新一代中型運載火箭級間段配平技術

劉 洋，徐 寅，張粵萌，樊 宇，田超群

(天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462)

0 引言

我國新一代中型運載火箭各級發動機均使用液氧煤油發動機，級間分離采用冷分離方式。為保證分離的安全性，新一代中型運載火箭的級間分離采用二次分離形式，此為我國運載火箭級間分離首次采用。為順利實現兩次分離，級間段分為前級間段和后級間段兩部分。在箭體飛行過程中，首先是前、后級間段分離(第一級間分離面)，一級箭體與二級箭體完成分離；然后是前級間段與煤油箱分離(第二級間分離面)，前級間段被二級箭體拋離。

分離系統按其功能主要由三部分組成，即連接解鎖裝置、分離沖擊裝置和火工品引爆裝置。級間段兩個分離面之間的分離解鎖結構均為爆炸螺栓，沿前級間段周向均勻分布有四根分離彈簧提供第二次級間分離的分離沖擊，在第二級間分離面爆炸螺栓起爆解鎖后，前級間段必須順利離開二級箭體，避免前級間段與發動機之間發生碰撞，才能不影響二級箭體的點火和繼續飛行。為了保證分離的成功，除要求級間分離彈簧提供的分離力差值處在正常范圍內、各分離插頭及分離插管的分離力沿箭體軸向分布均勻外，前級間段的橫向質心偏差對級間分離的影響也至關重要。本文基于工程實際提供了一種便捷、有效的級間段配平方法，首先測試級間段的橫向質心，再進行配平直至達到要求，然后將配平的結果再次檢查，若仍能滿足要求，則認為前級間段的橫向質心在要求的范圍內，允許用于后續的飛行試驗。

1 前級間段結構和配平結果要求

前級間段采用外翻框結構，前端框與二級煤油箱后短殼通過爆炸螺栓連接，后端框與后級間段通過爆炸螺栓連接。為保證總裝過程中的產品定位，各工藝分離面均存在定位銷孔，用于總裝過程中定位銷的安裝。前級間段理論直徑為3 350 mm，軸向尺寸為2 730 mm，分離時的結構總質量約為750 kg。為保證分離的可靠性，前級間段的橫向質心必須控制在殼體軸線Φ10 mm的范圍內。

2 質心配平的實現

2.1 坐標系建立

定義前級間段質心測量的參考坐標系：X軸為箭體縱軸方向；Y軸位于I～III象限組成的平面內，指向III象限為正；Z軸位于II～IV象限組成的平面內，指向IV象限為正。前級間段坐標系定義示意圖如圖1所示。

圖1 前級間段坐標定義示意圖

橫向質心配平要求橫向質心允許分布在箭體理論軸線Φ10 mm的范圍內，即橫向質心坐標(y，z)距離理論軸心的距離滿足式(1):

(1)

2.2 橫向質心配平設備結構

針對配平要求，我們設計了如圖2所示的前級間段橫向質心測試設備(以下簡稱“工裝”)，用于測試前級間段的質量及橫向質心位置。前級間段支撐結構用于承載前級間段，并將前級間段的質量分布傳遞給均布在支撐結構圓周上的三處質量傳感器。質量傳感器的安裝示意圖如圖3所示，各點的質量數據回傳給數據處理系統進行處理，最終得到前級間段橫向質心的位置坐標。為保證測量結果的精確性，支撐結構通過定位銷與前級間段實現連接。

圖2 橫向質心測試設備

圖3 傳感器的安裝示意圖

傳感器與工裝固連，為使橫向質心坐標與箭體結構的坐標方向一致，傳感器的位置坐標應與箭體的坐標系一致，工裝與前級間段之間的固定連接通過定位銷的孔位來保證。經過精確測量，得到三個傳感器在箭體坐標系中的位置坐標，如表1所示，傳感器測量的位置坐標示意圖如圖4所示。

表1 傳感器在箭體坐標系中的位置坐標

圖4 傳感器測量的位置坐標示意圖

2.3 橫向質心測試

首先對配平設備進行調平和標定，確認結果無誤并記錄支撐結構自身的質量數據后將前級間段吊裝到稱重裝置上并實現可靠連接，如圖5所示。

圖5 前級間段配平過程實景圖

若此時傳感器1、傳感器2、傳感器3得到的質量值為m1、m2、m3，則前級間段的橫向質心坐標為：

(2)

前級間段的橫向質心距離理論軸心的距離為：

(3)

2.4 橫向質心配平

根據設備測量的結果，通過在給出的配重安裝孔上安裝配重塊來調節級間段整體的橫向質心，直至滿足要求。若產品的質量為M，其實測質心距理論軸心的距離為s，則配重塊的質量為：

(4)

其中:R為配平裝置安裝位置到理論軸線之間的距離。

配重塊安裝的位置選擇與配重前質心相對的位置處。在前級間段內部沿周向均布8處配重塊安裝接口，實際配平過程中無法達到完全相對，只能選擇與之相近的合適位置安裝配重塊，配重塊按0.5 kg遞增，直至橫向質心滿足要求為止。前級間段的橫向質心配平流程見圖6。

圖6 前級間段配平流程

2.5 結果復驗

為保證配平的正確性，在配平完成后，將前級間段沿箭體軸線方向旋轉一定角度，若實測的橫向質心依然在要求的范圍內且坐標位置接近，則可進一步驗證配平結果的有效性。由于箭體坐標系依然與前級間段維持狀態相同，固連在工裝上的三個傳感器在箭體上的位置則發生了變化。本工裝選擇將前級間段沿箭體軸向旋轉150°的方法重新安裝定位銷，得到復查坐標系中各傳感器的位置坐標，如表2所示，坐標系中傳感器的坐標位置示意圖如圖7所示。

圖7 復查坐標系中傳感器的坐標位置示意圖

表2 坐標系中各傳感器的位置坐標

在實際總裝過程中，實測的級間段配平前后橫向質心的相關位置如表3所示。在誤差允許的范圍內，所得結果趨向于一致，且配平后的結果和檢查結果顯

表3 前級間段實際配平數據

示的質心偏移方向相同，配平結果滿足要求。

3 結語

針對我國新一代中型運載火箭的飛行需求，我們提出了其級間段配平的一種具體的操作方法，并設計了一款用于級間配平的工裝設備。在實際生產過程中，對我國新一代中型運載火箭的橫向質心進行了配平，使其橫向質心達到飛行要求，保證了前級間段的順利拋離，為飛行中級間分離的圓滿完成奠定了堅實的基礎，并且隨著我國新一代中型運載火箭的首飛成功，本配平方法也得到了充分的驗證。