運載火箭連接器總體方案技術探討

王愛偉，劉忠明，范 虹，張振華，王 南

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引言

運載火箭在發射準備過程中，與地面設備間存在大量的氣、液、電管線（臍帶）通過連接器連接。根據火箭正常測試發射流程，及推遲發射、故障處置總體需求，大部分連接器管線一直工作到火箭點火前，甚至火箭確認起飛時（已點火）才與火箭分離，此時人員已經撤離現場，連接器必須現場無人值守、遠控自動脫落。如果連接器不能按時、可靠脫落，就會貽誤發射，甚至導致發射失敗。因此高可靠性、安全性、任務適應性的氣液連接器（涵蓋電路）是實現火箭安全可靠的重要保障條件。本文對國內外氣液連接器對接、脫落及防護總體方案技術進展進行分析及總結。

1 運載火箭連接器研究進展

1.1 美 國

通過對美國土星Ⅴ、航天飛機、X-33、大力神、宇宙神系列等型號的箭地連接器[1,2]對接、脫落及防護總體方案分析可見：

a）美國為減少連接器的數量，在各個型號大量應用了組合式連接器，將氣液電管線以多種組合形式集中到最少數量的組合板。

土星V運載火箭S-II級電氣及非燃性氣路管線組合連接器包括44路氣路、電路和一路空調管，當火箭起飛至離開發射臺19 mm才自動脫開；航天飛機尾端側面、X-33尾端底部的LH2、LO2組合連接器，分別包括低溫氫、氧加注口及多路供氣供電接口組合。圖1為X-33 LH2組合連接器示意（圖示為側面支承試驗狀態，實際應用為底部支撐）。

b）組合連接器對接脫落總體方案有：連接器底部插拔徑向密封滑動連接、固定標高支撐（水平少量位移隨動）方式；連接器與箭上接口固定連接，對接裝置彈性隨動，起飛前連接器解鎖，火箭上升運動拔出脫落方式；連接器水平方向彈射脫落，吊桿、平衡臂等機構懸掛縮回方式。勤務臂（擺桿）前端的連接器對接裝置形式有水平可伸縮臍帶臂、平衡臂式吊掛臍帶裝置、升降平臺可伸縮臂等形式。

c）連接器脫落總體方案以零秒脫落方式應用居多，其次為臨射前自動脫落、不再對接方式，提前脫落自動對接方式應用較少。為實現可靠自動脫落，基本具備兩種以上互為冗余的脫落措施，連接器強調快速但不一定自動對接。單一連接器主要為空調連接器、緊急低溫連接器，相比零秒低溫連接器（區別于緊急，僅指正常加排連接器）質量較輕，通常不設置擺桿。

圖1 X-33LH2組合連接器示意Fig.1 Knockdown Connector of X-33 LH2

土星V火箭總體方案為底部為3個零秒脫落連接器及服務塔；側面9根擺桿，其中4根擺桿為射前8 s前動作（高度最低的S-IC氧加連接器可在5 min內再次對接），其余5根擺桿為連接器零秒脫落（1 s內完成）后動作，按高度由低到高分別在6.4～9 s快速擺回。航天飛機集中設有尾端氫加、氧加零秒脫落組合連接器及服務塔，外掛貯箱零秒脫落氫排組合連接器及勤務臂；X-33底部分別設有氫加、氧加零秒脫落組合連接器及服務塔。宇宙神5活動發射平臺與發射工位設施間應用了自動對接連接器。21世紀以來為適應技術發展需求，研究了遠程智能臍帶對接系統，自動對接地面臍帶連接器系統（應用于戰神1火箭二級，需人工輔助對接、零秒脫落）。

土星V側面應用了零秒脫落連接器及擺桿技術，零秒組合連接器通過組合板上的萬向接頭與擺桿上的平衡臂相連，具有多重解鎖冗余措施，首先氣動推桿為主要解鎖方式，再為液壓缸作動拉索解鎖，然后為火箭起飛被動張緊解鎖，以上解鎖方式均失效時球鎖強制拉斷。同時應用了一種零秒脫落緊急排氣連接器，通過氣動及機械冗余解鎖，正常發射流程時內部無低溫推進劑通過，分離時可不考慮低溫對它的影響。

