国外星箭连接解锁装置技术与应用研究

张婕 武鹏飞 王亚坤 姜人伟 冯伟

(1 中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部,北京 100094) (2 中国兵器工业导航与控制技术研究所,北京 100089) (3 北京宇航系统工程研究所,北京 100076)(4 北京卫星环境工程研究所,北京 100094)

星箭连接解锁装置是指实现卫星与运载火箭解锁分离操作的系统,是影响卫星发射任务成败的关键环节,解锁时会产生高量级、高频率、短时间的冲击力,可能导致星上冲击敏感设备失效[1-2]。例如,美国太空探索技术(SpaceX)公司采用猎鹰-9运载火箭发射祖玛(Zuma)军事卫星时星箭分离失败,导致卫星不知所踪[3]。因此,星箭连接解锁装置技术是航天器设计的核心技术之一。

星箭连接解锁装置技术自1957年人类发射首颗人造地球卫星以来已经历了3个阶段。第1个阶段为点式火工解锁装置,主要采用多个爆炸螺栓或者分离螺母实现星箭对接框的连接和解锁[4],但由于解锁可靠性差、冲击载荷高达10000gn等缺点已较少应用;第2个阶段为线式火工解锁装置,由包带、V形块、火工分离元件、捕获装置等组成,国内外已经发展出传统柔性包带、可控柔性包带、缓释刚性包带等多种产品,是当前国内外的主流星箭连接解锁装置[5];第3个阶段为线式非火工解锁装置,该装置是针对线式火工解锁装置的解锁冲击较大(500gn～3000gn)、存在污染、不可重复使用等缺点进行优化改进,已形成电机解锁、记忆合金驱动解锁等方式,目前应用多局限于小型卫星的连接解锁[6]。

面对日益增长的运载火箭和卫星的使用需求,本文总结了近几十年来国外星箭连接解锁装置技术成果。首先,介绍了国外解锁装置技术的发展、技术原理及飞行应用;然后,汇总了国际主流宇航公司的星箭连接解锁装置产品,突出产品特点、飞行应用、性能对比;最后,针对国内外星箭连接解锁装置发展现状,给出国内技术发展建议。

1 国外星箭连接解锁装置技术

按照卫星与运载火箭的连接形式,星箭连接解锁装置可分为点式和线式2类。点式解锁装置是通过多个分离元件将星箭对接框连接在一起,通过分离元件解锁达到星箭分离的效果,其中,分离元件包括爆炸螺栓、分离螺母等。线式解锁装置是通过少数分离元件连接线性装置和星箭对接框,通过分离元件解锁将线性装置分解以达到星箭分离的效果,主要包括包带解锁装置。

下面将阐述现有装置的原理、特点和应用。其中,线式解锁装置根据分离元件类别分为火工与非火工2类,它们除分离元件类别有所差异,其他几乎相同,因此本节将其合并介绍。

1.1 点式解锁装置

1.1.1 爆炸螺栓

早期星箭连接解锁装置是采用爆炸螺栓实现的,它是利用所装炸药使指定部位断裂完成解锁功能。星箭对接面需要多个爆炸螺栓才能保证连接强度和刚度[7]。解锁时,所有爆炸螺栓必须全部正常工作才能保证卫星可靠分离,因此可靠性不高,并且爆炸螺栓工作时产生的冲击很大,不能满足卫星对解锁冲击环境提出的越来越严格的要求,因此已被欧美航天机构逐步舍弃[8]。

1.1.2 分离螺母

分离螺母是20世纪中后期发展起来的火工解锁装置,其原理是在火药燃气驱动下,分离环沿轴向移动解除约束,从而使分离段沿径向往外移动与螺栓的螺纹脱离,释放螺栓。相对爆炸螺栓,分离螺母装置连接承载能力大,解锁冲击更小。但是,在星箭连接解锁装置应用中发现,分离面仍需要多个分离螺母才能保证连接强度和刚度,解锁冲击力可达6000gn～10000gn[9]。

