新型運載火箭芯一級發動機垂直對接裝配方案設計

國 冰，孫 偉，趙鴻飛，申定賢，張志博

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津，300462）

0 引言

液體運載火箭發動機機架采用對接螺栓與總體接口相連接，發動機與總體接口的對接裝配質量直接影響火箭飛行過程中發動機向箭體結構的傳力性能。因此在火箭總裝過程中設計合理的工藝方案保證發動機對接裝配質量十分關鍵。

某火箭芯一級采用發動機雙機并聯結構，與其他型號發動機相比質量更大、與總體接口更加復雜。沿用現役火箭發動機的水平對接裝配方案難點有：a）與總體接口復雜，主對接螺栓需穿過“L”型鋼板等5層光孔，最后與球窩座上螺紋孔相連，螺栓徑向裝配調整余量小；b）發動機約5 t，水平對接時機架徑向變形較大，對接孔難以找正；c）尾段及后過渡段殼體對接接口剛度不一致，水平對接時殼體徑向變形不一致，對接孔難以找正。綜上所述，需設計新的方案以降低對接裝配難度，確保對接裝配質量。

1 總體分析

發動機機架及尾段殼體等在水平對接時由于自身重力作用會產生徑向變形，導致對接孔找正困難。選用垂直對接方案時重力沿箭軸方向作用，可避免因發動機機架及尾段殼體等徑向變形引起的對接裝配困難。

1.1 對接裝配順序分析

根據火箭各部段對接裝配相關性和現場作業連續性進行分析：

a）發動機與尾段、后過渡段完成垂直對接裝配，形成發動機組合體（以下簡稱組合體）；

b）組合體垂直吊離對接裝配工位，完成與水平停放的前段箭體的對接裝配。

1.2 限制條件分析

根據箭體結構在對接裝配過程中的使用工況和對接工位的選擇進行分析：a）發動機及箭體結構受力情況；b）總裝廠房工藝布局；c）操作過程的技安要求。

1.3 設計原則

方案設計時依據以下原則：a）安全可靠，充分考慮方案的可靠性和現場操作的安全性；b）可操作性強，現場工藝實施性好，操作方便。

本文從以上各方面綜合考慮，梳理關鍵點，開展方案設計。

2 垂直對接裝配方案設計

為滿足發動機、尾段和后過渡段在垂直對接裝配和組合體翻轉工況下，受自身重力和吊具拉力時的箭體結構強度需求、剛度需求以及支撐和吊裝需求，與火箭結構總體專業協調設計，形成可行的方案。

在發動機垂直吊裝及組合體支撐方案中，通過吊具結構的優化設計減小發動機機架徑向變形；支撐裝置與尾段采用螺栓連接，并采用防傾倒設計確保對接裝配過程的安全性和可靠性。

在組合體垂直吊裝和翻轉方案中，借用后過渡段前端框的對接孔和全箭后吊點完成組合體的垂直吊裝；借用尾段的發射支座和全箭后吊點完成組合體的翻轉。

基于這一方案共梳理出垂直對接裝配關鍵技術3項，組合體起吊翻轉關鍵技術2項，操作方法與流程關鍵技術3項。

2.1 發動機垂直對接裝配關鍵技術

2.1.1 發動機垂直吊裝方案

發動機機架為焊接桿系結構，剛度較差，在徑向力的作用下易發生變形，導致對接孔與總體接口找正困難。針對該問題優化吊裝方案設計，吊具采用正八邊形框架結構吊梁，通過8條垂直的吊鏈與發動機機架凸塊相連接。采用該方案時機架只受重力和垂直向上的拉力，不受徑向力，機架徑向變形小。具體方案如圖1所示。

