運載火箭氣液連接器鎖緊及解鎖方案技術探討

常 新，張振華，楊澤濤，甄恩發，王建秋

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引 言

現代運載火箭在發射準備階段與地面設備存在大量氣、液管路，某些管路與箭上相連至火箭起飛。現役火箭設置大量箭地接口設備用來箭上增壓和推進劑加注，氣液連接器作為運載火箭與地面氣液管路間的關鍵接口設備，工作可靠性直接影響火箭發射流程。

目前氣液連接器都設置有鎖緊機構用來實現連接器與箭上接口的可靠鎖緊，并且在火箭起飛前或者火箭起飛時實現連接器脫落[1]。在推進劑加注過程中連接器鎖緊可靠可防止推進劑發生泄露，保證了加注過程的安全性。連接器的鎖緊裝置是連接器的核心部件，需要有針對性的研究來確保連接器工作的可靠性。不同鎖緊裝置的力學環境和使用范圍不同，現役運載火箭很多選用低溫推進劑，箭地接口處溫度很低，需研究可在低溫下鎖緊可靠的鎖緊機構[2]。針對目前發射場無人值守的研究預期，連接器的鎖緊裝置需可適應自動對接和推進劑緊急泄出后的二次對接[3]。針對某些加注連接器的特殊性，連接器需要零秒脫落，則需要研究可適應零秒脫落的鎖緊機構。

本文對氣液連接器的典型鎖緊方式進行調研和分析，氣液連接的鎖緊裝置可大致分為鉤爪式、球鎖式、拉斷分離式和爆破解鎖式4種類型。總結每種鎖緊方式的特點和技術難點，對各自鎖緊機構進行力學分析，總結鎖緊力和解鎖力的影響因素，并對各方案就鎖緊脫落可靠性、安全性、低溫適應性以及自動對接和零秒脫落適應性等方面進行對比分析，為后續新研連接器鎖緊機構提供參考。

1 連接器鎖緊及解鎖方案研究進展

1.1 鉤爪式方案

鉤爪式鎖緊機構廣泛應用于運載火箭氣液連接器，其運動機構簡單有效，可提供較大鎖緊力。且對于低溫連接器，鉤爪分離力大能夠保證較好的破冰能力。大部分鉤爪式鎖緊機構通過氣缸提供運動動力，鎖緊脫落氣缸便于標準化與通用化，可用于不同口徑的連接器。本文通過一種典型鉤爪式鎖緊機構來具體闡述其工作原理。CZ-5運載火箭設置了低溫高壓氦氣連接器，用來向火箭貯箱提供氦氣[4]。該連接器采用鉤爪式鎖緊機構，具體結構形式如圖1所示。

圖1 冷氦連接器結構Fig.1 The Structure of the Connector which Transports Cold Helium

連接本體外側設為套筒活塞，其周圍是活動氣缸、拉桿端蓋、鎖緊鉤等組成的運動部件，具有使連接器與箭體插座實施鎖緊與自動脫落的功能。該連接器的鎖緊主要通過活動氣缸作用拉動拉桿，使得鎖緊鉤繞銷軸順時針轉動，與鎖緊鉤相連的螺釘壓緊端蓋；解鎖時氣缸推動拉桿，使得鎖緊鉤繞銷軸逆時針轉動，螺釘與端蓋分離脫落。

鉤爪式鎖緊結構形式多樣鎖緊可靠，且解鎖方式簡單可靠性高。不同于上述冷氦連接器，還可以將解鎖氣缸單獨放置在連接器外側周向布置遠離低溫本體，在結構布局上避免低溫導致氣缸漏氣。鉤爪式結構在連接器解鎖時容易與箭上活門發生鉤掛發生故障，在設計時需考慮連接器脫落過程中鎖脫鉤的運動包絡問題。且連接器與箭上接口的密封比壓來自鎖脫鉤的鎖緊力，需嚴格計算氣缸的供氣壓力和結構尺寸。

1.2 球鎖式方案

球鎖式鎖緊機構同樣廣泛應用于國內外運載火箭氣液連接器，其運動機構較為復雜，可提供很大鎖緊力。大部分球鎖式鎖緊機構通過氣缸提供運動動力，在實際應用中球鎖有多種結構形式，但鎖緊與解鎖原理相同。部分連接器周向分布多個小球鎖進行鎖緊，另一部分連接器通過中央大球鎖鎖緊。本文通過2種典型球鎖式鎖緊機構來具體闡述其工作原理。

