低溫供氣連接器脫落性能試驗分析

楊澤濤，王建秋，梁秋立，高彥峰，田青亞

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引 言

隨著中國航天運載火箭推進劑向燃燒效率高、無毒、無污染的方向發展，新興的低溫推進劑正在逐步取代傳統的常規推進劑偏二甲肼-四氧化二氮組合，現役的多個運載火箭型號均采用了液氫-液氧、液氧-煤油兩種組合的低溫推進劑[1～3]。作為運載火箭箭地接口的關鍵設備，低溫供氣連接器主要用于氫箱、氧箱射前增壓及低溫氣瓶充氣等功能[4,5]。通過梳理各運載火箭型號歷次發射任務中出現的質量問題，針對連接器脫落異常鎖脫鉤勾掛箭上活門故障，本文以廣泛使用的低溫供氣連接器為研究對象，分析其脫落分離過程，查找故障發生的原因，提出優化改進方案，并進行試驗驗證，提升產品本質可靠性。

1 低溫供氣連接器結構組成及原理

低溫供氣連接器主要由連接體、套筒活塞、活動氣缸、支撐吊架、拉桿端蓋、鎖脫鉤、調節螺釘、鎖緊螺母、按斷開關組件、手柄、吊柄、鎖緊腔接管嘴、脫落腔接管嘴、地面管路接管嘴等部分組成，見圖1。

圖1 低溫供氣連接器結構示意 Fig.1 Structure of Connector

低溫供氣連接器具有手動對接、氣動鎖緊，手動和氣動脫落的功能。向連接器鎖緊腔供氣時，連接器活動氣缸向后運動，連接器與箭上插座處于鎖緊狀態；當向連接器脫落腔供氣時，氣體活動氣缸前移，連接器上的3個鎖脫鉤張開，在復位彈簧的拉動下遠離火箭，實現與插座的解鎖分離。

2 連接器脫落過程分析及結果優化改進

2.1 脫落過程分析

由低溫供氣連接器工作原理可知，連接器脫落過程可分為 3個階段，分別為鎖脫鉤張開過程、導向銷拔出過程、連接器分離過程，如圖2所示。

圖2 連接器脫落過程 Fig.2 Separating Process of Connector

2.2 脫落分離過程分析

由低溫供氣連接器結構可知，連接器對接面上設有2個導向銷、3路供氣插頭。在連接器與箭上插座對接時，導向銷、供氣插頭均插入箭上活門對應導向孔和氣路通道內。因此，連接器脫落過程中，為確保連接器可靠脫落，供氣插頭需拔出供氣通道，而且導向銷需完全拔出導向孔。

圖3 連接器脫落分離過程 Fig.3 Shedding Separating Process of Connector

由圖3連接器分離過程可知，脫落狀態下，導向銷圓柱端高出連接本體端面7 mm，拉桿端蓋頂桿端面比連接器本體端面高2.5 mm，導向銷拔出過程中，在拉桿端蓋頂桿推動的 2.5 mm 行程內依靠連接器氣缸4.8 MPa脫落氣產生的推力將導向銷拔出，隨后的行程由于拉桿端蓋頂桿已遠離箭上接口使得氣缸無法繼續提供分離力，此時由連接器支架吊鏈、緩沖筒及復位彈簧等輔助將其拔出，使得連接器與箭上插座分離。連接器脫落前狀態如圖4所示。在發射場，低溫供氣連接器脫落前，連接器支架吊鏈、緩沖筒及上、下復位彈簧按操作要求調整至適當拉緊狀態。

圖4 連接器脫落前狀態 Fig.4 Status of Connector before Shedding

在連接器分離階段，當導向銷完全拔出箭上活門時，連接器鎖脫鉤的調節螺釘位于箭上活門法蘭盤上側，而最低點的鎖緊螺母尚位于法蘭盤后側（如圖5所示），此時若連接器下落速度快于分離速度，則將使得鎖脫鉤內側螺母勾掛在箭上活門法蘭盤上，導致連接器與箭上活門法蘭盤無法分離。

圖5 連接器導向銷完全拔出時鎖脫鉤分離狀態 Fig.5 Disconnect of Hock and Valve when the Guide Pin is Fully Pulled Out

2.3 脫落原因

綜合上述分析可知，連接器脫落時，鎖脫鉤勾掛箭上活門法蘭盤故障的主因即為連接器導向銷完全拔出時，連接器鎖脫鉤最低點仍位于法蘭盤后側。影響連接器鎖脫鉤勾掛箭上活門的故障主因導向圖見圖6。

