自適應起飛脫落的支撐式插拔連接器系統

王愛偉，劉忠明，胡亞濤，王建秋，王鳳金

自適應起飛脫落的支撐式插拔連接器系統

王愛偉，劉忠明，胡亞濤，王建秋，王鳳金

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

介紹一種自適應起飛脫落的支撐式插拔連接器系統，由可供氣帶載分離的氣路插拔組合連接器及可自適應運動位置調整的支撐裝置組成。該插拔連接器系統具有脫落時與箭上接口無機械解鎖動作，脫落可靠性高等特點。研究表明：其平衡式接頭能夠降低連接器對接脫落時的供氣分離力，支撐裝置可實現連接器對接及脫落前后的上下、水平隨動和滾轉及一定角度的俯仰調整功能。

支撐式；插拔連接器；支撐裝置；自適應調整

0 引 言

氣路插拔組合連接器（以下簡稱“插拔連接器”）是運載火箭箭地接口氣液連接器[1～4]關鍵設備之一，它需要在火箭點火后保持對接、持續供氣，起飛一定高度后確認發射流程不可逆時才能進行脫落，并且在火箭點火后緊急關機終止發射時能夠保持對接、密封，進行應急安全處理。這要求插拔連接器在多路供氣帶載工況下，火箭起飛一定高度才進行可靠脫落，同時必須適應火箭點火起飛、漂移、滾轉運動以及振動條件等復雜發射環境工況。連接器脫落時火箭發射流程已不能終止，若存在不能脫落分離故障模式隱患，則可能造成箭體損傷甚至火箭爆炸等事故。

插拔連接器必須可靠脫落，為解決供氣帶載起飛漂移脫落需求，目前已提出一種平衡式接頭結構的中心球鎖插拔連接器[5]，然而中心球鎖插拔連接器在脫落時存在球鎖機械解鎖動作，同時插拔連接器帶載脫落及箭體的漂移會引起連接器的翹動、存在插頭卡滯不能脫落分離的故障模式，為提高插拔連接器的脫落可

靠性，在平衡式接頭中心球鎖插拔連接器的基礎上，提出取消中心球鎖結構、直接脫拔分離的自適應起飛脫落的支撐式插拔連接器系統（以下簡稱“支撐式插拔連接器”）。支撐式插拔連接器，由可供氣帶載分離的插拔連接器及可進行自適應運動調整的支撐裝置組成，其平衡式接頭能夠降低連接器對接脫落的供氣分離力，支撐裝置可實現連接器對接及脫落前后的上下、水平隨動和滾轉及一定角度的俯仰調整功能。支撐式插拔連接器具有脫落時與箭上接口無機械解鎖動作，直接拔脫、無卡滯不能脫落故障隱患，脫落可靠性高等特點。

1 技術方案介紹

1.1 中心球鎖插拔連接器技術方案

中心球鎖插拔連接器結構如圖1所示，脫落狀態如圖2所示。

圖1 中心球鎖插拔連接器結構

圖2 中心球鎖插拔連接器脫落狀態

中心球鎖插拔連接器主要由連接器本體、平衡接頭、球鎖、鋼絲繩、箭上插座等組成。連接器特點為：a）采用供氣分離力較小的徑向密封平衡式接頭，解決分離力過大，力矩不平衡問題；b）通過中心球鎖實現連接器的可靠對接鎖緊，球鎖采用火箭起飛時鋼絲繩被動張緊拉拽方式解鎖；c）通過調整鋼絲繩松弛量適應火箭水平漂移及起飛方向隨動距離要求。

工作原理為：鎖緊時將連接器插入箭上接口，鎖芯在彈簧力作用力下向上運動復位將鋼球擠壓入承力螺母梯形槽中，球鎖上鎖，然后擰緊壓緊螺母，連接器實現對接鎖緊，對接后連接解鎖鋼絲繩、設定好松弛量；脫落時，火箭起飛一定高度后將鋼絲繩拽緊，鎖芯向下運動使球鎖解鎖，進而箭上插座拔脫，連接器實現脫落分離，脫落后由其它牽制鋼絲繩限位防護。