美國土星Ⅴ運載火箭S-Ⅱ級LH2、LOX加泄自動脫落連接器采用了球鎖鎖緊結構，如圖2所示。

圖2 球鎖結構Fig.2 The Structure of the Ball-lock Mechanism

球鎖對接時，先拔出解脫銷，球鎖機構解鎖（鋼珠處于自由狀態）。把插座插入與火箭連接的鎖緊環中，松開解脫銷在彈簧作用下向右移動，迫使鋼珠卡入鎖緊環的凹槽內實現球鎖鎖緊。氣動解鎖時，從A處通入壓縮氣體，使脫落活塞右移，在活塞桿反作用力下使得解脫銷向左移實現球鎖解鎖，然后使球鎖機構和連接器一同彈出脫落。若氣動解鎖方式失效，則用機械方法向左拉動解脫銷，同樣可以實現球鎖解鎖。通常使用鋼索牽引解鎖銷脫落作為冗余解鎖措施，以提高球鎖解鎖的可靠性。球鎖式鎖緊結構形式多樣鎖緊可靠，結構較為復雜但適用性廣。球鎖鎖緊機構具有冗余解鎖的特性，通常正常解鎖為氣動解鎖，機械解鎖為冗余解鎖方式，部分球鎖機構還設置削弱結構，在前兩種解鎖方式都失效的情況下強制拉斷解鎖。球鎖解鎖機構由于結構較為復雜容易發生卡滯等故障，尤其在低溫環境下若機構內部結冰則很容易卡死，其破冰能力較弱。球鎖機構應用范圍廣泛，可用于中國未來主推的集成化氣液組合連接器。

1.3 拉斷分離式方案

拉斷分離式連接器無鎖緊機構，在連接器關鍵受力部位設置削弱結構。在火箭起飛時會使削弱部位應力集中而斷開從而實現箭上部分與地面部分分離。本文通過一種典型拉斷分離式結構來具體闡述其工作原理。圖3為一種用于加注液體推進劑的連接器的結構示意[5]。

圖3 拉斷式連接器結構Fig.3 The Structure of the Pull-separate Connector

連接器本體結構見圖4，火箭點火時，拉拽連接器本體向上運動，使連接器本體繞彎矩結構形成破壞彎矩。破壞彎矩的應力集中在削弱槽部位導致本體斷裂從而實現分離。

圖4 連接器本體削弱結構Fig.4 The Structure of the Weakened Part of Connector

拉斷分離式方案結構簡單易實現，可用于箭體尾端箭地連接設備，也可作為一種連接器冗余解鎖方式。拉斷分離結構可用于零秒連接器，這種解鎖方式只通過削弱槽部位解鎖，在長時間低溫介質傳輸工況下結構易產生冷脆，如果削弱結構提前斷裂會造成危害。

1.4 爆破分離式方案

爆破解鎖式方案在箭地連接部位設置爆炸螺栓。在火箭起飛時用火工品點火實現爆炸螺栓破裂，從而實現箭上部分與地面部分分離。本文通過一種典型爆破解鎖式方案來具體闡述其工作原理。

航天飛機氫排氣起飛脫落系統主要由連接器、冗余解鎖裝置、真空硬直管、零秒支撐機構和回收減速機構組成[6]。氫排氣起飛脫落系統構成如圖5所示。

圖5 航天飛機氫排氣起飛脫落系統Fig.5 Space Shuttle Hydrogen Exhaust Off System

正常解鎖回收：飛行器起飛后，通爆炸螺栓點火系統對火工品進行點火，實現爆炸螺栓的破裂，使得連接器總成與火箭接口的分離。其中共設置兩處爆炸螺栓，一處位于連接器，保證連接器與箭上接口的連接，另一處位于回收裝置的鎖定機構，未爆破前回收裝置鎖定，支撐部分真空硬管重量。點火時兩處爆炸螺栓通過一路點火控制系統同時進行點火，同時爆破。