圖6 連接器鎖脫鉤勾掛活門故障主因 Fig.6 Main Cause of Failure

2.4 結構優化及改進

2.4.1 鎖脫鉤內側螺母優化

鎖脫鉤為連接器解鎖時，與箭上接口分離的運動部件。由于鎖脫鉤調節螺釘與鎖脫鉤內側螺母之間存在臺階面如圖7所示，且鎖緊螺母最低點低于調節螺釘最低點，導致連接器分離時鎖脫鉤內側螺母勾掛在箭上活門法蘭盤上沿內側棱邊處無法分離。

圖7 鎖脫鉤結構示意 Fig.7 Structure Diagram of Hock

基于此，為了消除連接器脫落未完全分離勾掛活門的故障模式。經分析，可以取消鎖脫鉤內側螺母，消除臺階面，從本質上提升連接器分離可靠性，改進后方案如圖8所示。

圖8 鎖脫鉤結構改進前后對比 Fig.8 Comparison before and after Hook Structure Optimization

改進后連接器分離時調節螺釘始終為最低點，從結構上消除了可能造成勾掛故障的臺階面。更改前后鎖脫鉤與箭上活門法蘭盤接觸狀態如圖9所示。

圖9 鎖脫鉤與箭上活門法蘭盤接觸狀態 Fig.9 Contact State of Hook and Valve

2.4.2 鎖脫鉤外側面優化

為便于連接器調節螺釘滑出箭上接口法蘭盤，經分析，可以增大調節螺釘與箭上接口法蘭盤接觸側的圓弧面，使得調節螺釘更容易滑出箭上接口法蘭盤，從而消除勾掛箭上法蘭盤故障模式。鎖脫鉤外側面倒角更改前后對比如圖10所示。

圖10 鎖脫鉤外側面倒角更改前后狀態對比 Fig.10 Comparison before and after Changing the Outside of Hook

通過對連接器鎖脫鉤整個部件結構優化改進可知，更改后調節螺釘移出活門法蘭盤內側棱邊后，便無可勾掛臺階或結構，因此可有效地提升連接器脫落分離的可靠性。

3 試驗驗證及可靠性評估[6,7]

3.1 可靠性指標及試驗設計參數

按威布爾分布策劃可靠性試驗，參試產品每臺試驗總時間的計算公式為

式中R為可靠性指標，R=0.99996；t0為任務中動作次數，t0=4；m為威布爾分布的形狀參數；n為參試產品數量；γ為置信度，一般取0.7。

按投試數n為2臺，在形狀參數m取2的情況下，每臺產品應完成的脫落試驗次數T，依據式（1）進行計算，可以得到單臺產品的試驗時間/次數為

即：每臺產品應完成491次脫落試驗。

3.2 可靠性試驗情況

低溫供氣連接器經上述鎖脫鉤結構優化改進后，挑選2套檢修合格的連接器產品，針對各種使用工況分別開展了570次、495次脫落可靠性驗證試驗，連接器均能順暢、可靠分離。優化后的連接器鎖脫鉤結構如圖11所示，連接器可靠性脫落試驗狀態見圖12。

圖11 鎖脫鉤結構優化后實物示意 Fig.11 Physical Picture after Hook Structure Optimization

圖12 連接器脫落試驗 Fig.12 Separating Test of Connector

3.3 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t0、每套產品的試驗次數ti、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公式為

在本次可靠性試驗過程中，參試產品出現責任故障 0個，根據式（2）和式（1）的試驗參數，f=0，t1=570，t2=495，計算得到產品發射任務可靠度的單側置信下限值為

該可靠性可靠指標較以前有大幅提高。

3.4 拉偏試驗

為進一步考察連接器鎖脫鉤結構優化后效果，結合連接器實際使用工況，對檢修合格的連接器產品進行了2種極限工況下共47次拉偏試驗。經驗證，在連接器吊鏈松弛的狀態下，僅設置斜向下的復位彈簧和不設置復位彈簧 2種極限使用工況，鎖脫鉤改進后的連接器仍能順暢、可靠分離。連接器鎖脫鉤優化后拉偏試驗狀態如圖13所示。

圖13 連接器拉偏試驗 Fig.13 Limit Test of Connector

4 結束語

本文通過對低溫供氣連接器供氣脫落分離過程軌跡分析，查找到連接器脫落時存在鎖脫鉤勾掛箭上活門故障模式，并對該故障模式提出連接器結構優化改進措施；同時進行改進后的可靠性試驗及拉偏試驗驗證，使連接器產品從本質安全上提升脫落分離的可靠性，消除了對復位彈簧、緩沖筒等在發射場使用的高精度質量要求，降低復位彈簧、緩沖筒的更換頻次，為后續多個運載火箭型號的高密度發射任務提供了高質量、強有力的保障。