中心球鎖式零秒脫落連接器的設計與應用

胡亞濤，王愛偉，張振華，賀建華

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引 言

氣液連接器為地面加注、供氣系統與火箭動力系統氣液管路之間的連接接口設備，需要完成箭地之間氣液管路的對接、鎖緊、密封和解鎖、脫落等功能，在火箭射前或點火起飛后安全可靠脫落[1～5]。目前，中國傳統氣液連接器均為提前脫落（-2 min），因此-2 min后如出現較長時間推遲（超過3 min）發射、再次補加，點火后緊急關機及中止發射泄出工況，必須在短時間（CZ-3A系列約20 min）內返回現場搶險并手動完成箭地接口處理、連接器再對接等工作，其實施難度大、安全風險高，如不能按時完成上述工作，則可能因錯過發射窗口造成任務失敗，也可能因貯箱超壓造成危險。運載型號的推進劑具有易燃易爆特性、低溫貯箱帶壓且不定時的現場排放，給操作人員帶來極大心理壓力，并給操作人員、有效載荷、發射場等帶來重大安全隱患，稍有不慎就可能出現災難性事故。

中心球鎖零秒脫落連接器通過設置冗余拉斷措施，消除了球鎖不能正常解鎖的單點故障模式，并經過試驗驗證了其脫落可靠性，通過對其設計及應用情況的分析為類似產品的開發提供經驗。

1 連接器組成及原理

中心球鎖式零秒脫落連接器用于完成箭上各項供氣，起飛后脫落，連接器組成結構如圖 1所示。中心球鎖式連接器外觀如圖1a所示，其主要特點為采用了平衡式插頭，有效地減小了氣動分離力，并通過圓周方向管路合理的氣動分布盡可能地抵消了起飛脫落時的偏載，降低了中心球鎖卡滯的風險。

連接器通過支架安裝在發射臺支撐臂上，可隨支撐臂同步運動，安裝狀態如圖1b所示，其中連接器支架主要由支座、拉索、牽制索、限位索、牽制桿等組成。拉索連接支座及球鎖鎖芯，中間留出一定長度的松弛余量。當火箭起飛一定高度后，拉索拉緊拽動球鎖鎖芯，實現連接器中心球鎖的解鎖。根據連接器脫落高度及箭體起飛滾轉量，限位索及牽制索留出一定長度，連接器脫落后由限位索進行限位，防止連接器

運動包絡過大，保證發動機噴管留有足夠安全距離；箭體起飛到一定高度時，高溫、高壓燃氣流會作用到連接器及支架上，此時牽制索可保證連接器不被燃氣沖擊吹飛，碰撞其它地面設備。

圖1 中心球鎖零秒脫落連接器Fig.1 Zero Second Separating Connector with Central Ball Lock

2 設計分析及試驗驗證

2.1 冗余拉斷設計

由于中心球鎖零秒脫落連接器要求帶載脫落，如果發生卡滯不能正常脫落可能造成箭體損壞，因此設計時采取了冗余拉斷措施，從而消除球鎖不能正常解鎖的單點故障。冗余拉斷試驗如圖2所示。冗余拉斷主要由拉斷銷完成，拉斷銷中部加工圓弧槽結構達到削弱拉力、控制斷力作用，其裝配方式如圖2a所示。在正常解鎖失效情況下，拉斷銷被動拉斷，完成連接器與箭體的分離。設計拉斷銷的削弱尺寸時，需要綜合考慮箭上結構承力及連接器對接、解鎖性能，從而保證拉斷力在合理范圍內，而且材料、熱處理、加工精度對拉斷力均有一定影響，最終須經理論計算及拉斷試驗迭代驗證。整機拉斷試驗如圖2b所示，連接器與箭上插座對接好后，拉力機一端固定拉索，一端固定箭上接口，由拉力機向上運動，完成連接器整機狀態的冗余拉斷，拉斷后的拉斷銷狀態如圖2c所示。

圖2 冗余拉斷試驗Fig.2 Redundance Tension Test

2.2 解鎖力設計分析

連接器對接鎖緊是由對鎖緊螺母施加鎖緊力矩實現的，鎖緊力矩過大會使拉斷銷額外受力，影響正常的冗余措施；鎖緊力矩小無法達到對接密封的要求，或者在起飛振動時可能發生提前脫落的故障。為保證合理的解鎖力，擰緊力矩的確定需經過帶載脫落試驗及可靠性的驗證，脫落試驗如圖3所示。

圖3 脫落試驗Fig.3 Separating Test

起飛解鎖過程力的傳遞關系為：拉索拉緊→克服正常解鎖力，或者拉索拉緊→正常解鎖失效→冗余拉斷（正常解鎖失敗），相應的零件依次為拉索→鎖芯→拉斷銷。點火后至連接器脫落階段，拉索會受到一定的燃氣流引流作用，經計算分析，引流負壓產生的解鎖干擾力為43 N小于連接器正常解鎖力400～1200 N（解鎖力與解鎖速度，密封圈是潤滑情況，解鎖時帶載情況等相關，因此有一定的離散度），因此連接器不會提前脫落；拉索拉斷力（不小于22.5 kN）大于連接器正常解鎖力及拉斷銷拉斷力（13.6～15 kN），可以保證連接器正常及冗余拉斷，各力的相互關系如圖4所示。