1.2 支撐式插拔連接器技術方案

支撐式插拔連接器相比中心球鎖插拔連接器方案及接口變化為：同樣采用平衡式接頭以解決連接器供氣帶載脫落工況，實現箭地接口較小分離力；箭上接口布局不變，主要改動為取消球鎖相關部件，箭地接口變化不大；連接器與發射臺支撐臂的對外接口保持不變，將中心球鎖插拔連接器的牽制裝置改為自適應運動位置調整的支撐裝置即可。

支撐式插拔連接器結構如圖3所示。連接器對接、脫落狀態如圖4所示。

圖3 支撐式插拔連接器結構（含支撐臂）

圖4 支撐式插拔連接器對接及脫落狀態

支撐式插拔連接器由可供氣帶載分離的插拔連接器及可進行自適應運動調整的支撐裝置組成。插拔連接器主要由連接器本體、平衡接頭等組成，采用徑向密封供氣的平衡式接頭，實現較小的供氣帶載分離力。連接器通過中心導向桿與箭上插座對接時定位導向，插座中心安裝直線軸承，在連接器對接、脫落過程減小連接器摩擦力。支撐裝置主要由滑臺、滑臺座、支撐筒、支座等組成，供氣管路穿過以上部件的內部開孔連接到連接器供氣接頭。插拔連接器的各自由度運動功能實現方式如下：上下運動功能由彈簧支撐的支撐筒及滑動套作為運動副實現；水平運動由同心疊合的滑臺與滑臺座構成滑動副實現；傾斜旋轉運動由球窩對內錐面配合的旋轉副實現。

支撐式插拔連接器對接脫落工作原理：箭體吊裝前將支撐裝置安裝到支撐臂；箭體就位后，使用工裝氣缸將滑臺高度降低，然后將連接器安裝到支撐裝置上方；對工裝氣缸緩慢放氣、同時移動滑臺使連接器與箭上接口對中，直至連接器與箭上接口完全插入、端面貼緊，取下工裝氣缸即完成連接器對接。連接器脫落時通過滑臺實現水平漂移運動一定距離后限位，在彈簧力的作用下實現箭體起飛方向隨動，升降筒運動一定距離后限位，進而箭上接口直接拔出連接器實現脫落分離，脫落時無機械解鎖動作。

2 插拔連接器方案對比分析

2.1 關鍵設計要素實現方案對比

根據插拔連接器設計關鍵要素的實現方案，對支撐式插拔連接器與中心球鎖插拔連接器方案進行對比分析，如表1所示。

表1 插拔連接器設計方案比較

續表1

由表1可知，支撐式插拔連接器與中心球鎖插拔連接器方案相比，同樣能夠滿足水平隨動、密封性要求，在對接可靠、脫落防護、對接操作簡便性方面較優，尤其在可靠脫落、起飛方向隨動、對箭作用力設計要素上更具優勢：

a）支撐式插拔連接器無脫落時的球鎖等機械動作，因而脫落可靠性較高；

b）支撐式插拔連接器起飛方向隨動距離可控，而中心球鎖插拔連接器起飛方向隨動距離可能過大，不能精確控制；

c）支撐式插拔連接器對箭上作用力較小，脫落防護方面更為可靠。

2.2 故障模式與影響分析

通過對以上兩種方案進行故障模式與影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，FMEA），由于支撐式插拔連接器在脫落過程中無機械解鎖動作、始終保持與箭上接口平行分離，因而不存在連接器卡滯無法脫落的故障隱患，無Ⅰ、Ⅱ類故障模式。

中心球鎖插拔連接器解鎖時，由于箭體漂移及連接器供氣分離力使連接器解鎖時翹動分離，因而存在插頭卡滯的可能性，同時球鎖不解鎖、以及解鎖拉索部件失效都可能造成連接器不能脫落分離，因此中心球鎖插拔連接器存在3個Ⅰ、Ⅱ類故障模式。

2.3 安全性對比分析

支撐式插拔連接器相比中心球鎖插拔連接器，無球鎖分離機構，脫落時與箭上接口無機械解鎖動作、平行分離直接拔脫，無卡滯不能脫落故障隱患，不會造成箭體損傷甚至火箭爆炸等事故，因而安全性好。