冗余解鎖回收：若爆炸螺栓未能正常點火，則通過冗余解鎖裝置，將爆炸螺栓拉斷，實現解鎖。冗余解鎖結構由牽引索、配重等組成。航天飛機向上運動時，通過牽引索拉動配重向上運動，當配重運動到T-0鎖結構上設置的冗余解鎖配重限位點后，停止運動，牽引索產生對爆炸螺栓的拉力，最后拉斷爆炸螺栓，實現連接器總成解鎖。連接器總成設置有下落減速機構，為一種滑輪組加配重的形式。整個機構設置了備保脫落，直管的作用除了作為零秒擺桿外，還可以作為二次解鎖機構。相當于高空的插拔連接器，直接靠火箭向上的力量將連接器拔出來。

爆破式解鎖方案主要通過火工品對爆炸螺栓點火來實現，解鎖方式簡單可靠性高。這種解鎖方案對連接器的防爆性能和爆炸螺栓的回收方式有較高要求，并且需精確計算爆炸螺栓的剪斷力避免出現解鎖失效，且火工品點火裝置的控制裝置需做好防護。

2 連接器鎖緊及解鎖方案技術分析

2.1 鉤爪式方案

鉤爪式方案以典型的冷氦連接器為例進行力學分析，鎖緊時以連接器整體為分析對象，受力情況見圖6。連接器氣缸鎖緊腔持續供氣，供氣壓力通過氣缸的套筒活塞、固定架、螺釘、鎖脫鉤、本體、密封圈等零部件傳遞至箭上接口密封榫面。氣壓力同時通過氣缸筒體、頂盤、銷軸、鎖脫鉤等零部件傳遞至箭上接口法蘭背面。鎖緊狀態下復位彈簧處于自由狀態不施加彈簧力。

圖6 冷氦連接器鎖緊狀態受力Fig.6 The Force Condition of the Connector which Transports Cold Helium

鎖緊腔的鎖緊力為

式中P鎖工為鎖緊工作壓力。

鎖緊腔的面積為

式中1D，D2分別為鎖緊腔外徑與內徑。鉤爪式鎖緊機構的鎖緊力與鎖緊工作壓力和鎖緊腔面積相關，在設計時需校核鎖緊鉤等關鍵受力零件的強度。

2.2 球鎖式方案

球鎖式鎖緊機構通過鋼球與球頭環形槽配合實現鎖緊，在球鎖鎖緊狀態時，球鎖機構受力較復雜。球鎖機構鎖緊狀態下的力學模型見圖7，以鋼球為分析對象進行力學分析并求出球鎖機構的力平衡方程。

圖7 球鎖機構鎖緊狀態受力Fig.7 The Force Condition of the Ball-lock Mechanism

式中F為鋼球受力合力；a為3F與球鎖軸向夾角；n為鋼球數量。球鎖機構的受力較為復雜，與球鎖的結構（鋼球個數、鋼球孔夾角）和箭地分離載荷有關。在設計球鎖機構時要考慮球鎖的承載能力、鎖緊力和球鎖各零件的強度。

2.3 拉斷分離式方案

拉斷分離式結構主要通過在箭地連接部位設置削弱結構，在火箭起飛會使削弱部位應力集中而斷開從而實現箭上部分與地面部分分離。

削弱槽實際拉斷力與分離結構的材料、削弱槽尺寸相關，分離結構的材料決定了其抗拉強度bσ，削弱槽尺寸決定了結構的實際拉斷力F。在設計削弱結構時，需根據設計拉斷力大小進行選材和結構設計，若削弱槽實際橫截面積為S，需滿足：F/S≥bσ。在設計過程中選定材料后需先進行試件生產并做拉斷試驗來確定該批次材料的實際抗拉強度，然后再用同一批次材料、相同的熱處理方法來生產削弱結構，并且削弱結構需進行拉斷試驗與拉斷力設計值進行對比，不斷優化削弱槽尺寸來達到設計要求[7]。

2.4 爆破分離式方案

爆破式解鎖方案為箭地部分通過爆炸螺栓進行連接，爆炸螺栓結構見圖8，內部裝有炸藥和點火器。當火箭點火時，點火器引燃炸藥使剪切鎖被剪斷。

圖8 爆炸螺栓結構Fig.8 The Structure of the Explosive Bolt

爆炸螺栓的材料決定了其抗剪強度τ，爆炸螺栓剪切鎖厚度d決定了結構的實際剪斷力F。在設計爆炸螺栓結構時，需根據設計剪斷力大小進行選材和結構設計，需滿足：F/d≥τ。實際剪斷力需通過控制火工品的爆炸產生的推力，需經過多輪試驗迭代確定火工品爆破方式和爆炸螺栓的結構。

