运载火箭连接器零秒脱落及防护装置

□ 武凯日 □ 赵立乔

1.浙江蓝箭航天空间科技有限公司上海分公司 上海 201109 2.蓝箭航天空间科技股份有限公司 北京 100176

1 研制背景

在航天发射领域,对于使用低温推进剂的运载火箭,地面发射支持系统要满足火箭点火前用气、推进剂补加,以及紧急关机后推进剂泄回的需求。液体运载火箭推进剂具有易燃易爆的特点,从推进剂加注开始,发射火箭塔架周围区域面临较大的安全风险[1]。为保障人员安全,在推进剂开始加注后,不再安排人员进入发射区。针对上述情况,笔者以高可靠、高安全、低成本为原则,研制了一种运载火箭连接器零秒脱落及防护装置。

这一装置具备连接器零秒脱落、发射区无人值守的功能,在火箭发动机紧急关机后,还具有将推进剂泄回的能力[2]。连接器零秒脱落技术的应用,使朱雀二号运载火箭首次从根本上实现了国内液体火箭自推进剂开始加注后不需要人员值守的目标,消除了火箭推迟或终止发射后需要操作人员重新对接连接器的安全隐患,彻底解决了操作人员在易燃易爆环境下作业的安全问题。

2 装置布置

根据火箭上的连接器分布位置,设置大、小两个装置,主要对在装置上的各个连接器进行防护。装置设置在发射台上,装置布置如图1所示。大装置内有四个连接器,分别为一个气体连接器和三个低温连接器,小装置内有一个气体连接器。

图1 装置布置

3 工作原理

火箭点火后,装置接收到火箭起飞触点信号开始动作,按顺序完成连接器的分离、回收。随着火箭的不断升高,装置还必须在火箭发动机尾焰到来之前完成对连接器的防护。位于火箭箭体底部的两个气体连接器,与火箭发动机喷管的距离最短。因此留给这两个气体连接器的防护时间最短。根据火箭起飞时间与高度曲线,火箭发动机喷管下沿到达装置翻转门框下沿的时间为1.25 s,考虑到火箭起飞触点信号在火箭点火后会延迟发出,由此规定对气体连接器的防护动作必须在0.8 s内完成。

4 连接器防护机构

各个连接器所在位置的运动机构采取模块化、通用化设计。以小装置内气体连接器防护机构为例进行说明,结构如图2所示。防护机构主要包括翻转门、翻转门气缸、滑架、滑架气缸,以及供配气系统等。考虑到火箭加注过程中发生推进剂泄漏极易形成易燃易爆环境,从安全性角度出发,同时兼顾经济性,充分利用发射场现有的气源设施,装置采用气动驱动方式[3]。

图2 小装置内气体连接器防护机构结构

当火箭竖起并与发射台固定后,通过供配气组件向装置内相应气缸供气,将翻转门打开,使滑架推出,然后手动完成连接器与火箭箭体的对接。

为了实现防护机构快速动作,在装置内设置蓄压器,使气源尽量靠近气缸,实现气缸内快速建压,进而实现连接器快速回收,同时对滑架气缸进行冗余设置。

供配气系统气路原理如图3所示。在滑架电磁阀V13、V14得电后,滑架气缸带动滑架向塔内运动。滑架与连接器及解锁机构相连,在滑架的作用下,连接器按顺序实现解锁分离及回收动作。滑架回收到位后,触发翻转门电磁阀V21得电,翻转门气缸带动翻转门实现关闭动作。另一方面,翻转门也可以依靠自身重力完成关闭动作。

图3 供配气系统气路原理

5 选型仿真

为满足防护机构动作的快速性要求,对滑架气缸的缸径、行程,以及电磁阀的通径、打开时间进行选型。对蓄压器容积进行理论计算,并结合现有产品,选择250 L蓄压器。主要器件及参数选定后,进行气路仿真,目的是通过系统响应时间来初步确定气缸的供气压力。

在蓄压器0.7 MPa、0.6 MPa、0.5 MPa三种不同压力下,针对单气缸作用进行仿真,如图4所示。仿真过程中,控制信号延迟0.1 s来模拟电磁阀延迟打开时间。仿真结果显示,随着蓄压器压力的减小,滑架气缸缸杆完全缩回所用时间略有增加,但都在0.2 s以内完成。单气缸缸杆行程时间关系如图5所示。经过理论计算,翻转门关闭时间为0.365 s,因此连接器回收及防护的整个时间为0.565 s,短于0.8 s,确认满足任务要求。