2.4 小 結

通過支撐式插拔連接器和中心球鎖插拔連接器方案對比、FMEA及安全性對比分析表明，支撐式插拔連接器在脫落可靠性、安全性等方面優于中心球鎖插拔連接器，消除了連接器卡滯無法脫落的Ⅰ、Ⅱ類故障模式，在起飛方向隨動距離控制、對接可靠、脫落防護、對接操作等性能方面同樣表現優異。

3 試驗驗證及可靠性評估[6,7]

3.1 試驗情況

按威布爾分布策劃可靠性試驗，參試產品試驗總有效脫落動作試驗次數為

式中 R為可靠性置信下限，R=0.999 90；0t為任務中動作次數；m為威布爾分布的形狀參數；n為試驗投試產品數；γ為置信度，一般取0.7。

按投試數n為3臺，在形狀參數m取2的情況下，每臺產品應完成的脫落動作試驗次數T依據式（1）進行初步估計，計算得到單臺產品有效試驗次數為

即：每臺產品應完成317次脫落試驗。

支撐式插拔連接器兩種規格各3臺產品總計進行了1 800余次脫落可靠性試驗，試驗表明連接器在脫落過程中能夠完成與箭上接口起飛、水平方向隨動，分離時保持平行、無卡滯現象，分離過程對箭最大作用力即彈簧最大壓縮力，支撐式插拔連接器隨動、脫落性能優異，可靠性、安全性更好。

3.2 脫落可靠性評估

對于可靠性特征量服從威布爾分布的產品，由產品在任務中的動作次數0t、每套產品的試驗次數it、試驗過程中的故障數f、試驗投試產品數n，可得產品發射任務可靠度的單側置信下限評估為

插拔連接器實際參加可靠性試驗投試產品數量n=3 臺，試驗次數分別為t1、t2=449，t3=326，根據式（2），產品可靠度摸底實際驗證值達到0.999 940 9，滿足基本可靠度0.999 90的要求。

4 結 論

自適應起飛脫落的支撐式插拔連接器系統的研制解決了適應起飛脫落、漂移、供氣帶載振動工況下的插拔連接器關鍵設計技術，該插拔連接器具有脫落時與箭上接口無機械解鎖動作、平行分離直接拔脫，無卡滯不能脫落故障隱患，脫落可靠性高等特點，可以應用于火箭起飛一定高度后供氣帶載脫落的一類工況，能夠滿足火箭正常發射以及火箭緊急關機等應急發射工況使用要求。

[1] 王瑞銓. 運載火箭臍帶連接器研討[J]. 航天發射技術, 2002(3): 1-15.

[2] 王瑞銓. 長征系列火箭地面發射技術的成就與未來[J]. 導彈與航天運載技術, 2002(5): 55-64.

[3] 徐明俊. 低溫高壓自動脫落冷氦連接器研制[J]. 導彈與航天運載技術, 1999(2): 26-30.

[4] 王立興. 俄羅斯火箭臍帶自動對接技術評析[J]. 航天發射技術, 2003(1): 45-50.

[5] 王愛偉. 一種平衡式氣路插拔連接器的研制[J]. 導彈與航天運載技術, 2015(03): 104-106.

[6] 周正伐, 等. 航天可靠性工程[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2006.

[7] 楊瑞剛. 機械可靠性設計與應用[M]. 北京: 冶金工業出版社, 2008.

Self-adaptive Take-off Supporting-feed-connector System

Wang Ai-wei, Liu Zhong-ming, Hu Ya-tao, Wang Jian-qiu, Wang Feng-jin
(Beijing Ιnstitute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

The system includes the air-feed combined connector separated by pressure air along with the supporting equipment for adjusting self-adaptively. The feed connector system is of the characteristics of none mechanical unlocking action between the connector and the rocket during taking off along with high reliability. The results show that the balanced connector can reduce the separation force for take-off. The supporting equipment can realize the function of the connector moving and rolling in up, down and horizon direction. Ιn addition the action of adjusting for certain angle can also be fulfilled during connecting and taking off.

Supporting; Air-feed connector; Supporting equipment; Adjusting self-adaptively

TJ768.2+8

A

1004-7182(2017)04-0081-04

DOΙ：10.7654/j.issn.1004-7182.20170419

2016-09-29；

2017-06-28

王愛偉（1981-），男，高級工程師，主要研究方向為氣液連接器及低溫設備設計