分离螺母在国外主要用于小载荷和小接口直径的星箭分离,如阿里安-5、宇宙神-5、德尔它-4和质子运载火箭,它们均只有在1666mm直径适配器上采用了4个分离螺母装置与卫星相连[10-13]。在较大接口和载荷下,只有日本H-2B运载火箭发射白鹳货运飞船时采用了12个分离螺母装置,此时货运飞船与运载火箭接口直径约3400mm,货运飞船质量16.5t,并且采用2次解锁策略(每次6个)以减小解锁冲击力,但冲击力仍高达10000gn[14]。

1.2 线式解锁装置

星箭线式解锁装置中应用最广泛的是包带解锁装置,其工作原理为:处于星箭连接状态时,在包带的两端施加预紧力,使包带内侧V形块与星箭对接框紧密配合;星箭分离时,分离元件解锁后,加载在包带上的预紧力突然消失,使包带与V形块在应变能作用下沿径向向外运动,当V形块与星箭对接框完全脱离后,捕获装置将包带和V形块捕获,通过内部垂向压缩弹簧弹力释放实现星箭分离操作[15]。相对于点式解锁装置,包带解锁装置具有连接刚度好、解锁冲击低、污染少等优势,已成为现今国内外运载火箭连接解锁装置中的卫星主流解锁装置。

1.2.1 传统柔性包带解锁装置

传统包带解锁装置是由1条或多条包带组成,包带是由厚度较薄钢带制成的柔性结构,V形块通过紧固件固定在包带内侧,包带之间采用1个或多个分离元件(爆炸螺栓或切割器)连接,包带解锁后通过在支架上的拉簧和包带柱轴之间的限位簧进行捕获操作[15],如图1所示。

图1 传统柔性包带解锁装置Fig.1 Traditional flexible band unlocking device

传统柔性包带解锁装置结构简单,但存在以下问题:①解锁时V形块解锁同步性较差,卫星解锁后姿态不易控制;②安装需要的静态包络轴向空间较大,增加了结构尺寸和总量;③包带柔性较大,解锁过程动态包络不可控,拉簧及限位簧对包带的约束性较差;④分离元件为爆炸螺栓或切割器,解锁时间过快(小于1ms),造成解锁冲击很大;⑤包带预紧力加载分布不均匀,且不易控制[15]。

1.2.2 可控柔性包带解锁装置

萨伯-爱立信(Saab Ericsson)公司(现瑞士鲁埃格(RUAG)公司)设计了一种可控柔性包带解锁装置,在传统捕获装置基础上采用扭簧代替拉簧完成包带捕获,且在包带周向设计多个捕获器完成包带接头捕获,具体构型见图2。

通过上述改进,可提高V形块解锁同步性,减小静态包络和动态包络,提高整流罩内空间利用率和对包带的约束能力。但是,仍然不能解决解锁冲击大、预紧力均匀性差等不足[16]。

1.2.3 缓释刚性包带解锁装置

欧美宇航公司针对传统柔性包带的不足,提出了缓释刚性包带解锁装置,并在刚性包带设计、捕获方式、降冲击、预紧力加载等方面取得突破。

1)刚性包带方案

刚性包带是由刚度较大的铝带制造而成,与传统柔性包带相比最大的不同是弹性变形方向,柔性包带是沿包带长度方向变形,而刚性包带是沿包带径向变形,见图3。刚性包带解锁装置只有1条包带和分离元件。包带在自由状态下开口很大,施加预紧力后包带两端被拉紧,此时包带内部存储较大的弹性能,它可实现包带连接与解锁功能。刚性包带方案使得V形块解锁运动一致性、运动包络预测性和可控性提高,同时刚性包带与V形块间相对滑动减少,有利于提高预紧力的均匀性,使其成为国外主流星箭连接解锁装置[17]。

