零秒脫落連接器可靠性設計及指標驗證

王鳳金，王愛偉，曹繪娜，張國勝

零秒脫落連接器可靠性設計及指標驗證

王鳳金，王愛偉，曹繪娜，張國勝

（北京航天發射技術研究所，北京 100076）

實現零秒脫落連接器高可靠的要求。在產品設計中系統地開展可靠性設計與分析工作，進行設計方案優選以及設計方案優化，提高連接器的固有可靠性水平。通過分析確定連接器的薄弱環節及其可靠性特征量，并據此制定可靠性試驗方案，驗證連接器可靠性水平。通過對可靠性試驗數據進行評估，在規定的試驗條件下，零秒脫落連接器發射任務可靠度的單側置信下限值滿足規定的可靠性指標要求。通過將可靠性設計與分析工作融入產品工程設計過程中，在設計階段有效地確保了連接器固有可靠性的實現。可靠性試驗方案合理、可行，有效地降低了樣本數量及試驗成本。為相似產品的可靠性設計驗證工作積累了工程經驗。

零秒脫落連接器；高可靠；可靠性設計與分析；可靠性驗證

氣液連接器是運載火箭動力系統與地面推進劑加注、供配氣系統的連接接口設備[1-4]，在火箭發射準備過程中，用于可靠輸送推進劑、壓縮氣體等。20世紀研制的運載火箭氣液連接器[5-6]均在火箭點火前脫落，而新一代運載火箭[7-8]基于發射流程需求，對部分氣液連接器提出了零秒脫落的要求，它需要連接器在火箭點火后保持對接、持續工作，火箭起飛一定高度后，確認發射流程不可逆時才能脫落。零秒脫落連接器在與火箭分離時發射流程已不能終止，一旦不能脫落，則可能造成箭體損傷，甚至火箭爆炸或飛行失敗[9-12]。因此，零秒脫落連接器的可靠性至關重要，而且對某零秒脫落連接器提出的任務可靠性指標高達0.999 9，可靠性要求高。

考慮到零秒脫落連接器的研制沒有可借鑒的先例，尤其是針對一次性使用、小子樣、高可靠的非電產品的可靠性試驗研究較少，因此如何有效地應用可靠性系統工程理論確保產品高可靠性的實現與驗證，是零秒脫落連接器研制過程中亟待解決的問題。為此，本文開展某零秒脫落連接器可靠性設計及指標驗證研究，通過可靠性設計與分析工作，進行設計方案優選，以及設計方案優化，提高連接器的固有可靠性水平。采用尋找計量型可靠性特征量代替計數型特征量的思路，提出可靠性試驗方案，驗證連接器的可靠性水平。

1 可靠性設計與分析

1.1 設計要求

零秒脫落連接器需要滿足發射任務期間可靠連接和密封，向箭上輸送多路壓縮氣體，火箭起飛時適應火箭起飛滾轉和振動，在多路高壓供氣帶載工況下可靠脫落，脫落后不碰撞火箭等設計要求。任務可靠性指標為0.999 9。

1.2 設計方案優選[13-15]

在零秒脫落連接器設計方案的論證過程中，首先考慮采用提前脫落連接器應用較為成熟的球鎖結構來實現連接器的對接鎖緊、起飛隨動、脫落功能，提出了2種設計方案，如圖1所示。

根據零秒脫落連接器的工作流程和使用要求，采用FMECA方法[16]分析得到連接器在發射任務剖面下主要的故障模式為：連接器泄漏量超標、零秒不脫落，即可以認為連接器的任務可靠性由密封可靠性、脫落可靠性2部分組成。

方案A采用普通組合接頭+2個球鎖的結構，來應對多路高壓組合密封時供氣分離力較大的情況，可以實現連接器密封的功能；方案B采用供氣分離力較小的平衡接頭+中心球鎖的結構來實現連接器多路高壓組合密封的功能。考慮到2種方案都能可靠地實現連接器密封的功能，因此，下面僅對2種方案的脫落可靠性進行比較。

圖1 設計方案

2種方案連接器的脫落功能均由球鎖實現，通過將球鎖解鎖拉桿一端固定，依靠火箭點火起飛時的上升運動帶動連接器上升，實現球鎖的解鎖，使連接器和火箭分離。方案A的2個球鎖需要同時解鎖才能實現連接器脫落，方案B的單個球鎖解鎖即可實現脫落。在假設除球鎖外其他結構對連接器脫落影響相同的情況下，令代表單個球鎖的解鎖可靠度，則方案A與方案B的脫落可靠性模型分別為：A=2，B=。當∈[0,1]時，A－B=(?1)<0，即A

