刚性包带式星箭连接装置解锁分离过程动力学分析

郭 欣， 朱仕尧， 刘观日， 于 兵， 唐 科， 雷勇军

(1.国防科技大学 军事职业教育技术服务中心，长沙 410073；2.国防科技大学 空天科学学院，长沙 410073；3.北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

随着运载火箭向重型化发展，传统点式和柔性包带式的星箭连接装置已无法满足其承载要求。新型刚性包带形式的连接装置,如图1所示。(以下简称刚性包带装置)采用环绕上、下端框的整根楔形截面圆弧包带作为连接装置，能够有效提升星箭连接刚度，具有重要的工程应用价值。

国内外研究人员针对柔性包带轴向承载能力和分离过程的动力学运动规律已开展了较为深入的研究。秦朝烨等[1-4]对柔性包带连接的刚度、轴向振动响应和动力学特性进行了分析。白邵竣等[5]基于接触理论提出了柔性包带连接的非线性动力学有限元建模方法。谭雪峰等[6-8]提出了包带分离面径向冲击预示的简化圆环方法，并对包带连接结构进行了动力学模拟及故障分析。Singaravelu等[9]应用断裂力学研究了包带式星箭系统的承载能力。Barrans等[10]采用有限元法对包带的极限轴向承载能力进行预测。武新峰等[11-12]对包带连接结构进行优化设计并基于LS-DYNA对分离过程和冲击响应进行了分析。康士朋等[13]采用解析法和Abaqus软件研究了温度变化对柔性包带装置预紧力的影响。由于刚性包带装置的设计概念提出较晚[14]，结构形式、预紧力加载方式以及分离和捕获方法与柔性包带差异较大，且涉及热力耦合、非线性接触等复杂力学问题，因此目前尚没有针对刚性包带装置的分离运动规律和捕获回收过程的详细研究。

图1 连接状态下的刚性包带式星箭连接装置三维示意图

针对刚性包带分离与捕获过程中的动态响应问题，本文首先介绍了刚性包带式运载火箭星箭连接装置的系统组合和结构特点；然后在合理假设基础上建立其非线性多体动力学有限元分析模型，与试验结果对比验证模型正确性；随后分析刚性包带接头速度、解锁运动轨迹、捕获运动状态以及解锁冲击等动力学响应特点；最后研究了缓释解锁装置解锁时间和包带预紧力等参数对刚性包带分离与捕获动力学过程的影响规律。

1 刚性包带式星箭连接装置简介

由图2可知，刚性包带形式的运载火箭星箭连接装置由单条整体式刚性包带、上下端框、缓释解锁装置以及捕获器组成。刚性包带为采用铝制锻环制造的整体式包带，包带内侧为V型槽结构，相比柔性包带具有较高的结构刚度和强度。刚性包带两端接头均设置有安装孔，缓释解锁装置固定在安装孔之间。刚性包带的顶端和底端分别设有上、下端框，且上端框(即卫星连接端)的底端面和下端框(即火箭连接端)的顶端面均有楔形凸缘，从而与刚性包带内侧V型槽进行连接配合。下端框外壁周向均布安装捕获器，且捕获器的内侧安装有弹簧片，用于实现对刚性包带的捕获和限位。

初始状态的刚性包带径向尺寸大于端框楔形凸缘，并呈现开口状态。在安装过程中，刚性包带首先升温，然后逐渐收紧包带接头，使包带V型槽与上下端框凸缘配合，并用缓释解锁装置固定包带接头相对位移，利用包带自然降温收缩在内部产生预紧力，实现星箭间连接承载功能。刚性包带分离时，通过缓释解锁装置缓释包带接头，在储备的弹性势能作用下向外弹出，受到捕获器限制而停止外扩，并在倒钩型弹簧片作用下减少反弹，最终实现包带捕获；与此同时上端框在分离弹簧作用下与下端框实现分离，如图 2所示。

图2 刚性包带式星箭连接装置的分离前后示意图

2 刚性包带式星箭连接装置模型建立

由于刚性包带安装和预紧所储备的弹性势能在释放时转化为分离的动能，该弹性势能对分离和捕获过程影响较大，因此本文考虑刚性包带从自由、连接再到释放的全过程，将整个仿真过程分为安装、固定和释放3个过程。其中安装过程主要完成包带升温和安装，固定过程主要用来通过降温产生预紧力，释放过程主要完成包带的分离与捕获。

