常规加泄连接器发讯性能试验分析

张振华，王建秋，刘照智，王洪丽，孙 贺

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

0 引 言

液氢、液氧等低温推进剂以及硝基氧化剂四氧化二氮、肼类燃料偏二甲肼等常规推进剂作为燃料，在航天领域得到了广泛的应用。作为火箭与地面加注系统的关键接口设备，加泄连接器用于推进剂加注及泄出，部分连接器还需具备打开箭上活门并发出打开信号的功能，以此作为允许加注的必要条件；反之，当箭上活门关闭时，通过该信号反馈箭上活门是否关闭，作为可以脱落的判定条件。针对历次发射任务中旧型干簧管曾出现的误发讯、不发讯等问题，本文以广泛使用的常规加泄连接器为研究对象，针对发讯故障开展可靠性提升工作，经过问题排查、方案论证、方案设计以及试验验证，确定提高发讯可靠性的最终方案。常规加泄连接器与加注系统、供气系统、测控系统及火箭等设备的连接状态如图1所示。

为了验证发讯方案的适应性和可靠性，本文针对两种新解决方案-新选型干簧管和行程开关进行对比试验。干簧管方案的可靠性可通过产品优化设计、二次筛选等途径进行提升[1～3]。本文重点对改进后的新型干簧管发讯性能进行试验验证，并与行程开关发讯性能进行对比，为连接器发讯方案的制定提供技术支撑。

图1 常规加泄连接器连接示意Fig.1 Conneciton Diagram of Propellant Loading and Draining Connector

1 常规加泄连接器发讯原理

常规加泄连接器打开、关闭活门结构包括气缸、活塞、顶杆、顶盘、复位弹簧等，当下达箭上活门打开指令时，供气系统给连接器气缸供气，气缸推动顶杆、顶盘运动直至箭上活门阀芯完全打开。连接器结构如图2所示。

图2 常规加泄连接器结构（干簧管状态）Fig.2 Structure of Propellant Loading and DrainingConnector(Tongue Tube)

1.1 干簧管发讯原理

干簧管也称磁簧开关、舌簧开关或磁控管，它是一种气密式密封的磁控性机械开关。在永久磁铁或线圈所产生的磁场作用下，干簧管两个舌簧磁化，两个舌簧的触点位置分别生成N极、S极。当磁场吸引力大于舌簧的弹性产生的阻力，舌簧将接触、导通，即电路闭合；当磁场力消除，舌簧因弹力作用又重新分开，即电路断开。

在连接器产品中，两套干簧管并联安装在干簧盒内，固定在连接器气缸上方，干簧管与气缸内的磁钢配合实现发讯。当气缸活塞与磁钢一同运动至干簧盒正下方，在磁场作用下干簧管吸合，即电路闭合、发讯；当气缸放气后，顶杆、顶盘以及箭上活门阀芯复位，此时磁钢远离干簧盒，磁场力消除后干簧管舌簧因弹力作用又重新分开，即电路断开。

1.2 行程开关发讯原理

行程开关，又称限位开关，是一种常用的小电流主令电器。一般应用中，将行程开关安装在预置位置，设备中机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的元件，它的作用原理与按钮开关类似。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动部件按一定位置或行程自动停止、反向运动等[4]。

在连接器产品结构中，行程开关代替干簧盒，取消磁钢，其他结构基本相同。气缸活塞运动至行程开关下方，推动行程开关柱塞向上运动，电路闭合；当气缸放气后，活塞复位远离行程开关，柱塞恢复初始状态，电路断开。相比干簧管，行程开关为机械开关，其工作原理简单，更为可靠。

2 试验对象

新选型的干簧管采用德国 MEDER公司产品，共两种规格：KSK-1A52-2530、KSK-1A52-3035。两种干簧管的结构尺寸及外观相同，吸合值分别为 25～30 AT、30～35 AT。试验时干簧盒内安装一只干簧管，状态如图3所示，主要参数如表1所示。干簧盒分为A组、B组，其中A组干簧盒选用5个KSK-1A52-2530型号干簧管，编号 A1～A5；B组干簧盒选用 5个KSK-1A52-3035型号干簧管，编号B1～B5。

行程开关选用德国EUCHNER公司产品，规格：EGT1-5000。行程开关为单孔固定式，与连接器采用M14x1螺纹接口，结构如图4所示，主要参数如表2所示。试验采用5套行程开关，编号C1～C5。