圖2為航天飛機尾部服務塔布局，服務塔內部的臍帶臂通過連桿對接支撐臍帶板，繞底部樞軸旋轉回收臍帶板，然后護罩旋轉關蓋防護，低溫連接器通徑達254 mm，多采用真空絕熱形式，以防止漏熱及水汽凝結結冰；當采用非真空絕熱形式時，也采用有效的隔熱措施及用干燥的氮氣或氦氣對連接器吹除以防止結冰。德爾塔4也采用了尾部側置服務塔，箭地接口位于斜側面。

圖2 航天飛機Fig.2 Space Shuttle

圖3 所示宇宙神火箭上面級采用多個零秒脫落連接器示意，零秒低溫連接器需要輔助支撐及快速回收通常設置簡易擺桿，空調連接器不設擺桿，能夠簡化火箭與發射支持系統總體方案。

圖3 宇宙神火箭連接器示意Fig.3 Connector of Atlas Launch Vehicle

1.2 俄羅斯

俄羅斯旋風號、天頂號火箭采用了組合連接器自動對接脫落技術，回收至防護塔防護。以天頂號為例，其采用的錐桿-傘式導向定位機構簡單而實用，在一級箭體的尾端側面設置有兩個對稱布置的對接裝置，工作模式有全自動、手動遙控模式，連接器二次對接可在5 min內完成。1984年蘇聯在拜科努爾發射場發生了一次火箭爆炸事故，由于采取了自動對接加注技術，避免人員在現場，僅發射工位被毀，無人員傷亡。俄羅斯的火箭臍帶裝置有多種電、氣、液組合化形式，重視自動對接及安全性。海射天頂號3SR具有高度自動化的發射系統，由于火箭臍帶裝置組合化，25條燃料管線和3500條電路在2.5 min內就能自動連接好。

聯盟號二級采用了零秒脫落連接器及擺桿，如圖4所示，擺桿為縱向擺開式，相比水平擺桿無需設置臍帶塔，具有獨到之處；為減少接口數量，采用內外分層的連接器同時對多貯箱進行加注。新型安加拉火箭二級采用了零秒脫落連接器、水平擺桿。

圖4 聯盟號火箭連接器Fig.4 Connector of Soyuz Launch Vehicle

1.3 法 國

法國阿里安V為了在二級火箭正常加泄連接器脫落后，火箭推遲發射時應急處置，設置了零秒脫落緊急連接器，空調連接器同樣采用無擺桿零秒脫落方案。芯一級的所有加泄、排氣及供氣連接器均位于箭體尾部，在火箭點火后脫落防護，其中低溫連接器為拉斷式。阿里安V火箭高空及尾部連接器如圖5所示。

圖5 阿里安V火箭連接器Fig.5 Connector of Ariane V Launch Vehicle

阿里安V火箭采用的快速脫落組合連接器，已成系列產品，組合連接器由定位機構、鎖緊與脫落機構、氣電液管線等組成。上面級（芯二級）貯箱箭地加注、供氣系統接口設置有兩個組合化的快速脫落連接盤（組合連接器），液氧系統的組合連接器由液氧加注活門以及氧箱測壓、增壓、放氣等48項供氣接口組成，液氫系統的組合連接器由液氫加注活門以及氫箱增壓、測壓、放氣活門等供氣接口組成，組合連接器在火箭起飛前4 s自動脫落，由連接器伸縮機械臂完成對接支撐、快速脫落回收。

1.4 日 本

日本H-2A、H-2B火箭的一級火箭尾部氫氧低溫管路采用兩套自動對接系統，為垂直升降對接及分離方式。自動對接系統使液氧和液氫連接器在不到0.5 h內分別和箭上管路接通，對接系統分離后回收至防護塔進行防護。二級火箭仍有擺桿式臍帶連接系統，整流罩設置了無擺桿零秒脫落空調連接器。