連接器支架包含拉索、限位索、牽制索3種鋼絲繩索具，拉鎖承擔起飛拉直、連接器解鎖作用；限位索安裝在限位桿內，承擔著連接器脫落后對連接器進行限位、防止其甩擺范圍過大、碰撞噴管（連接器脫

落時，噴管仍位于連接器下方，隨著起飛高度增加，噴管沿高度方向接近連接器）的作用；牽制索的強度大于拉索及限位索，用于火箭起飛一定高度后，燃氣流直接作用到連接器上時，對連接器起牽制作用，防止連接器在高溫、高壓燃氣流作用下被吹飛、碰撞、損壞其它地面設備。

圖4 受力關系示意Fig.4 Force Relationship

3種鋼絲繩索的拉緊順序為：先拉索、再限位索、最后牽制索，如果拉緊順序錯誤會造成無法正常解鎖，損壞箭上接口。因此要求這3種鋼絲繩索松馳量的關系為：起飛跟隨高度＜拉索松馳量＜限位索松馳量＜牽制索松馳量。考慮安裝及測量誤差，各松馳量間需留有一定余量，如起飛跟隨高度要求90 mm時，松馳量依次為90 mm、150 mm、180 mm。

另外，鋼絲繩索尤其是解鎖拉索的安裝及松馳量的設置還需考慮由于垂調及加注過程箭上尾端面的高度變化，防止產生剛性約束或由于松馳量設置過小造成誤解鎖。

2.3 脫落可靠性驗證[6，7]

為驗證中心球鎖零秒脫落連接器的脫落可靠性，設計了脫落可靠性驗證系統[8]，主要由振動臺、模擬接口、脫落機構、供氣系統組成，如圖5所示。

圖5 脫落可靠性試驗Fig.5 Separating Reliability Test

試驗過程中，模擬接口固定在振動臺上，提供起飛環境的振動量級；脫落機構帶動連接器完成起飛跟隨及帶氣脫落。3種連接器各完成振動帶氣脫落試驗168次，包括X，Y，Z 3個方向各56次；完成非振動帶氣脫落試驗662次，共計830次。試驗中連接器起飛隨動100 mm，漂移量55 mm，連接器氣密、脫落正常。

連接器脫落可靠性特征量服從威布爾分布，產品發射任務可靠度的單側置信下限評估公式為

式中 t0為由產品在發射任務中的動作次數；ti為每套產品的試驗次數；f為試驗過程中的故障數；n為試驗投試產品數；2 f +2)為自由度為(2 f + 2)的卡方分布，可查表得到。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（1）計算得到產品發射任務可靠度的單側置信下限值為0.999 956 3。

3 應用情況

中心球鎖零秒脫落連接器經過了真實發射工況的考驗，密封、脫落性能均達到設計要求。通過高速攝影相機捕捉到起飛過程連接器的跟隨、脫落過程，如圖6所示。

圖6 連接器起飛跟隨、脫落過程Fig.6 Following and Separating Process

續圖6

火箭點火后，如圖6a所示，在起飛振動工況下，連接器與箭上接口對接良好，此時箭體支腿仍然在支承臂托盤上，火箭未起飛；開始起飛后，箭體支腿向上離開支承臂托盤，連接器適應起飛滾轉、漂移并跟隨箭體向上運動，箭地接口繼續保持對接狀態且連接器與供氣管路連接狀態良好，如圖6b所示；當箭體起飛高度達到拉索松馳量設定值時，連接器完成起飛跟隨過程，順利脫落，脫落后限位索拉緊，連接器距離噴管仍有較大安全距離，如圖6c所示，整個起飛、跟隨、脫落過程在1 s內完成；發射后狀態如圖6d所示，連接器及鋼絲繩索雖然均有一定程度的表面燒蝕（連接器為一次性使用產品），但整體仍系固良好。

中心球鎖式零秒脫落連接器的應用，解決了傳統連接器提前脫落后無法滿足火箭-2 min后可能出現的如緊急關機、中止發射等各種工況需求；其采用冗余拉斷方式，提高了脫落的可靠性，保證了箭地接口安全可靠分離；通過合理設置鎖緊力，解決了起飛振動、燃氣流干擾等難題，保證了連接器正常的對接及起飛時隨動和脫落；通過設置拉索的松馳量，可在一定高度范圍內完成起飛跟隨。

對于零秒連接器的設計和應用來說，如有類似球鎖的鎖緊機構應有一定的防松措施，防止起飛振動下鎖緊失效，造成提前脫落；零秒連接器一般安裝于箭體尾端面，起飛時不受燃氣流的直接作用，但會受到一定的引流作用及較大熱流輻射，設計時也需要經過分析及驗證；連接器下方管路長度應有一定的余量，起飛時能隨連接器一起運動；應盡量減少脫落時持續供氣的路數，減小高壓氣造成的偏載，影響正常解鎖；鋼絲繩拉索為解鎖的關鍵點，首先要保證其質量，出廠前均須進行加載試驗；現場安裝時各鋼絲繩索的松馳量必須保證正確，連接螺栓也應采取一定防松措施。

4 結束語

中心球鎖零秒脫落連接器可適應起飛時箭體滾轉、漂移，并能跟隨箭體起飛一定高度，出現緊急關機時仍能保持可靠對接、密封，無需人員進行現場搶險處理及二次對接。連接器采用了冗余拉斷設計，提高了脫落可靠性。連接器研制和成功應用為后續類似產品開發提供了有利的依據和經驗，具有較高的技術推廣意義。