使内面板与箭上接口面板压紧，完成对接。

连接器与箭体的对接在总装测试厂房内完成，无相对晃动，因此，虽然连接器位于上面级高空位置，但其技术本质与火箭底部对接相同。

连接器对接过程中有两处主要环节通过人工完成，但考虑其较易实现的自动化改进潜力，认为其具备了自动对接技术，但其技术类型仅达到1-1-2型或1-2-1型。

a）连接器示意

b）连接器对接示意

图6 连接器外形及对接（分离）示意

图7 连接器对接过程示意

综上，美国虽然开始了自动对接技术的研究，但达到实际应用的也只是1-1-2类型，达到2-2-2型技术能力的“远程智能脐带系统”很可能尚未进行型号应用。

NASA在2015年发布的技术领域发展路线图中NASA将“防结冰低温连接器”和“快速断开/再对接的起飞（-0）连接器”（见表3）两项课题纳入专题研究，用于解决中止发射情况下的防结冰和再对接问题，表明美国仍在研究实现二次对接的新方法。

表3 NASA技术路线图专项课题

2.3 其它火箭

欧空局的阿里安5以及日本的H-2A火箭在连接器操作方面的自动化程度也较高，阿里安5一子级通过底部两个组合连接器实现液氢、液氧加注与泄出，并在火箭发射时零秒脱落，为满足其ECA构型的低温上面级（二子级）加注，在活动发射平台脐带塔上设置了两组脐带臂分别完成两个组合连接器与火箭的对接（见图8），其对接在总装测试厂房内自动完成，并在发射前约4 s时自动分离。当产生中止发射工况时，二子级内的低温推进剂通过零秒脱落的紧急泄出连接器泄出，排除危险。因此其自动对接技术属于1-1-2型。

日本的H-2A火箭一级加注连接器采取底部垂直自动对接、提前脱落形式，利用球阀隔绝空气的方式使其具备二次对接功能，二级加注连接器于总装测试厂房内人工对接，发射时零秒脱落，因此，推进剂加注连接器自动对接类型为1-2-2型。

图8 阿里安5

2.4 小 结

综合上述对国外连接器自动对接技术进行的分析，其应用情况总结如下：

a）国外航天大国基本实现了1-2-2型自动对接技术的型号应用，2-2-2类型尚未见型号应用实例报道，但美国在该方向上已有了显著进展；

b）位于高空的连接器大多在总装测试厂房内完成人工对接或半自动对接，为规避中止发射工况下的二次对接需求，多采用零秒脱落技术；

c）位于箭体底部的连接器较多的采用了自动对接技术，且通过气封或球阀等隔绝空气的方式可避免结冰，以实现中止发射工况下的二次对接；

d）俄系火箭多采用加注管路贯通各级箭体的方案，使各级推进剂可均从一级尾部完成加注，这需要火箭飞行时加注管路支持级间分离技术。

3 中国自动对接技术应用建议

3.1 现役火箭应用建议

中国现役运载火箭总体技术具有如下特点：

a）火箭各级均设置独立的加注泄出接口，需要进行高空连接器对接；b）连接器数量众多、布局分散，除部分气路、电路外，基本未实现组合化；c）高空低温连接器多为射前脱落连接器，除CZ-5外，其它型号均未采用零秒脱落连接器，在中止发射工况下具有二次对接需求；d）低温连接器脱落后，仅少数箭上接口采用了气封保护技术防止结冰；e）发射区均有勤务塔。

因此，若基于现役火箭型号应用自动对接技术，其类型为难度最大的2-2-2型，除需要对图1所示的各项技术进行研究攻关外，还可通过对以下方面进行改进降低技术实现难度：

a）减小相对晃动：在连接器对接前，合拢勤务塔，降低风载导致的箭体晃动；

b）加强摆杆刚度：使末端能够支撑较大的自动对接装置重量，同时降低摆杆晃动量。

3.2 针对后续型号的建议

针对新研制型号，除了现役火箭的相关建议外，还可在总体方案制定之初，统筹考虑，从其它方面制定有利于自动对接技术实现的应用方案。

a）降低自动对接技术类型：设计贯通各级箭体的加注管路，实施级间分离技术，可使各级推进剂均从一级尾部进行加注；摆杆末端增加稳定器（图9），连接器对接前首先将摆杆摆动至与箭体接触，保持稳定器始终贴紧箭体，从而使箭体与摆杆系统处于相对静止状态，如此则连接器对接工况由动态对接变为静态对接，对接类型由2-X-X型改为1-X-X型，从而降低对接难度。

图9 Ares I稳定器

b）规避二次对接需求：位于高空的低温连接器采用零秒脱落技术，避免在中止发射时进行二次对接。

c）采用组合连接器技术，减少需自动对接的连接器数量。

d）箭上接口采用气封等防冰冻技术，便于实现二次对接。

该技术的应用及各项建议必须经过火箭总体方案的统筹权衡，达到总体最优。

4 结 论

连接器自动对接技术作为一项涉及低温火箭发射准备安全性的重要技术，具有边界条件复杂多样、涉及专业广、技术难度高等特点，其实现方式与技术特点与火箭总体方案密切相关，需要在火箭进行总体方案设计时即予以考虑。俄罗斯、美国、欧洲、日本等航天大国和地区分别实现了适应于各自火箭总体方案的自动对接技术（最高难度类型为1-2-2型），而基于现役火箭的总体方案特点，中国适应的自动对接技术为难度最高的2-2-2型，其技术跨度巨大，因此，若要真正实现现役火箭的自动对接技术，离不开火箭系统通力合作，进行相应的技术改进及新技术攻关；对于后续的新型号研制，则可以充分借鉴国外已有的技术，降低自动对接技术难度，实现火箭总体方案的统筹、协调与统一，提高火箭发射准备过程的安全性与综合技术水平。

[1] Gosselin A M. Automated ground umbilical systems (AGUS) project[C]. Orlando:The Space Congress Proceedings, 2007.

[2] Prasad G, Tajudeen E, Spenser J. Autonomous docking system for space structures&satellites[C]. Bellingham: Proceedings of SPIE, 2005, 5799: 20-27.

[3] Manley W C, Tamasy G J, Maloney P. Ares I linear mate umbilical plate and collet[J]. NASA-N20130008828, 2012(5): 16-18.

Application Analysis of Automated Mating Technique Used onLaunch Vehicle Filling Connectors

Bai Wen-long, Li Yong-yi, Zhai Wang, Wu Xin-yue

（Beijing Institute of Space Lauch Technology, Beijing, 100076）

This paper has carried on the technical characteristic classification of automated mating connector，which is based upon the analysis of chief boundary using conditions and meaning of safety for automated mating technique. The paper introduces the applications of automated mating technique on launch vehicles abroad and analyse their technique characteristics. This paper proposes some advices about application of automated mating technique on internal launch vehicles,which have considered their overall techinique characteristics, meanwhile, provides some suggestions for reducing the difficulty of applying automated mating technique to new launch vehicles,which can be significative references for drawing up the overall technique programme and raising the safety level of launching centers.

Connector; Automated mating; Mating a second time; Operation self-service

1004-7182(2017)06-0065-07

10.7654/j.issn.1004-7182.20170615

V554+.4

A

2017-07-16；

2017-10-30

白文龙（1982-），男，高级工程师，主要研究方向为弹箭发射支持系统