1.5 中 國

中國長征系列運載火箭在役型號連接器[3,4]均為氣或液單體產品形式，上箭使用數量達37個以上，僅供氣項目進行多路集中，無組合氣液連接器及自動對接連接器應用，連接器以提前手動脫落、臨射前自動脫落方案以及零秒脫落方案為主，新型運載火箭按照液氫加注無人值守、緊急故障不上人處理要求，采用了零秒脫落、提前脫落的箭地連接器總體方案。

根據脫落時機，手動提前脫落的為常溫推進劑連接器；臨射前自動脫落的為氫氧低溫加排連接器、冷氦連接器[5]以及氣管連接器；零秒脫落的連接器包括尾部液氫加排連接器、氣路插拔組合連接器[6,7]，高空氫緊急排氣連接器、空調連接器等。芯一級液氫加排連接器（射前3 min球鎖解鎖后由對接裝置支撐）以及支撐式插拔連接器，在火箭起飛時直接脫拔分離，其余零秒連接器依靠球鎖鎖緊脫落，具備冗余脫落措施以保證脫落可靠性。

中國運載火箭技術研究院在“八五”期間、新型運載火箭及重型運載火箭預研階段對低溫連接器組合技術及自動對接關鍵技術進行了較為深入的研究驗證，其它型號研制配套單位對連接器自動對接技術及氣液連接器也有開展技術研究[8,9]。

2 連接器總體方案技術分析

氣液連接器根據所輸送介質、溫度、功能等要求的區別而存在不同的結構形式，根據總體測試發射流程，特別是脫落時機要求差異，連接器總體方案也存在不同的對接、分離及防護技術形式。氣液連接器根據介質種類的不同，通常分為常溫與低溫供氣連接器、常溫與低溫加泄排氣連接器、空調連接器；根據脫落時機及功能不同，分為提前手動對接脫落、提前自動脫落、零秒自動脫落、自動對接脫落連接器等形式。通常低溫連接器及其自動對接技術最為復雜，能夠覆蓋常溫加排連接器、供氣連接器技術。

a）根據火箭測試發射流程及脫落時機要求，低溫貯箱相連的氣液連接器需完成射前推進劑補加，動力系統增壓、測壓、吹除等工作，因而連接器臨射前、甚至火箭起飛后才能脫落；低溫加注過程存在危險性，為避免火箭延遲發射補加或泄出推進劑再對接時的危險，因而低溫加注階段的氣液連接器通常為無人值守、臨射前或點火時自動脫落狀態，且必須確保可靠脫落。

b）氣液連接器無人值守自動脫落方案主要有：火箭確認起飛后的零秒脫落連接器方案，提前脫落自動對接連接器方案，以及提前脫落、不再自動對接方式。零秒脫落連接器有直接插拔式、拉斷式，球鎖氣動及機械冗余解鎖脫落方式，脫落后不再自動對接。

c）國外運載火箭型號為減少單體連接器數量以及對接裝置、擺桿或防護塔設置數量，普遍采用組合式連接器，提前自動脫落、零秒自動脫落及自動對接方式均有。

d）對于低溫基礎級（芯一級及助推）底部連接器總體方案，自動對接技術及零秒脫落技術在基礎級均有應用，主要在于發射臺表面容易設置對接防護裝置。自動對接技術以俄羅斯天頂號為代表；基礎級零秒脫落連接器技術以美國航天飛機、法國阿里安V為代表，總體上強調連接器快速可靠脫落不一定具備自動對接功能，因而零秒脫落連接器應用居多。

e）對于上面級（除基礎級）連接器總體方案，多采用推進劑正常加排通路提前脫落和緊急泄出排氣通路零秒脫落的方案，以及零秒脫落連接器及擺桿方案，自動對接技術應用較少。提前脫落連接器通常設置擺桿進行回收，國外提前脫落連接器及擺桿通常臨射前才動作，如阿里安V伸縮臂為臨射前4 s，土星V擺桿為8 s、12 s，中國提前的時間裕度大些。零秒脫落連接器方案應用相對較多，如美國土星V、宇宙神系列、德爾塔4，俄羅斯聯盟號，連接器脫落后通常設置擺桿快速擺開，單一的零秒緊急連接器及空調連接器重量較輕通常不設置擺桿。

f）連接器防護方案有防護塔防護、擺桿擺開以及不防護方式。基礎級底部、側面及斜側面的連接器一般在發射臺設置防護塔，側置及底置式的立式、臥式自動對接及零秒脫落連接器及防護技術方案均有應用；上面級多采用擺桿擺開及零秒脫落不防護方式。采用擺桿方案要考慮風載、熱脹冷縮、載荷變化等引起的火箭及擺桿相對位置變動，連接器一般采取主動鎖緊，管路及回收裝置隨動方式。