2.1 连接装置结构有限元模型

首先，按照图3所给截面参数绘制上、下端框和包带的回转体几何模型，采用有限元分析软件Abaqus进行部件网格划分，除了分离弹簧外所有部件均采用体单元建模，并在有接触关系的表面划分较为细致的网格以避免模型接触失效。然后，根据部件间物理连接关系进行结构系统组集，建立了刚性包带式星箭连接装置自由状态下的有限元模型，如图4所示。其中共划分单元59 875个，节点83 910个。上、下端框、包带以及捕获器主体结构均为铝合金材料(牌号2A14T6)，仅捕获器挂钩部分为不锈钢材料(牌号PH13-8Mo)，相关材料参数如表1所示。

2.2 载荷边界条件

如表2所示，对不同分析步中载荷与边界条件进行逐一设置，其中下端框底端固支约束在3个分析步中保持不变；上端框顶端简支只在安装过程中施加，以抵消包带未安装时的分离弹簧作用力，在包带安装后随即失效。在安装过程内，先对包带施加温度载荷，然后在包带的接头处施加位移载荷，使包带接头收紧至固定位置。此外，安装过程只考虑上下端框间、包带与上下端框和包带与捕获器的挂钩间的接触，不考虑包带与捕获器的接触，因此包带可以直接穿越捕获器进行安装；而在固定与释放时间步中考虑所有可能的接触关系，从而实现捕获器对包带的捕获。

图3 刚性包带式星箭连接装置结构参数(mm)

图4 刚性包带式星箭连接装置的有限元模型

表1 端框和包带的材料参数

表2 不同分析步中的载荷和边界变化

2.3 模型正确性验证

包带接头预紧力在安装-预紧过程中的变化，如图5所示。安装过程中，接头预紧力用于克服包带自身变形，随时间缓慢增大；安装后，包带热量向端框传导，自身温度逐渐降低，接头预紧力迅速增大；当两者温度趋同时，预紧力趋于稳定。分析结果与地面试验结果基本吻合，最终预紧力分别为17.9 kN和16.4 kN。刚性包带在降温预紧后周向预紧力的分布图，如图6所示。从图6可知，刚性包带的预紧力从0°(包带接头)到180°(包带中点)逐渐增大。分析结果与试验结果规律相符。综上，接头预紧力变化规律和包带周向预紧力分布的分析结果与地面试验结果较为一致，说明所建模型和分析方法合理可信。

图5 刚性包带接头预紧力随时间变化曲线

图6 刚性包带周向预紧力分布图

包带接头预紧力随包带和端框单元总数变化的曲线，如图7所示。通过对比不同网格细分下的分析结果可以发现：随着有限元模型网格的不断细化，单元数量逐渐增大；当单元数量大于59 000时，分析结果对网格尺寸不敏感(相对偏差小于2%)；本研究所建模型单元数量达到59 875个，满足网格无关性要求。

图7 刚性包带接头预紧力随单元数变化曲线

3 分离与捕获过程动力学分析

本部分在34 kN预紧力和2 ms缓释解锁状态下，分析刚性包带分离与捕获过程中的接头运动速度、包带运动规律和上端框冲击响应。为便于结果讨论，在+x侧包带上沿周向选取6个特征截面，其中1#截面为包带接头，2#～5#截面依次对应与捕获器1～4接触位置，6#截面位于包带中点，截面位置见图4(a)，测点位置见图3(c)。取1#截面上的特征点作为接头速度测点。在与包带接头对应的上端框位置，沿+z方向由上至下选取上、中和下3个位置作为冲击响应测点，测点位置见图4(a)。