圖1 發動機垂直吊裝吊具Fig.1 Engine Spreader for Vertical Hoisting

吊裝時單根吊梁的受力情況及斷面尺寸如圖2所示，載荷及材料參數如表1所示。經強度校核安全系數為2.5，在安全范圍內。

圖2 單根吊梁受力簡圖（單位：mm）Fig.2 Stress Sketch of Single Suspenion Beam

表1 吊梁載荷及材料參數Tab.1 Load and Material Parameters of Suspenion Beams

利用激光跟蹤儀測量8組發動機對接孔吊裝前后的徑向距離，得最大差值為-0.010 9 mm，表明該吊裝方案不會產生額外的發動機機架徑向變形。變形量最大的一組吊裝孔測量結果如表2所示。

表2 發動機對接孔吊裝前后徑向距離變化Tab.2 Radial Distance Change of Engine Docking Hole

2.1.2 殼段垂直吊裝方案

后過渡段與尾段殼體均為薄壁加筋結構，徑向剛度較差。為減小吊裝過程中對接框的徑向變形，吊具采用單根橫梁，通過2條垂直的吊鏈及轉接件與殼段對接框上的對接孔相連接。采用該方案時對接框只受重力和垂直向上的拉力，不受徑向力，徑向變形小。

利用激光跟蹤儀測量8組后過渡段及4組尾段對接孔吊裝前后的徑向距離可得最大差值分別為0.000 9 mm和0.018 4 mm，表明采用該吊裝方案時對接框產生的徑向變形較小。變形量最大的一組對接孔測量結果見表3、表4。

表3 后過渡段對接孔吊裝前后徑向距離變化Tab.3 Radial Distance Change of Rear Transit Section

表4 尾段對接孔吊裝前后徑向距離變化Tab.4 Radial Distance Change of Tail Section

2.1.3 組合體支撐方案

支撐裝置在滿足承重要求的前提下采用組合式設計方案，單個支撐裝置由1個大立柱和3個小立柱組成，大、小立柱可在6個方向組合連接，具備支撐高度調節和防傾倒功能。選取尾段發射支座作為組合體支撐裝置與箭體結構的連接接口，發射支座與支撐裝置采用螺栓連接。支撐裝置結構見圖3。大、小立柱設計參數見表5。

圖3 組合體支撐裝置Fig.3 Support Device of Engine Assembly

表5 大、小立柱設計參數Tab.5 Design Parameters of Large and Small Columns

2.2 組合體起吊翻轉關鍵技術

2.2.1 組合體垂直吊裝方案

進行組合體起吊翻轉首先需將組合體垂直吊離支撐裝置至翻轉工位。垂直吊裝時采用3點起吊方案：a）后吊點借用2個全箭吊點；b）前吊點采用專用起吊板與后過渡段前端框相連。各吊點與吊鏈轉接件均采用轉動銷軸連接，為后續組合體的翻轉工作提供翻轉軸。吊具方案如圖4所示。

圖4 組合體垂直吊裝吊具Fig.4 Spreaders for Lifting Engine Assembly Vertically

前吊點的起吊板與后過渡段前端框對接孔相連，為確保箭體結構強度滿足使用工況，經與箭體結構設計核算，起吊板與端框用8個材料為30CrMnSiA的定位螺栓連接可滿足使用要求。起吊板及定位螺栓結構見圖5。

圖5 起吊板結構Fig.5 Structure of Spreader Adapter Plate

為確保吊裝過程吊具安全，對圖5中的轉接件進行強度校核。轉接件吊耳尺寸見圖6，載荷及材料參數見表6。

圖6 起吊板結構Fig.6 Structure of Lifting Lug

表6 吊梁載荷及材料參數Tab.6 Load and Material Parameters of Lifting Lug

經受力分析確定A-A截面為危險截面，強度校核如下：

式中σA為截面A處的拉應力；Q為計算載荷；S為轉接件厚度；R和d分別為轉接件外圓半徑和圓孔內徑。

由式（1）得σA=3.6 MPa。

式中n為安全系數；σS為材料屈服強度。

由式（2）得n=231.9 MPa，在安全范圍內。

2.2.2 組合體翻轉方案

組合體翻轉在組合體從支撐裝置吊裝至翻轉工位后進行，翻轉時選取2個全箭后吊點的軸銷為翻轉軸（該處吊具與垂直吊裝時相同），經箭體結構設計核算，可由2個與發射支座相連的吊鏈提供向上的拉力完成翻轉作業。翻轉方案見圖7。

