尾翼封閉腔體抽鉚可行性試驗研究

錢偉，萬書會，邢厚旺，喬國華，李廣明，付三強，王子豪

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

0 引言

運載火箭是一種航天運輸工具，其負責將衛星、載人飛船和空間探測器等有效載荷送入預定軌道[1]。運載火箭尾翼一般位于箭體尾段或助推器上。尾翼是薄壁型構件[2]，在飛行過程中起到控制箭體飛行穩定，減輕控制系統壓力的作用[3-4]。隨著我國運載火箭發射任務的劇增[5]，火箭尾翼相比較其他部段而言需求量較大，一般單發火箭配置4個尾翼。某型號火箭尾翼呈扁平楔形狀，尾翼空腔寬度僅有156 mm，空腔深度為1500 mm。鉚接過程雙人配合，操作者需持長頂鐵首先借助輔助照明裝置用長頂鐵找準鉚釘部位，雙手施力頂緊后持槍者從蒙皮外部施鉚，鉚接過程極為困難，由于存在視覺盲區和頂鐵施力不均勻，易出現鉚接后鉚釘鐓頭高度不一致及鐓頭歪斜等缺陷，因此鉚釘鐓頭成形質量一致性較低且裝配效率較低。

單面抽鉚是解決尾翼封閉腔體鉚接的有效途徑之一。本項目以某型號運載火箭尾翼作為研究對象，開展火箭尾翼封閉腔體單面抽芯鉚接工藝可行性試驗研究。擬采用單面抽鉚代替現有傳統雙面鉚接工藝，對初選出的單面抽芯鉚釘（簡稱抽釘）進行力學性能試驗，驗證單面抽鉚工藝在火箭尾翼上應用的可行性。

1 單面抽鉚工藝及試驗方案制定

1.1 單面抽芯鉚釘選型研究

火箭尾翼主要由前蒙皮、上蒙皮、下蒙皮、肋板、梁等組成，尾翼主體結構組成如圖2所示。前蒙皮位于尾翼航向上端，與緣條、肋板、梁連接，直接承受氣流載荷的作用，連接強度大，表面氣動要求高，采用埋頭鉚釘連接。

圖1 尾翼蒙皮鉚接

圖2 尾翼結構示意圖

上蒙皮和下蒙皮主要承受飛行過程中氣動外壓載荷，為法向載荷，采用普通半圓頭鉚釘YC0894-88 φ3 2A10進行鉚接。單面抽芯鉚釘抽鉚接頭靜強度決定鉚接質量。通過直接試驗法來評價鉚接接頭力學性能，測試鉚接質量的優劣。通過調研國內現有單面抽芯鉚釘的類型，綜合考慮鉚釘邊距尺寸、鉚釘直徑、鉚釘成本等因素，擬選用Q/YSVF38φ3.2 QBA-S單鼓型平圓頭抽芯鉚釘替代尾翼現用YC0894-88 φ3 2A10半圓頭鉚釘，因二者力學性能相當，需進一步進行力學試驗驗證。

圖3 單鼓型抽釘

圖4 抽釘槍實物

1.2 試驗方案制定

本試驗采用Q/YSVF38 φ3.2×7（QBA-S）單鼓型平圓頭抽芯鉚釘與YC0894-88 φ3 2A10半圓頭鉚釘進行對比試驗。剪切和拉脫試驗的試件均使用規格為110 mm×40 mm的鋼板。尾翼飛行時承受氣流載荷作用，破壞形式為蒙皮與骨架剝離，如圖5所示。為研究尾翼蒙皮更換為單面抽芯鉚釘后的連接可靠性，設計相應的鉚接試驗件進行蒙皮剝離試驗，對蒙皮連接強度進行驗證試驗。

圖5 蒙皮與骨架剝離示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 剪切試驗結果分析

剪切測試后半圓頭鉚釘連接試件均在兩連接板的交界處發生剪切斷裂。單面抽芯鉚釘試件經剪切試驗后，同樣在兩連接板的交界處發生剪切斷裂，兩組鉚釘剪切試驗載荷-行程曲線分別如圖6、圖7所示。