2.5 方案對比分析

通過對4種典型鎖緊及解鎖方案的典型案例分析和技術分析，明確了4種方案的工作原理和應用場合。對比分析4種方案的特點和應用場合，整理見表1。

表1 連接器鎖緊及解鎖方案對比Tab.1 Comparison of Connector Locking Schemes

鉤爪式方案在火箭發射過程中存在脫落時與箭上接口鉤掛的故障模式，但其在鎖緊時工作可靠，安全性較高。鉤爪式鎖緊方案已應用于低溫連接器，如冷氦連接器、液氧加泄連接器等。鉤爪式連接器可用于自動對接，在鎖緊鉤打開時通過連接器的導向桿進行定位定向。鉤爪式鎖緊機構由于其結構形式不可用于零秒脫落。

球鎖式方案在機構運動時容易出現卡滯的故障，在球鎖設計時需考慮冗余解鎖方案。球鎖結構鎖緊時通過周向均勻分布的鋼球可提供穩定的鎖緊力，鎖緊可靠。球鎖式鎖緊方案已應用于低溫連接器，如芯一級液氫加泄連接器、氫緊急排氣連接器等。球鎖式結構可應用于自動對接，球鎖自對中能力強。球鎖式結構可用于零秒脫落，在火箭起飛時擺桿拉動球鎖外套實現解鎖。

拉斷分離式方案在低溫下容易發生冷脆斷裂，適用于尾端連接器。由于該方案無鎖緊機構，則無法進行自動對接。拉斷分離式結構可用于零秒脫落，在火箭起飛時使削弱部位應力集中而斷開從而實現箭上部分與地面部分分離。

爆破解鎖式方案通過爆炸螺栓破裂實現箭上部分與地面部分分離，由于爆炸螺栓存在解鎖單點故障，所以在進行方案設計時需考慮冗余分離措施。目前該方案只在國外連接器系統應用，中國還在研究階段，需通過大量試驗來驗證該方案的可靠性。

2.6 長征五號運載火箭連接器鎖緊方式分析

長征五號運載火箭（以下簡稱CZ-5）所涉及的連接器口徑較大，可進行大流量加注，在加注過程中要求鎖緊可靠。通過分析總結，CZ-5運載火箭連接器的鎖緊方式主要為鉤爪式和球鎖式。其中液氧加泄連接器、冷氦連接器為鉤爪式鎖緊方案，氣管連接器、液氫加泄連接器、煤油加泄連接器和氫緊急排氣連接器為球鎖式鎖緊方案。由此可看出中國現役連接器以這兩2種鎖緊方式為主，并且具有了鎖緊與脫落分離可靠、可低溫加注等優點。分析歸納CZ-5運載火箭連接器鎖緊方式的特點有：a）鉤爪式和球鎖式鎖緊方案都可用于低溫加注，且加注過程安全可靠；b）球鎖式鎖緊方案可用于零秒脫落，球鎖式鎖緊機構可用于主動解鎖也可用于被動強制解鎖；c）鉤爪式鎖緊方式用于側壁連接器，球鎖式鎖緊方式既可用于側壁連接器，也可用于尾段插拔式連接器；d）球鎖式鎖緊機構可實現冗余解鎖，提高解鎖可靠性。

通過總結分析CZ-5運載火箭連接器的鎖緊方案，可直觀有效地歸納出中國現役運載火箭連接器鎖緊機構的發展現狀和特點。對比分析不同鎖緊方式的特點和優劣，有利于更深入地剖析不同鎖緊方式的適用工況和使用邊界。

3 結 論

本文對運載火箭氣液連接器的鎖緊及解鎖方案進行調研分析，總結出4類鎖緊及解鎖方案，并通過具體連接器應用來分析每種方案的特點。針對4種類型的鎖緊方案進行技術分析，對各自鎖緊機構進行力學分析，總結鎖緊力和解鎖力的影響因素，并從設計的角度出發來分析每種方案需考慮的因素。

通過4種鎖緊及解鎖方案的原理技術分析，對比各自方案的特點和應用場合，對各方案就鎖緊脫落可靠性、安全性、低溫適應性以及自動對接和零秒脫落適應性等方面進行對比分析，并總結CZ-5運載火箭典型連接器鎖緊方案及其特點。

通過總結現役連接器鎖緊及解鎖方案的特點和技術原理，為后續新研連接器鎖緊及解鎖機構提供參考。