3 連接器無人值守方案比較

火箭的總體方案決定了氣液連接器系統的復雜性，直接影響擺桿及防護塔的方案選擇。根據火箭測試發射流程及任務可靠性、安全性需求，目前對于低溫液體火箭的普通共識為以低溫推進劑加注及緊急情況處理無人值守為目標。

為實現連接器無人值守，有自動對接低溫連接器、零秒脫落低溫連接器（正常加排）、正常加排通路提前脫落及緊急泄排通路零秒脫落連接器3種主要技術方案（涵蓋組合連接器及供氣連接器）：

a）自動對接低溫連接器相比零秒脫落連接器會增加對接系統的復雜性，技術實現難度較大，擺桿上的動態自動對接技術更為復雜。自動對接連接器提前脫落任務可靠性高，但須解決好連接器脫落后的破空、防結冰，再次自動對接的密封性及工作可靠性。

b）火箭底部零秒脫落低溫連接器具有成熟的技術應用經驗；上面級零秒脫落低溫連接器通常需設置零秒動作擺桿，工作時段及時間緊張，可靠性要求高，需采取可靠的快速冗余脫落措施及多重擺開措施，技術實現難度略大，連接器及擺桿故障均會影響火箭發射任務成敗、風險大。

c）上面級正常加排通路提前脫落及緊急泄排通路零秒脫落連接器方案，能夠實現正常加排通路連接器提早脫落，緊急故障處置情況不上人。相比其它兩種方案，需額外設置零秒緊急泄出或排氣連接器，避免了在擺桿應用自動對接連接器技術，火箭點火時零秒脫落連接器數量較少、且在常溫下脫落，是比較折中的方案。

根據氣液連接器總體方案論證原則，盡量繼承或借鑒現有成熟可靠或已應用的連接器技術方案；能夠提前脫落的連接器盡量提前脫落，減少火箭點火時零秒脫落連接器數量，以提高發射可靠性、安全性。連接器工作可靠為首要考慮因素，氣液連接器總體方案策略為：當自動對接低溫連接器及零秒脫落低溫連接器均技術成熟、試驗可靠時，基礎級火箭綜合可靠性、系統復雜性等因素擇優選用自動對接或零秒脫落連接器方案；上面級優選推進劑正常加排通路提前脫落和緊急泄排通路零秒脫落的連接器方案，其次為自動對接低溫連接器，最后為零秒低溫加排連接器及擺桿方案，技術成熟時方可應用。

4 結論

國外連接器總體方案的發展特點為：a）普遍應用組合連接器、零秒脫落連接器、自動對接連接器，一個火箭同時應用以上多種連接器，總體方案呈現組合化、自動化、集成化。b）通過組合連接器減少連接器數量，以及服務連接器的對接裝置、防護塔及擺桿數量；c）零秒脫落連接器能夠確保火箭應急處置時無需再次對接連接器，避開技術難度較大的自動對接連接器方案；d）自動對接連接器則可以提前脫落，減少火箭點火時脫落的連接器數量，實現火箭高可靠性和安全性。

連接器采用何種對接、脫落及防護總體方案，需要根據火箭型號總體方案的需求、特點確定，同時考慮各國的技術水平發展狀況，在型號研制時應充分借鑒國外連接器總體方案的技術發展特點。中國在役火箭氣液連接器以提前脫落方案及零秒脫落方案為主，今后組合化、大口徑真空絕熱的自動對接及零秒脫落連接器技術有待進一步研發，提高連接器的可靠性及自動化程度有利于提高火箭的可靠性、安全性、競爭力，具有重要意義。