一種火箭起飛后快速關閉的液氫防護塔

胡亞濤，楊俊恒

0 引 言

芯一級液氫加排連接器是運載火箭箭地接口關鍵設備。防護門關閉為芯一級液氫加排連接器零秒脫落后的關鍵動作，火箭起飛到一定高度后，當箭上接口與液氫加排連接器分離并完全飛出防護塔時，由地面供氣系統給防護門關閉氣缸供氣帶動防護門沿防護塔頂部導軌水平向前運動，直至完全關閉。防護門過早關閉，會撞擊火箭尾部的箭上接口，由于防護門本身質量和速度均較大，對火箭瞬時沖擊較大，可能使火箭發生較大滾轉或偏移，甚至造成發射失敗；防護門過晚關閉，則燃氣流會直接進入防護塔內并對塔內的連接器、低溫真空軟管等設備造成沖刷燒蝕，若塔內氫氣濃度超標，可能有發生爆炸的危險。因此防護門要在不碰撞箭體的前提下，快速可靠關閉。用于火箭起飛防護的液氫防護塔在中國首次使用，對今后重運載火箭及同類產品研制具有借鑒意義[1～4]。

1 防護門關閉流程

1.1 防護門關閉時間要求

圖1為防護塔在發射平臺上表面安裝示意，其位于發射平臺井字梁上，箭上接口部分位于防護塔內。

圖1 防護塔整體示意Fig.1 Schematic Diagram of the Protective Tower

火箭起飛時，防護塔將不可避免地承受高溫、高速燃氣流燒蝕、沖擊，需避免燃氣流無遮擋地直接作用到防護塔內部的設備。因此要求防護塔上部的防護門必須在火箭起飛后開始關閉，并在受燃氣流作用前，完成全部關閉動作，關閉時間還應考慮適當的安全余量。根據分析及相關燃氣流數據，火箭從起飛到燃氣流影響防護塔頂部的時間為 2.71 s，綜合考慮動作延時、安全余量等，要求防護門關閉時間≤1.5 s。

1.2 防護門關閉流程[5]

防護門位于防護塔頂部，其頂部設計成圓弧形以減小燃氣流的沖擊。防護門關閉系統主要由模擬起飛裝置、防護門關閉氣缸、鋼絲繩等組成，其內部結構及關閉流程分別如圖2、圖3所示。

圖2 防護塔結構示意Fig.2 Schematic Diagram of the Protective Tower Structure

圖3 防護門關閉流程Fig.3 Protective Door Closing Process

利用4個氣缸的共同作用關閉防護門，其最大優點在于從設計上提高了防護門關閉的可靠性，且 4個氣缸同時作用在一定程度上可提高防護門關閉的速度，保證整體受力的均勻性。圖3中通過電磁閥給氣缸G3、G4、G5、G6同時供氣，其中G3、G4為防護門水平關閉氣缸，直接推動防護門關閉，G5、G6為豎直冗余氣缸，其通過連接鋼絲繩經過固定滑輪后牽引防護門，使其關閉。

防護門關閉的主要流程為：火箭起飛前4 min左右，通過供氣系統給位于防護塔內部的蓄壓氣瓶充氣，壓力約 5 MPa。火箭起飛到一定高度后自適應機構下端配重下落，觸發傳感器，控制系統收到觸發信號，打開電磁閥給防護門水平關閉氣缸和豎直冗余氣缸同時供氣，水平氣缸直接推動防護門向前關閉，豎直氣缸通過鋼絲繩和固定滑輪帶動防護門向前關閉。防護門關閉到位后，通過限位銷限位，防止其撞擊后回彈。

2 仿真計算

計算防護門關閉時間主要是計算防護門能否在預期時間內完成關閉動作。根據結構設計和總體要求，已知條件包括：

a）防護門重量1200 kg，運動方向為水平直線運動；

b）防護門關閉行程720 mm；

c）防護門關閉氣缸直徑62 mm、行程約720 mm、活塞桿直徑30 mm、供氣壓力小于5 MPa；

d）防護門關閉時間不大于1.5 s。

根據上述條件建立連接器脫落、防護門關閉Amesim模型如圖4所示[6]。

圖4 連接器脫落防護系統Amesim仿真模型Fig.4 Amesim Simulationg Model of Connector Shedding Protection System

其中，用控制信號模擬電磁閥響應時間，設置為0.1 s，氣源壓力保持為5 MPa。在分析過程中忽略了氣缸中O形圈的摩擦等因素。

圖5為防護門關閉氣缸壓力變化，從圖5中可以看出，在0.1 s時防護門關閉氣缸開始充氣，其中0.1 s為電磁閥響應時間，電磁閥打開后氣缸壓力迅速上升，壓力達到一定數值后，由于活塞開始動作，容腔增大，壓力減小；當活塞運動到位后，氣缸容腔體積不再變化，壓力會繼續上升，直到與蓄壓氣瓶的壓力平衡。

圖5 防護門關閉氣缸壓力變化Fig.5 Prossure Change of Protective Door Colsed Cylinder

圖6 為防護門關閉氣缸活塞桿運動位移。

圖6 防護門關閉氣缸活塞桿運動位移Fig.6 Piston Rod Displacement of Protective Door Colsed Cylinder

從圖6可以看出，在0.2 s左右時防護門開始運動，在0.8 s左右時防護門首次運動到最終行程，而后在防護門關閉氣缸打開腔死腔容積的壓縮緩沖和氣缸、防護門到位后產生的機械撞擊的共同作用下產生一定程度的回彈，而后在氣缸作用下重新關閉。防護門在1.18 s保持關閉狀態。實際過程中設置了限位銷，保證防護門關閉到位后不會產生回彈。

3 試驗研究

為測試防護門關閉時間，設計了簡易的控制系統，其原理如圖7所示。由模擬起飛工裝帶動模擬箭上接口與連接器分離后，起飛自適應機構會觸發傳感器1，時刻為T0，此時防護門仍為打開狀態，如圖8所示。接收到傳感器1的信號后，控制系統給電磁閥加電，使4個氣缸同時供氣，推動防護門關閉，防護門關閉到位后會觸發傳感器2，時刻為T1，此時防護門為關閉狀態，如圖9所示。2個傳感器的觸發時刻T0、T1之差即為整個防護門的關閉所用時間。

圖7 測試簡易控制系統原理Fig.7 Principle of Test Control System

圖8 防護關閉試驗（打開狀態）Fig.8 Ptrotective Door Colsing Test(Open State)

圖9 防護關閉試驗（關閉狀態）Fig.9 Ptrotective Door Colsing Test(Colsed State)

防護門關閉試驗，累計次數1300余次。部分試驗結果如圖10所示，總體上氣缸壓力越高，防護門關閉時間越短。壓力2.4 MPa左右時，防護門關閉時間約1.2 s，滿足設計要求。

圖10 防護門關閉時間Fig.10 Closing Time of Protective Door

需要說明的是防護塔實際使用時的關閉壓力為4.5～5 MPa，高于本文試驗壓力（考慮試驗條件和安全性，5 MPa下關閉在出廠試驗時進行），則實際關閉時間更短。

4 結束語

防護門關閉為火箭起飛，箭上接口與液氫加排連接器分離后的關鍵動作，必須在很短的時間內可靠完成。通過仿真計算分析，并經驗證，壓力2.4 MPa左右，防護門關閉時間約1.2 s，滿足設計要求。結合試驗情況及任務考核等因素，本文的液氫防護塔局部設計可繼續改進和優化，因其在中國首次使用，對今后重運載及同類產品的研制具有借鑒意義。