3.1 接头运动速度分析

①0～2 ms：在该阶段包带处于缓释状态，随着限位载荷逐渐减小，接头速度随时间单调递增至5.72 m/s；此过程整个包带未与捕获器碰撞，始终处于外扩状态；②2～7.2 ms：包带接头速度呈现小幅波动式缓慢增长，最大值可达10.01 m/s；此过程中包带存在释放残余振动且各典型截面先后开始碰撞捕获器，导致接头速度波动；③7.2～20 ms：接头速度迅速衰减，随后在4.00 m/s附近振荡变化，此过程包带受到捕获器阻拦发生反弹，内能与动能开始相互转化，因此速度具有明显振荡特征。

3.2 包带运动规律分析

包带内侧径向位置随时间变化曲线，如图8(a)所示。其中1#截面在3 ms最先脱离端框，随后6#和5#截面在3.4 ms附近脱离，2#和4#截面在4 ms附近脱离，最后3#截面在5.9 ms与端框脱离。整个包带脱离过程持续5.9 ms，其中包带接头与中点位置首先脱离，中间部分随后脱离，最后分离的位置位于2#与3#截面之间(即捕获器1与捕获器2之间)。这是由于包带接头位置在解锁过程中最先释放，而从接头到中点的包带预紧力逐渐越大，因此存储的弹性势能也越来越多，因此1#和6#截面会较快分离。此外，3#截面位置在18.5 ms后径向位置又小于端框半径，但上端框在11.2 ms(图中竖直线)已高于捕获器，上下端框完成分离，因此包带与上端框并不会发生碰撞。

包带外侧径向位置随时间变化曲线，如图8(b)所示。其中1#和6#截面分别在5 ms和7 ms附近冲出捕获器径向包络，随后包带5#和2#截面在6.5 ms附近与捕获器内壁发生碰撞，4#截面与捕获器碰撞时间为8 ms，而3#截面与捕获器最后碰撞，碰撞时间为10 ms；以上4个位置与捕获器碰撞后，2#～5#截面位置均存在小幅反弹。说明捕获器弹簧片在一定程度上限制了包带的回弹运动。

图8 刚性包带径向关键位置的径向位置时间历程曲线

3.3 上端框冲击响应分析

上端框测点的冲击响应时间历程曲线，如图9所示。从图9可知，下点的响应整体幅值最大(峰值为1.9×104m/s2，对应11 ms)，中点次之，上点处的响应整体幅值最小(峰值为5.1×103m/s2，对应11 ms)。不难发现：随着节点位置远离端框分离截面，分离冲击响应迅速减小至3.7%，说明分离冲击对卫星连接端的影响较小。

图9 上端框关键测点的加速度冲击响应

4 包带分离与捕获过程影响因素分析

在构型确定的情况下，缓释解锁装置的解锁时间和刚性包带的预紧力水平会直接影响刚性包带分离过程的动力学行为，需要对其影响规律进行详细研究。

4.1 解锁时间对包带运动分离与捕获过程的影响

当释放开关启动后，缓释解锁装置内部螺杆与飞轮需要一定解锁时间以完成相对螺旋式滑动从而实现解锁操作，因此解锁时间(或解锁速度)会影响预紧刚性包带的弹性势能释放过程，进而影响其分离运动。本部分主要关注包带解锁时间对包带分离和捕获运动的影响规律，并假设解锁过程中包带预紧力按线性规律减小。不同解锁时间条件下的接头运动速度时间历程，如图10所示。从图10可知，随着解锁时间由2 ms延长至6 ms，接头速度的变化趋势较为相似，即缓释段速度明显增大，随后速度增大至峰值并迅速减小，最后呈现波动变化规律。在缓释过程中的接头速度整体呈减小趋势，且速度峰值出现时间逐渐后移，峰值取值由10.01 m/s下降至7.05 m/s，减小29.6%。

图10 不同缓释时间条件下的包带接头速度时间历程

不同解锁时间条件下的包带与端框和捕获器配合时间,如图11所示。从图11可知，随着解锁时间延长，包带与端框分离时刻和与各捕获器接触时刻均延后。当解锁时间达到6 ms时，在20 ms内包带甚至仍未与端框分离，只有接头位置与捕获器发生碰撞，并且分离顺序由先1#和6#截面再中间截面的顺序变为1#～6#截面依次分离。这是由于随着解锁时间逐渐延长，包带分离运动明显放缓，导致包带中点处较大的弹性势能得到缓慢释放，使#6截面的弹出速度明显减小，最终包带呈现从接头处缓慢展开的运动趋势。虽然包带缓慢分离可以降低冲击响应，但是上述运动趋势容易导致上端框倾斜分离，在工程实践中应尽量避免。

