大直徑柔性整流罩垂直對接平臺的設計與驗證

張駿，劉玉梅，劉貝，周煦潔，陳艷

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海200245）

0 引 言

火箭整流罩用于保護衛星及其他有效載荷，防止衛星受到氣動力、氣動熱及聲振等有害環境的影響，是運載火箭的重要組成部分[1]。整流罩分離是運載火箭發射過程中的關鍵動作，其對接精度又是影響既定分離動作能否正確執行的關鍵因素，直接影響發射任務的成敗。新一代運載火箭采用大直徑整流罩，其結構剛度下降，柔性增加[2]。目前衛星整流罩的裝配分離面與空間分離面是重合的。這種類型的整流罩進行地面裝配時，不僅需要較高的姿態調整精度，而且由于連接過程需要穿插和固定的連接螺栓數量很大，操作時間較長，需要在操作過程中保持所調整好的姿態[3]。通過文獻和現有線性解鎖結構可知，對于大直徑柔性整流罩垂直合罩時，合罩精度需要達到±1 mm。

目前國內外整流罩垂直對接主要有兩種形式：吊裝垂直對接和推裝垂直對接。美國德爾塔IV和日本H-2A整流罩通過吊裝實現垂直對接。德爾塔IV整流罩直徑為4.07 m，長度為11.75 m，目前國內成熟火箭中部分采用水平合罩后垂直扣罩。吊裝合罩的優點為結構簡單可靠、成本低，缺點為無法適應新一代火箭整流罩與箭體的對接。

印度宇宙神5、GSLV-D和意大利織女星采用腳輪推裝方式實現垂直對接，如表1所示。目前國內成熟火箭中部分采用導軌推裝方式垂直對接，操作簡單，對接可靠，但這種方式需要鋪設導軌，占用空間大。

現有文獻中關于傾覆穩定性的判別方法主要有壓力中心法[4]、有效質量重型方法[5]、零力矩點方法[6]、傾倒穩定邊界法[7]及力角穩定性度量法等[8-9]。

本文設計了一套垂直對接平臺，采用腳輪式高型架手動控制方式，可實現大直徑柔性整流罩半罩軸向、徑向和周向的精確調整。對接平臺采用高剛度保型架對整流罩半罩保型，克服了整流罩半罩作為薄壁構件所存在的尺寸大、剛性差、易變形的缺陷，保證了整流罩精確垂直對接，采用力角穩定性度量法和力矩法分析計算了合罩平臺防傾覆性能，并通過試驗驗證了合罩平臺推行和調節性能。

1 大直徑柔性整流罩垂直對接平臺設計

1.1 結構設計

為了實現大直徑柔性整流罩高精度合罩的要求，垂直對接平臺采用腳輪式高型架和3個六自由度調節機構的結構形式，主要由多功能工作梯、保型架、底座、六自由度調節機構組成，如圖1所示。

整流罩垂直對接時，左右底座分別承載整流罩半罩-型架組合體通過機械導向到達合罩區域后，通過調節六自由度位姿調節機構實現高精度的整流罩合罩。

六自由度位姿調節機構用于調節左右半罩的位姿使左右半罩實現對接，主要由滑動調節機構和滾動調節機構兩部分組成，可實現六自由度的調節功能?；瑒诱{節機構由底層滑臺、上層滑臺、升降機、球窩、標尺組成；滾動調節機構由升降機、球窩、外殼、標尺、螺紋伸縮桿、萬向球軸承組成。

對接航向為X，橫向為Y，垂直方向為Z，根據整流罩的位姿，通過調節3個六自由度位姿調節機構3個維度的位置實現整流罩的X、Y、Z方向和角度的調節。

圖1 合罩裝置示意圖

型架上下分布有兩處整流罩連接接口，與整流罩接觸位置留有16個可調節孔位的調節塊，可實現孔位小范圍內Z向調節，型架上留有滑槽，將調整塊順著滑槽滑入，實現孔位小范圍內軸向調節，確保16個連接孔都能與整流罩進行連接。

1.2 防傾覆計算

1.3 仿真分析

基于ANSYS有限元分析，型架承受2倍過載和自身重力進行仿真，整體型架變形僅有2 mm，應力為72 MPa，如圖3～圖4所示。由結果可以看出，對于長10 m的型架形變為2 mm，型架撓度為1/5000，剛度很好，對柔性整流罩起到保型的作用，對接更加準確方便。

圖3 型架整體形變

圖4 型架所受應力

2 垂直對接平臺驗證試驗

2.1 推行對接試驗

為驗證垂直對接平臺在重載條件下推行、轉向的性能，開展了推行對接試驗。

試驗中準備了3 t的配重，預設了對接目標孔，推動滿載垂直對接平臺向目標架靠近對接，進行了不少于5次的滿載和空載對接試驗，并記錄對接的時間進行對接難易程度評估，結果如表1所示。結果表明5次試驗均順利完成，平均用時208 s。

試驗結果表明，5次對接試驗從開始到機械限位完全進入平均用時為208 s，對接過程簡單可靠?？蛰d推行對接試驗如圖5所示，滿載推行對接試驗如圖6所示。

表1 滿載對接試驗結果

圖5 空載推行對接試驗

圖6 滿載推行對接試驗

2.2 位姿調節試驗

本文設計了垂直對接平臺位姿調節試驗的試驗方法，在吊車保護下，對垂直對接平臺進行六自由度調節試驗，并對型架上不同位置的調節參數進行采樣并記錄，如圖7所示。

圖7 位姿調節示意圖

1）試驗步驟：a.用吊具將1/2型架吊至底座球窩內，固定安裝穩固，吊繩松開但不松掉，靜置10 min；b.將底座升降機降下，使底座腳輪著地，輔助支撐旋轉90°至前進方向，在平地上推行合罩裝置向前向后各200 m；c.推行后升起底座升降機，將底座調至水平，分別轉動六自由度調節機構手輪進行x向、y向、z向、繞x軸旋轉、繞y軸旋轉、繞z軸旋轉6個自由度調節，分別進行3次以上試驗。

2）測量內容及測點位置：a.坐標設定，推行方向為X、橫向為Y、垂直方向為Z，X向與合罩裝置的推行方向一致；b.鋪設測試點，共5點，在型架的底部和頂部分別安2個測量點（測量點1～4），在型架中間安1個測量點。c.檢測型架姿態調整后的調節量，分別記錄測量點1～5的位移量和偏轉角度。

3）試驗結果。試驗結果如表2～表4所示。試驗結果表明，X、Y、Z方向調節平均精度為0.5 mm，繞X、Y、Z 軸方向調節平均精度為0.11°，位移調節精度較高，且可實現小范圍內調節，角度調節精度略低，在實際使用過程中，為了保證對接過程安全可靠，整個過程非常緩慢，對角度調節精度要求不高由此判斷垂直對接平臺達到預期的調節要求。

表2 X向（繞x軸）調節量記錄表

表3 Y向（繞y軸）調節量記錄表

表4 Z向（繞z軸）調節量記錄表

3 結 語

本文設計的大直徑柔性整流罩采用腳輪式高型架手動控制方式，通過六自由度調節機構對整流罩進行姿態調整，經試驗驗證，實現了整流罩的推行對接和六自由度調節功能，達到±1 mm調節精度要求。