图3 干簧管安装状态Fig.3 Tongue Tube Installation

表1 两种干簧管的主要技术参数对比Tab.1 Comparison Table of Technical Parameter of Two Tongue Tube

图4 行程开关结构Fig.4 Travel Switch

表2 行程开关主要技术参数Tab.2 Technical Parameter Table of Travel Switch

3 干簧管试验内容及结果分析

试验主要分为两部分：a）干簧管的性能试验，包括轴向和径向的吸合、释放距离测试；b）干簧管的发讯验证试验，安装在常规加泄连接器产品上，分别进行高温、低温热环境工况发讯试验和使用工况的寿命考核。

3.1 干簧管性能试验

通过干簧管检测装置测试干簧管在径向和轴向的吸合、释放距离，验证干簧管的吸合、释放特性和个体差异性。干簧管检测装置原理如图5所示[5]。

图5 干簧管检测装置原理Fig.5 Principle Diagram of Test Device

测试方法如下：磁钢与干簧盒固定在检测装置内，干簧管与磁钢的轴线平行。径向吸合、释放距离测试时，磁钢固定，干簧盒在磁钢正上方上下移动；轴向吸合、释放距离测试时，干簧盒在磁钢正上方一定距离并固定，磁钢沿着干簧管轴线方向运动。吸合距离为两者从远至近、由释放状态转为初始吸合时的距离，释放距离为两者从近至远、由吸合状态转为初始释放时的距离。

A组、B组干簧管径向吸合、轴向吸合的释放距离数据分析如图6所示。每只干簧管分别进行3次测试，图中为平均值。

图6 干簧管径向和轴向吸合的释放试验距离对比Fig.6 Comparison of Test Distance

通过图6可以看出，A组、B组干簧管具有以下特性：

a）通过干簧管的径向吸合距离对比，A组明显大于B组，轴向也呈现类似规律；表明A组干簧管更易吸合、更灵敏，这与干簧管的吸合值特性一致。

b）通过干簧管的径向释放距离对比，A组与B组则呈现相反的趋势，A组基本小于B组，表明A组干簧管更易释放。A组、B组部分干簧管参数比较接近，但整体趋势低于B组，一方面说明两者性能参数差别较小，另一方面同种规格产品性能参数存在一定个体差异。

c）通过干簧管的吸合、释放距离综合对比，A组、B组干簧管的吸合距离均小于释放距离，且变化幅度较大，约为释放距离的53%～78%，轴向测试与径向测试规律完全相同；这表明磁钢在靠近干簧管时，舌簧触点需要较大的磁力才可吸合，而在磁钢远离干簧管时，由于微量的残存力滞留在舌簧上，使其不易释放。

总的来说，同种规格干簧管的吸合、释放距离相差不大，考虑到干簧管安装和测量偏差以及磁钢的不均匀性，可判定试验干簧管的一致性较好，能较好满足产品使用要求。但不同规格的干簧管差异性较为明显，在连接器活门打开关闭机构方案设计时，需要考虑干簧管的特性；另外，还应重点考虑干簧管的吸合、释放距离差，箭上活门关闭时连接器应有充足的行程使干簧管释放。

3.2 连接器发讯验证试验

3.2.1 高温性能试验

干簧盒安装在连接器上，整体放入高低温箱内，缓慢升温至连接器最高工作温度（50 ℃）并保温30 min，然后连接器活门打开测试干簧管发讯是否正常，考核干簧管在连接器上的高温适应性。各试验10次。

试验结果及分析如下，数据曲线如图7所示。

图7 故障干簧管轴向吸合、释放距离对比Fig.7 Test Distance Comparison of Fault Tongue Tube

a）A组干簧管在连接器打开、关闭活门时均正常吸合、释放；

b）B组B2#干簧管未能在最高工作温度下正常吸合，其余干簧管工作正常。

为进一步验证高温对干簧管的影响，对故障干簧管单独进行高温下的轴向吸合、释放距离测试，恢复常温后再次测量轴向吸合、释放距离。由图7可以看出，故障干簧管初次常温以及恢复常温后的吸合、释放距离基本相同，但在高温工况下其吸合、释放距离均明显变小，变化幅度较大，吸合时约为常温状态下的75%～86%，释放时约为常温状态下的51%～62%。可以看出高温对干簧管的吸合、释放特性影响较大。

3.2.2 低温性能试验

在高低温箱内进行缓慢降温，每分钟温度降低不得大于 1 ℃，达到最低工作温度（-40 ℃）时保温30 min，试验方法同前述高温试验，考核干簧管在低温工况下的发讯性能。各试验10次。