图11 不同缓释时间条件下的包带与端框和捕获器配合关系

卫星安装平面处的加速度冲击响应时间历程曲线，如图12所示。从图12可知，随着解锁时间延长，卫星所承受的冲击响应不断减小，冲击峰值出现时间在8～10 ms，峰值取值由1.90×104m/s2下降至1.45×104m/s2，减小23.7%。

图12 不同解锁时间条件下的上端框冲击加速度响应

4.1 预紧力对包带分离与捕获过程的影响

由于预紧力水平直接关系到预紧刚性包带的弹性势能总量，因此会对刚性包带的分离过程产生明显影响。同时预紧力在刚性包带静力学设计中也具有重要地位，需要同时满足材料强度极限限制和静力学承载要求。本部分在满足静力学要求的预紧力范围内(20～40 kN)，重点研究包带预紧力对包带分离与捕获运动的影响规律。不同预紧力条件下的包带接头速度变化规律,如图13所示。从图13可知，接头速度变化规律未发生本质改变，但随着预紧力逐渐增大，0～2 ms缓释阶段的接头速度整体呈增大趋势。缓释后速度呈现小幅波动式缓慢增大(对应2～6 ms)，且波动幅度随预紧力增大而明显增大。速度峰值出现时间随预紧力增大而有所提前，且峰值取值由7.79 m/s提升至10.65 m/s，增加36.7%。在6～20 ms的波动变化区间内，接头速度的振荡幅度也同样随预紧力增大而增大。

图13 不同预紧力条件下的包带接头速度时间历程

不同预紧力情况下的包带与端框和捕获器的配合时间，如图14所示。从图14可知，包带各典型截面的分离顺序会因预紧力不同而发生明显改变。当预紧力等于20 kN时，包带按照1#～6#截面顺序依次分离，且率先与捕获器1接触，与其他捕获器接触时刻均延后10 ms以上。当预紧力大于等于27 kN时，包带按先1#和6#截面再到中间截面顺序分离，且包带与捕获器接触时刻均随预紧力增大而提前。这是由于预紧力越小，包带储存的应变势能越小，包带中点位置的弹性势能在缓释阶段得到充分释放，不能产生较大的分离速度，导致包带接头速度明显大于包带中点。与解锁时间增长类似，预紧力过小也可能导致上端框倾斜分离，因此应尽可能提高预紧力幅值。

图14 不同预紧力条件下包带与端框和捕获器配合关系

不同预紧力情况下的卫星安装平面加速度冲击响应，如图15所示。从图15可知，随着预紧力的增大，冲击响应也在不断增大，且峰值出现时间也明显发生改变，最大冲击由1.69×103m/s2上升至2.7×104m/s2，提高一个量级。从减小冲击响应角度出发，应尽量限制预紧力水平，这与改善包带运动规律相矛盾。

图15 不同预紧力条件下的上端框冲击响应时间历程

5 结 论

本文以应用于重型运载火箭的刚性包带式星箭连接装置为对象，建立其完整“安装-预紧-分离”过程非线性多体动力学分析模型，重点研究刚性包带分离与捕获过程中的动力学响应规律及其关键影响因素。主要结论如下：

(1)包带接头分离速度在缓释阶段速度迅速增大，随后波动式缓慢增长，直至与捕获器接触；包带接头和中点位置率先与端框分离和与捕获器接触；分离冲击沿火箭轴线方向迅速衰减。

(2)随着解锁时间延长和预紧力减小，包带接头分离速度逐渐降低，与捕获器接触时刻延后，接触时长增加，卫星所受冲击逐渐减小；与脱离端框时间逐渐增大，甚至可能改变包带分离运动规律，引起卫星倾斜分离。

(3)解锁时间和预紧力对包带分离运动和加速度冲击的影响规律相反，取值过大或过小对包带分离过程均有不利影响，在工程应用中应给予综合考虑。