1.3 設計方案優化

為進一步提高連接器的可靠性，在設計過程中對可能引起災難性后果的故障給予了足夠的重視，針對連接器脫落異常的故障事件開展了FTA工作[17]，尋找導致該故障事件的最基本原因，以便采取措施，對連接器的設計方案進行優化改進。依據連接器脫落異常的頂事件自上而下逐級建樹，故障樹如圖2所示，底事件見表1。

圖2 “連接器脫落異常”故障樹

表1 “連接器脫落異常”故障樹底事件

Tab.1 Bottom event of fault tree of "connector separating abnormally"

采用下行法對故障樹進行定性分析（見表2），得到9個一階最小割集：{X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}。

表2 下行法求解最小割集

Tab.2 Downward method for finding minimal cutset

在設計階段要想把頂事件的發生概率降至最低，則需要使每個最小割集中至少有1個底事件恒不發生（或發生概率極低）。因此，分別對每個一階最小割集進行設計改進，所采取的措施見表3。

通過故障樹定性分析，發現了中心球鎖式連接器的設計薄弱環節，對球鎖卡滯的故障模式采取了冗余解鎖措施，形成了中心球鎖式、拉斷銷脫落冗余的連接器設計方案。當球鎖出現卡滯故障后，可通過拉斷銷強制解鎖，連接器脫落可靠性高，該連接器設計方案具有較高的可行性。

表3 針對最小割集的改進措施

Tab.3 Improvement measures for minimal cutset

2 可靠性指標驗證

2.1 可靠性試驗要求

在試驗樣本有限（參試樣本最多提供3臺）的情況下開展可靠性試驗，實現對連接器發射任務可靠性指標的驗證。

2.2 可靠性試驗方案設計

連接器為一次性使用（執行一次發射任務后就報廢）的機械產品，由于其可靠性指標要求很高，如果按成敗型試驗方式來驗證可靠性指標，則需要大量的試驗樣本，難以滿足型號研制進度與試驗費用的要求。針對連接器一次性使用、可靠性指標高、試驗子樣少、使用條件復雜、機械類產品的特點，采用尋找計量型可靠性特征量代替計數型（成敗型）特征量的思路[18-19]，開展了可靠性試驗方案的設計研究，制定了綜合試驗剖面，驗證連接器是否滿足預定的可靠性指標要求。

2.2.1 可靠性特征量及可靠性試驗設計參數的確定

可靠性特征量是指能夠衡量產品可靠性水平的可檢測的隨機變量。首先根據FMECA結果，確定對連接器功能實現具有致命性影響的薄弱環節為零秒脫落環節，其相應的可靠性特征量為脫落次數，特征量分布類型為威布爾分布。

可靠性試驗就是再現產品規定功能實現能力的過程。基于確定的連接器薄弱環節及其可靠性特征量，在本試驗方案中以連接器脫落試驗為主要試驗內容。在試驗過程中對連接器的對接鎖緊、密封性、脫落等各項功能性能進行檢測。若試驗過程中出現檢測結果不滿足規定功能性能要求的情況，均判定連接器出現故障。由于連接器脫落環節采取了冗余設計措施，為了減少試驗樣本數量，節約試驗費用，不再分別考核球鎖解鎖脫落和拉斷銷強制拉斷脫落這2種方式的可靠性，不論連接器以何種方式脫落，均視為脫落成功。