刚性包带种类繁多,且不同截面形状会采用不同的包带/V形块连接形式,具体见图4和表1。由于C形截面和整体式刚性包带刚度更大,可加载的预紧力更大,相同接口尺寸下的承载性能比I形截面刚性包带更高,是传统柔性包带的1.75倍[18-20]。

图3 刚性包带结构及变形原理示意Fig.3 Schematic diagram of rigid band structure and deformation principle

图4 刚性包带分类Fig.4 Classification of rigid band

表1 包带截面形状与包带/V形块连接形式对应关系Table 1 Corresponding relationship between connection ways of cross-section shape and band/V-block

2)捕获方案

根据刚性包带变形特点,一般采用径向捕获方式,在包带解锁装置的下端框上安装固定式捕获器实现捕获功能,这种捕获器能够在较小的径向空间下有效控制刚性包带的运动包络,其结构形式较多,见图5[21]。

3)降冲击方案

国外研究表明,传统柔性包带解锁冲击较大的主要原因是解锁时间太短导致储存在包带及星箭对接框内的应变能突然释放,而设计包带预紧力缓释装置、延长预紧力释放时间是实现降低冲击载荷的关键。国外主要有2种缓释装置,第1种是利用螺纹传动把直线运动转换为旋转运动以增加运动时间,原理见图6。在星箭连接状态,包带预紧力通过2根螺杆加载在飞轮上,使其产生旋转运动趋势,通过火工拔销器/记忆合金丝阻止飞轮旋转。解锁时,通过销子拔开/合金丝变形使得飞轮在预紧力作用下转动,螺杆与飞轮脱开后实现包带解锁分离,该方法已应用在瑞士RUAG公司[16]和美国内华达山脉公司(SNC)的包带预紧力缓释装置(CBOD)[22]上。第2种是通过连杆机构的运动增加运动时间,原理见图7。在星箭连接状态,连杆机构通过分离螺母压紧,解锁时分离螺母工作,连杆机构在包带预紧力作用下运动,以实现包带解锁,该方法已在西班牙EADS CASA的释放机构上应用。这2种方法都能将解锁冲击载荷从3000gn～4000gn降低到1000gn以下[19-20]。

图6 基于螺纹传动的缓释装置Fig.6 Slow-releasing device based on screw drive

注:T为解锁冲击力;Vt为横向速度;Vr为纵向速度。图7 基于连杆机构运动的缓释装置Fig.7 Slow-releasing device based on linkage movement

4)预紧力加载方案

预紧力加载包括包带端头加载、V形块直接加载和包带降温加载。包带端头加载方式与传统柔性包带加载方式相似,都是使用液压加载工具直接作用在包带接头处,通过拉紧包带两端进行预紧力施加,如图8所示。由于刚性包带在长度方向变形量较小,因此采用这种加载方式,预紧力均匀性好于柔性包[16]。

V形块直接加载方式适用于C形截面刚性包带,通过V形块背面的预紧螺钉对每一块V形块单独加载,作用在包带上的预紧力均匀可控,且加载操作方便、安全,如图9所示[19]。

包带降温加载方式适用于包带-V形块一体式刚性包带,采用电加热带将包带加热到较高的温度,然后用包带连接星箭对接框,并用分离元件连接好包带接头,随着包带温度下降,包带收缩,预紧力自然加载完成。由于包带升温和降温均匀,因此预紧力分布也很均匀,且容易施加大预紧力,如图10所示,其中红色带子为电加热带[20]。

图8 包带端头液压加载工具Fig.8 Hydraulic loading tool for band end

图10 包带降温加载预紧力Fig.10 Preload from band cooling loading

1.2.4 可检测机电包带解锁装置

以上所提及的解锁装置均依靠火工品实现解锁功能,均存在解锁过程动态包络不可控问题,美国行星系统公司(PSC)首次提出可检测机电包带(MLB)解锁装置,可实现电机驱动可控解锁。MLB解锁装置与传统包带解锁装置原理不同,后者采用向外扩张的方式完成解锁操作,而MLB采用包带收缩方式。MLB解锁装置的上端框与卫星固定在一起,下端框与运载火箭固定在一起,旋转块固定在下端框上,内撑环放置在旋转块的U形槽内,通过电机驱动实现内撑环的扩展/收缩,使得旋转块绕轴旋转进入/脱离上端框的V形槽,从而实现星箭的锁紧/释放,原理见图11[23]。