根据试验结果，A组、B组干簧管均能在规定温度下满足连接器的使用要求。3.2.3 使用工况下的寿命考核

根据前述试验结果，A组干簧管性能更适合连接器使用工况，随机选取A组中的一只干簧盒，安装在连接器上进行使用工况下的寿命试验，验证连接器快速打开、关闭活门机构动作时的振动影响。将连接器固定在试验台架上，连接器打开、关闭活门机构反复供放气，共试验3000次。根据试验结果，干簧管发讯均正常。

3.3 小 结

通过两组干簧管进行对比试验，试验结论如下：

a）相比B组干簧管，A组干簧管更适合于常规加泄连接器使用工况；

b）干簧管的吸合距离通常小于释放距离，且变化幅度较大，测试样品数据约为释放距离的53%～78%；

c）同种规格的干簧管性能一致性较好，但对环境温度的变化比较敏感，新产品设计时应注意高低温边界条件的影响，避处于临界工作状态；

d）干簧管的选型一定要结合产品的结构参数和动作行程，换言之，连接器发讯结构设计时要考虑干簧管的参数差异和特性；

e）新产品结构设计时应尽量保证干簧管与磁钢的径向距离较小，轴向距离则应较大，轴向动作行程应可保证干簧管正常释放。

4 行程开关试验内容及结果分析

对连接器气缸进行了适应性改造，取消磁钢，行程开关安装在气缸正上方。连接器共生产2套，编号为1#、2#，5套行程开关分别装在2套连接器上进行发讯试验。根据连接器使用工况，对装有行程开关的连接器进行整机高温、低温、湿度热环境发讯试验及使用工况的寿命考核试验。

4.1 试验情况

热环境试验工况分别为：高温50 ℃、低温-40 ℃、湿度RH 98%（在35 ℃时），试验方法同前述干簧管，每个行程开关试验次数为 20次。寿命考核试验选取C1#、C2#行程开关，各试验3000次。

试验结果表明，行程开关在高温 50 ℃、高湿98%RH（在 35 ℃时）工况下均发讯正常，但在低温-40 ℃时信号返回滞后，个别行程开关信号返回时间甚至长达15 min。由于-40 ℃超出了行程开关的最低允许温度，将高低温箱调整至-25 ℃，重新进行发讯试验，发讯正常，表明行程开关在超出允许使用工况时性能下降，发讯可靠性降低。

由于气缸活塞运动方向与行程开关柱塞运动方向垂直，在使用过程中柱塞将受到径向冲击、对其寿命造成影响，为考核行程开关在使用工况下的寿命边界，选取C1#、C2#行程开关寿命考核以及拉偏试验，分别试验3000次、30 000次，发讯均正常，试验结果表明行程开关可完全满足连接器的使用要求。

试验结果如表3所示。

表3 行程开关试验结果Tab.3 Test Results of Travel Switch

4.2 小 结

a）行程开关对环境温度较为敏感，尤其低温工况，在新产品设计时应注意或者限制使用工况；

b）在限定热环境、使用工况寿命考核以及极限拉偏试验中，行程开关均发讯正常，发讯可靠，可满足常规加泄连接器使用要求；

c）行程开关为机械运动，相比干簧管需要磁场力吸合，其原理更为简单、发讯更为可靠。

5 发讯寿命可靠性评估

常规加泄连接器发讯试验按照威布尔分布策划，参试产品试验总有效动作次数为

式中R为可靠性置信下限，R=0.999；0t为任务中动作次数，取0t=3；m为威布尔分布的形状参数，取m=1.2；n为参试产品的个数；γ为置信度，取γ=0.85。

参试产品分别按照数量1～5，计算得到每个传感器需开展的最少试验次数，如表4所示。

表4 传感器试验次数Tab.4 Test Number of Sensor

按照威布尔分布函数模型，由产品在发射任务中的动作次数0t、每套产品的试验次数iT、试验过程中的故障数f、试验投试产品数n，可得产品在发射任务中寿命可靠度的单侧置信下限评估公式为

6 结 论

本文所提出的两种解决方案均在连接器上得以应用，并经过多次发射任务考核、使用正常，根据试验结果以及使用情况分析，具有以下结论：

a）干簧管的选型需要与产品的结构参数和动作行程相匹配，合适的干簧管将提高使用可靠性；

b）行程开关为机械运动，相比干簧管原理简单，发讯更为可靠，在限定工况下连接器应优先选择行程开关作为发讯装置。