图4 单气缸作用仿真

图5 单气缸缸杆行程时间关系

在蓄压器压力为0.7 MPa的情况下,对真实工况下双气缸作用的回收时间进行仿真,如图6所示。双气缸缸杆行程时间关系如图7所示,可见回收时间也在0.2 s以内,与单气缸作用下的回收时间基本相同。装置采取双气缸冗余设计方案,即使其中一个滑架气缸因故障而无法收回,另外一个滑架气缸也可单独完成滑架的收回动作,并且不影响收回时间。

图6 双气缸作用仿真

图7 双气缸缸杆行程时间关系

6 电磁阀振动试验

火箭发射过程中,发动机会给周边设备、设施带来巨大振动。当周边设备、设施受到一定程度的振动冲击时,可能会引发共振、损伤等问题,甚至出现超过极限承受能力而致导工作异常的情况[4]。电磁阀作为供配气系统中的关键元件,存在打不开和关不上的故障情况。当电磁阀打不开时,供配气系统无法驱动滑架气缸动作,会造成连接器无法脱落的故障。当电磁阀关不上时,驱动气源会在未受控的情况下进入气缸做动腔,使连接器意外脱落。另一方面,为节约研制经费,缩短研制周期,供配气系统中的电磁阀选用民用产品,电磁阀没有经历过振动试验考核。

基于上述原因,设计了振动试验设施,用于对电磁阀及供配气系统进行验证。电磁阀振动试验的原理如图8所示。

图8 电磁阀振动试验原理

气源提供0.7 MPa气体至电磁阀进口处。手动截止阀打开一定开度,保证管路有一定压力,并使水槽内有气泡逸出即可。按正弦扫描振动试验条件、随机振动试验条件对电磁阀的三个相互垂直的方向进行正弦振动试验和随机振动试验。试验条件见表1～表3,正弦扫描振动试验扫描速率均为每分钟两分钟频程,g为重力加速度。电磁阀按X、Y、Z三个方向振动,振动试验按验收级与鉴定级分别进行。各级试验分别按照X、Y、Z三个方向进行,每个方向包括正弦扫描振动与随机振动。正弦扫描振动验收级试验一个循环完成后,再进入随机振动验收级试验,共进行五次全循环。正弦扫描振动鉴定级试验一个循环完成后,再进入随机振动鉴定级试验,同样共进行五次全循环。

表1 Z方向正弦扫描振动试验条件

表2 X、Y方向正弦扫描振动试验条件

表3 随机振动试验条件

电磁阀振动试验过程中,在未通电情况下应可靠关闭,压力传感器在精度范围以内无压力输出,水槽内无气泡逸出。

在通电情况下应打开顺畅,压力传感器有压力输出,水槽内有气泡逸出。

电磁阀每个方向振动试验结束之后,检查电磁阀是否能够正常使用,并确认试验设备各连接部位的紧固情况。

电磁阀振动试验表明,供配气系统在振动环境下能可靠工作,不发生泄漏,电磁阀可正常打开和关闭。

7 防护机构动作时间试验

为了进行防护机构动作时间试验,设计电控柜、试验软件、试验工装。试验工装的作用是提供连接器的对接位置,电控柜的作用是向电磁阀供电,接收接近开关的信号。

试验软件界面如图9所示。回收及防护时间为滑架电磁阀通电至翻转门关闭到位的时间,翻转门关闭到位信号通过翻转门处的接近开关得到。小装置气体连接器回收试验现场情况如图10所示。首先将气体连接器与试验工装对接,然后滑架电磁阀得电并移动,使气体连接器分离。滑架回收到位后,触发翻转门电磁阀得电,最后翻转门关闭,完成整个防护动作。

图9 试验软件界面

图10 小装置气体连接器回收试验现场

8 结束语

所研制的运载火箭连接器零秒脱落及防护装置具有较好的环境适应性、保障性,同时还具备较好的经济性,在气路、电路、滑架气缸、翻转门关闭方式上均采取冗余设计,不存在Ⅰ、Ⅱ类单点故障,具备较高的可靠性,使朱雀二号运载火箭发射任务圆满完成[5]。装置满足运载火箭发射的使用需求,在进行简单的状态检查后,即可投入下次任务使用,具备快速恢复能力。