与传统包带解锁装置相比,MLB解锁装置具备可检可测、超低冲击300gn、质量小、静态和动态包络小、安装操作简便、可重复使用等优势,目前主要用于小型卫星的连接解锁。

图11 典型MLB解锁装置工作原理及结构示意Fig.11 Principle and structure diagram of a typical MLB unlocking device

1.3 解锁装置技术应用

国内外现役主流运载火箭连接解锁装置及相应参数见表2[10-14, 24-29],本文所述的冲击谱峰值指星箭界面处的冲击响应。现有的星箭连接解锁装置包括分离螺母(10000gn)、爆炸螺栓(3000gn～8000gn)、传统柔性包带(3000gn～5000gn)、缓释刚性包带(1000gn～3000gn)、可检测机电包带(2000gn)等,其中,缓释刚性包带和可检测机电包带引起的冲击载荷明显较小。此外,国外缓释刚性包带应用最为广泛,国内仍以传统柔性包带为主,使得与国外先进冲击谱水平相比量级高达2000gn。

表2 国内外现役主流运载火箭连接解锁装置及相应参数Table 2 Connection and unlocking devices and their corresponding parameters of mainstream launching vehicles in service

2 国外星箭连接解锁装置产品

缓释刚性包带和可检测机电包带引起的冲击载荷是国内外解锁装置技术中最小的,代表了国际最先进水平,以下仅介绍这2类包带相关的国际主流公司产品。

2.1 瑞士RUAG公司

瑞士RUAG公司是国外运载火箭采用的卫星适配系统和连接解锁装置最主要的供应商,可提供系列化国际标准接口服务,其产品广泛应用在阿里安、宇宙神、德尔它、质子、联盟、天顶、金牛座、人牛怪等运载火箭上,且自20世纪70年代以来已参加了550多次飞行[16]。其中,包带解锁装置产品直径覆盖35.6cm到261.6cm[21,30-32](见图12),均采用I形截面刚性包带,采用螺钉或搭片连接包带与V形块,以及CBOD(见图13),该系列包带解锁冲击均小于1000gn[33]。

图12 RUAG公司的卫星适配系统 Fig.12 Satellite adaptation system of RUAG company

图13 RUAG公司的CBOD Fig.13 CBOD of RUAG company

2.2 西班牙EADS CASA

西班牙EADS CASA研制的包带连接解锁装置有CRSS[19]和LPSS[20]2种类型。

CRSS采用整体式刚性包带,具备包带刚度好、可施加的预紧力大等优点,使得包带承载性能大大提高,如传统1194mm包带最大可连接质量4000kg卫星,而CRSS可连接质量7000kg卫星。CRSS采用2个冗余的火工切割器作为分离元件,采用降温法施加预紧力,接口尺寸包括937mm,1194mm,1666mm,1875mm,2105mm,2624mm,3936mm(见图14),涵盖了大部分国际通用接口。其中:3936mm接口是目前世界上接口直径最大的包带,已成功应用在阿里安-5运载火箭搭载的第4艘自动转移飞行器(ATV-4)阿尔伯特-爱因斯坦货运飞船(质量20.2t)上。CRSS广泛应用于阿里安-5、联盟、织女星、隆声、质子运载火箭,已成功完成了150多次飞行[19]。

LPSS是在CRSS基础上进行降冲击改进的产品,包带采用刚度较大的C形截面、T形滑槽配合包带与V形块、连杆缓释装置、V形块径向加载方式。LPSS接口尺寸有937mm和1194mm,解锁冲击小于700gn,已应用于阿里安-5、维加、隆声等运载火箭,成功完成了30多次飞行[20]。