圖7 組合體翻轉吊具Fig.7 Spreaders for Reversing Engine Assembly

與發射支座連接的吊鏈采用1個吊軸和2個轉接件的組合實現沿軸向和徑向2個自由度的轉動，以適應翻轉過程中組合體連續變化的傾斜姿態，同時使吊具安裝操作更加簡便、安全。吊具與發射支座連接結構見圖8。翻轉吊具轉接件與垂直吊具轉接件結構和材料保持一致，吊裝時載荷也保持一致，強度滿足需求。

圖8 吊具與發射支座連接結構Fig.8 Connecting Structure Between Spreaders and Rocket Body

2.3 對接裝配流程與操作方法設計

2.3.1 對接裝配流程設計

發動機垂直對接主要步驟包括：尾段支撐、組合體垂直對接、組合體垂直吊裝、組合體翻轉與前段箭體對接。綜合考慮廠房天車航向、吊裝方案、箭體吊點位置等限制因素，組合體與前段箭體的俯視布局關系如圖9所示。

圖9 組合體和前段箭體的俯視布局Fig.9 Layout of Engine Assembly and Front Rocket Body

綜合分析吊裝方案及各限制因素，充分考慮操作的簡便性和安全性，進行對接裝配流程設計，具體流程見圖10。

圖10 發動機組合體和前段箭體的俯視布局Fig.10 Docking Assembling Process of Engine Assembly

2.3.2 發動機與尾段吊裝試對接方案

組合體垂直對接前需先將發動機垂直吊裝與尾段進行試對接，采用固定在尾段對接孔的導向螺栓實現發動機下落過程中對接孔的找正。吊具、發動機機架凸塊與尾段的位置連接關系見圖7。

圖11 吊具、發動機機架凸塊與尾段的位置連接關系Fig.11 Connection Relationship Between Spreaders and Rocket Body

2.3.3 主對接螺栓裝配方案

組合體主對接螺栓穿過的“L”型鋼板上同時安裝有徑向螺栓，為確保對接裝配順利，先將“L”型鋼板與尾段進預裝配，“L”型鋼板與尾段連接螺栓暫不擰緊，預裝配時“L”型鋼板沿徑向向外張開。后過渡段吊裝下落時通過主對接螺栓的導向結構找正對接孔，最后調整“L”型鋼板完成主對接螺栓的裝配?！癓”型鋼板裝配關系見圖12。

圖12 “L”型鋼板裝配關系Fig.12 Assembly Relationship of L-shaped Steel Plate

3 試驗驗證

采用該方案完成了兩次芯一級發動機的對接裝配工作。試驗表明發動機與總體接口對接裝配處工作正常，驗證了該方案的正確性。

試驗結果表明，該垂直對接裝配方案有以下優點：

a）發動機、尾段、后過渡段吊裝、翻轉一次性完成，過程中吊具及箭體結構正常，證明吊裝方案及吊具設計的正確性；

b）采用垂直對接裝配能有效減小發動機機架及殼段對接框徑向變形，使對接孔找正簡單易行。

4 結束語

通過對裝配需求、限制條件等綜合分析，設計了合理的吊裝方案和對接流程，并對操作方法進行了優化設計，實現中國液體火箭發動機垂直對接裝配，經試驗驗證了方案的正確性。結果表明采用垂直對接裝配方案可有效減小發動機機架及殼段對接框徑向變形，降低對接難度、提高裝配質量。該方案對未來中國大型及重型火箭發動機對接裝配提供了寶貴經驗。