采用服從威布爾分布的定時截尾試驗方法進行試驗設計，在試驗過程中，責任故障數為0的條件下，按式（1）計算得到可靠性特征量的試驗值。

式中：為可靠性置信下限；0為單次發射任務中連接器對接、脫落次數；為威布爾分布的形狀參數；為參試產品的個數；為總有效試驗次數；為置信度。

試驗判斷規則：若試驗中責任故障為0，則連接器的可靠性滿足指標要求；否則，連接器的可靠性不滿足指標要求，需要分析原因，采取改進措施。

2.2.2 可靠性試驗剖面設計

制定可靠性試驗剖面的主要工作在于確定試驗中施加應力的類型、施加應力的量級、施加應力的時間、施加應力的順序等[20]。

在可靠性試驗中，應盡量對參試產品施加模擬真實使用工況的環境條件。由于連接器安裝在火箭尾端面，連接器脫落時，火箭發動機噴管位于連接器下方，此時燃氣流不直接沖刷連接器，對連接器的沖擊力很小；連接器脫落后，當噴管高于連接器時，連接器才承受燃氣流的直接沖刷和高溫燒蝕。考慮到連接器為一次性使用的產品，燃氣高溫燒蝕后就報廢，因此在可靠性試驗方案中不再考慮火箭發射時燃氣流的影響。由于連接器需要在火箭點火起飛時脫落，為供氣帶載脫落，并且存在火箭點火后的振動、滾轉、漂移等復雜的工況，考慮到連接器為機械結構類產品，對溫度、濕度等自然環境條件不敏感，結合工程可行性，確定可靠性試驗中施加的綜合應力包括對接和脫落、供氣壓力、振動、球鎖解鎖拉索方向4種。試驗剖面如圖3所示。試驗期間，每隔個循環，對連接器的密封性能進行一次檢測。

圖3 零秒脫落連接器可靠性試驗剖面

1）振動應力。可靠性試驗中，振動應力的振動類型、振動量級、振動譜型、振動方向等采用型號在相關文件中規定的驗收級振動應力。單發發射任務中，連接器的振動時間依據實際發射任務流程確定。

2）供氣壓力，連接器為多路組合供氣連接器，可靠性試驗中的供氣項目為型號在相關文件中規定的零秒供氣項目。供氣壓力依據連接器技術指標確定，并按“上限值→標稱值→下限值”循環變化施加。供氣持續時間不小于供氣壓力穩定時間，連接器脫落后停止供氣。

3）球鎖解鎖拉索方向，通過調整拉索與連接器球鎖軸向的角度，來模擬火箭起飛時的姿態偏轉。在可靠性試驗中，使拉索對球鎖的拉力方向偏離球鎖軸向的角度，按“I象限→II象限→III象限→IV象限”循環變化。

2.3 可靠性試驗結果

按照制定的可靠性試驗方案，進行了3臺連接器的可靠性試驗。試驗期間，連接器未發生責任故障，因此不需要采取改進措施使可靠性增長。

通過對可靠性試驗數據進行評估[21]，在規定的試驗條件下，3臺連接器的發射任務可靠度的單側置信下限值L>0.999 9，滿足規定的可靠性指標要求。

3 結語

1）從方案論證階段開始，將可靠性設計與分析工作融入到零秒脫落連接器的工程設計過程中，實現了設計方案的優選以及設計方案優化，在設計階段有效確保了連接器固有可靠性的實現。

2）通過分析確定連接器的薄弱環節及其可靠性特征量，并據此制定可靠性試驗方案，有效地降低了試驗樣本數量及試驗成本，并針對非電產品的特點創新性地對供氣壓力進行了拉偏，提高了試驗效率，試驗方案合理、可行，為小子樣、高可靠、機械產品的可靠性試驗方法的制定積累了工程經驗，具有較高的技術推廣意義。

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Reliability Design and Index Verification of Zero-second Separating Connector

WANG Feng-jin, WANG Ai-wei, CAO Hui-na, ZHANG Guo-sheng

(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing 100076, China)

The work aims to realize the high reliability of zero-second separating connector. First of all, the reliability design and analysis were carried out systematically in the product design, the design scheme was selected and optimized, and the inherent reliability level of the connector was improved. Then, through analysis, the weak links and reliability characteristic quantity of the connector were determined, and a reliability test scheme was formulated to verify the reliability level of the connector. Finally, through the evaluation of reliability test data, under the specified test conditions, the one-sided confidence lower limit of launch mission reliability of zero-second separating connector met the specified reliability index. By integrating the reliability design and analysis into the connector engineering design process, the realization of the inherent reliability of the connector is effectively ensured in the design stage. The reliability test scheme is reasonable and feasible, which effectively reduces the number of samples and test cost. In short, engineering experience has been accumulated for the reliability design and verification of similar products.

zero-second separating connector; high reliability; reliability design and analysis; reliability verification

V19

A

1672-9242(2023)01-0059-06

10.7643/ issn.1672-9242.2023.01.009

2021–10–03；

2021-10-03；

2022–01–13

2022-01-13

王鳳金（1985—），女，碩士，工程師，主要研究方向為通用質量特性技術。

WANG feng-jin (1985—), Female, Master, Engineer, Research focus: general quality characteristics technology.

王鳳金, 王愛偉, 曹繪娜, 等. 零秒脫落連接器可靠性設計及指標驗證[J]. 裝備環境工程, 2023, 20(1): 059-064.

WANG Feng-jin, WANG Ai-wei, CAO Hui-na, et al.Reliability Design and Index Verification of Zero-second Separating Connector[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(1): 059-064.

責任編輯：劉世忠