2.3 美国SNC

美国SNC的包带解锁产品有QwkSep连接解锁装置,采用I形截面刚性包带和自主研发缓释装置CBOD和Mini-CBOD,具体构型见图15,规格分类见表3。相对其他公司的刚性包带,具备轮廓低矮、结构紧凑、安装空间要求低等优点[22,34]。

采用记忆合金丝触发缓释装置(Mini-CBOD)的43.2cm连接解锁装置,已于2004年完成飞行试验(德尔它-4运载火箭/纳卫星(Nanosat)),Mini-CBOD结合瑞士RUAG公司的93.98cm包带已于2007年完成了飞行试验(轨道快车卫星)。目前,SNC正在开发119.38cm和167.64cm直径的刚性包带,并将用于阿里安、宇宙神-5、德尔它-4、质子、海上发射和猎鹰-9等运载火箭[22]。

图15 QwkSep解锁装置Fig.15 Qwksep unlocking device

表3 QwkSep解锁装置规格分类Table 3 Specification classification of Qwksep unlocking device

2.4 美国PSC

美国PSC致力于研究非火工包带解锁装置,已形成5代产品(如图16所示)。其中:前3种目前已不再生产,当前正在使用的是Mark II型MLB解锁装置,研发中的Mark III型已经不再属于包带解锁装置[35-36]。

MLB解锁装置主要用于小卫星的连接解锁,其现货产品接口尺寸有20.3cm,29.7cm,33.0cm,38.1cm,46.5cm,50.3cm,59.2cm,61.0cm,80.3cm,95.3cm,98.6cm,还可根据用户要求定制非标尺寸和形状(多边形)的产品。其产品已应用于维加、人牛怪、飞马座、宇宙神-5/ESPA、德尔它-4、猎鹰-9、隆声运载火箭,已有34件不同规格的解锁装置成功完成了21次飞行[23]。

图16 PSC非火工包带解锁装置的发展历程Fig.16 Development history of non-explosive band unlocking device of PSC

2.5 产品性能对比

国外包带解锁装置的最大供应商是瑞士RUAG和西班牙EADS CASA,2家公司的产品系列全面、性能优异。美国SNC和PSC产品主要应用于小卫星,具备非火工包带解锁装置技术。对上述包带解锁装置性能进行对比[16-23],见表4。

表4 相同接口尺寸下国外各公司包带解锁装置参数对比Table 4 Comparison of band unlocking device parameters of foreign companies of same interface size

3 启示与建议

本文分析了近几十年来国外星箭连接解锁装置的技术和应用,总结如下。

(1)国内星箭连接解锁装置技术仍局限于传统柔性包带,国外已开发和成功应用可控柔性包带解锁装置、缓释刚性包带解锁装置、可检测机电包带解锁装置,降低冲击力超过2000gn,因此我国发展新型星箭连接解锁装置技术刻不容缓。缓释刚性包带在国外应用最为广泛,相对传统柔性包带在解锁同步性、动静态包络、解锁冲击、预紧力均匀性方面优点突出,是国内发展新型星箭连接解锁装置技术的重要突破口。本文给出了缓释刚性包带的关键技术原理,包括缓释刚性包带的构型、捕获、降冲击及预紧力加载的国外细节设计内容,可作为参考,尤其是应该从降低冲击角度优化国内星箭连接解锁装置。

(2)国外包带解锁装置的最大供应商是瑞士RUAG和西班牙EADS CASA,2家公司的产品系列全面、性能优异,美国SNC和PSC的产品主要应用于小卫星,具备先进非火工解锁装置技术。国内公司较少专注于包带解锁装置的研发,更多是火箭或卫星研制单位同时研制适配火箭或卫星的包带解锁装置,这样容易导致国内包带解锁装置产品系列不全面,难以专注突破包带解锁装置技术。建议国内公司建立包带解锁装置产品系列谱,从产品角度出发研制包带解锁装置,从实际应用角度开发新型包带解锁装置。