圖6 半圓頭鉚釘剪切載荷-行程曲線

圖7 抽釘剪切載荷-行程曲線

綜合兩組剪切測試載荷-行程曲線可知，單鼓型平圓頭抽釘Q/YSVF38 3.2×7 QBA-S抗剪切載荷均值為2380 N，高于半圓頭鉚釘YC0894-88 3×7 2A10的剪切載荷值2273 N。

2.2 拉脫試驗結果分析

經過拉脫試驗，兩組試驗載荷-行程曲線及載荷值如圖8、圖9所示。半圓頭鉚釘YC0894-88 3×10 2A10的抗拉脫載荷均值為3634.80 N，高于單面抽芯鉚釘Q/YSVF383.2*7（QBA -S）的抗拉脫載荷均值2410 N。

圖8 半圓頭鉚釘拉脫載荷-位移曲線

圖9 抽釘拉脫載荷-位移曲線

2.3 剝離試驗結果分析

第一組剝離試驗選用半圓頭鉚釘YC0894-88 3×8 2A10。試驗件厚度為1 mm，試驗底座為2 mm，模擬蒙皮（厚度：1 mm）與肋板（厚度：2 mm）的剝離裝配，試件沿拉脫方向有3排鉚釘，每排2個鉚釘，拉脫初始狀態、每排鉚釘拉脫或斷裂時的狀態和試驗件最終狀態如圖10所示。

圖10 蒙皮與肋剝離狀態

每排鉚釘的拉脫載荷-行程曲線如圖11所示。

圖11 拉脫載荷-行程曲線

第二組剝離試驗抽釘選用Q/YSVF38 3.2×7（QBA-S）。試驗件厚度與試驗底座與半圓頭鉚釘剝離試驗相同。剝離試驗過程中第一排和第二排鉚釘失效時，板料均發生劇烈撕扯，并且前2排鉚釘只有1枚鉚釘被拉斷，其他鉚釘未發生破壞。由于材料大幅度的破壞導致第三排鉚釘的剝離測試無法繼續。剝離狀態如圖12所示。

圖12 蒙皮與肋剝離狀態

每排鉚釘的拉脫載荷-行程曲線如圖13所示。

圖13 剝離載荷-行程曲線

綜合最終剝離狀態及載荷-行程曲線可知，YC0894-88 3×8 2A10半圓頭鉚釘的載荷值整體大于Q/YSVF38 3.2×7（QBA-S）抽芯鉚釘的拉脫載荷值，但YC0894 -88 3 ×8 2A10半圓頭鉚釘均發生了斷裂，Q/YSVF38 3.2×7抽芯鉚釘試驗后僅有1個鉚釘發生斷裂，因此單面抽芯鉚釘的抗剝離性能較高。

3 結論

1）抽釘的抗剪切載荷均值（2380 N）略高于半圓頭鉚釘的剪切載荷均值（2273 N）。尾翼在使用過程中主要承受飛行法向壓力載荷和飛行過載，經試驗數據可知，抽釘可承受的剪切載荷和鉚接質量能夠滿足使用要求。

2）半圓頭鉚釘的抗拉脫載荷均值（3634.80 N）高于抽釘的抗拉脫載荷均值（2410 N）。尾翼飛行時法向壓力載荷作用于蒙皮外表面，蒙皮連接鉚釘不承受拉力，因此抽釘的抗拉脫載荷滿足使用要求。

3）經剝離試驗分析，半圓頭鉚釘均發生了斷裂，抽芯鉚釘試驗后僅有1個鉚釘發生斷裂，抽釘的抗剝離性較高。

4）綜合剪切、拉脫和剝離試驗數據，尾翼蒙皮的部分連接鉚釘可以替換為效率更高的單面抽芯鉚釘，但是所選擇的抽釘為首次使用，試片及試驗數據有限，需進一步進行工程驗證后再應用于產品。