運載火箭非火工分離機構技術發展與展望

王國輝，張宏劍，吳會強

(1. 中國運載火箭技術研究院，北京 100076；2. 北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引 言

航天運輸系統是人類開展航天系列活動的重要前提和基礎,是實現航天器發射和維護的重要保障,是進行開發和利用空間的重要載體,是人類社會進步的重要推動力量。航天運輸系統技術水平直接代表著國家實現自主進出太空的能力[1]。運載火箭是航天運輸系統中的主要組成部分,經過60多年的不斷發展,特別是隨著以長征五號、長征七號、長征八號為代表的新一代運載火箭陸續服役,中國運載火箭已形成了較為完備的產品系列,為中國載人航天、月球探測、火星探測與空間站建設等重大工程實施開展提供了有力支撐[2]。以運載火箭為代表的航天運輸系統,是建設航天強國的基礎,是落實國家創新驅動發展戰略,是實現“兩個一百年”發展目標的重大科技創新,對促進中國國民經濟建設、構建中國現代軍事力量體系、捍衛中國太空安全和國防安全具有重大意義[3]。中國運載火箭未來以重復使用、重型運載、載人登月與商業發射為主要發展方向[4]。運載火箭除實現運載功能外,還需實現可靠分離、重復使用、落區控制、商業發射、多星部署等多項新功能,以有效支撐大規模星座計劃、載人月球探測、載人火星探測以及地月空間經濟圈等任務[5]。

機構技術是運載火箭多功能化發展的重要支撐技術。運載火箭機構技術相較于常規機構在高可靠、高輕質、高適應、高效率等方面面臨更大的挑戰。以往運載火箭機構多用于實現火箭推力矢量控制、火工驅動星箭分離、載人逃逸整流罩分離、載人飛船罩內上下輔助支撐等功能實現[6]。隨著運載火箭復用化、商業化與智能化發展,機構能源形式更加多樣化、機構產品比例不斷提升、機構設計與運載火箭總體設計、智能設計、控制設計與動力學分析耦合性也不斷加強[7-11]。分離機構作為運載火箭使用最為廣泛、可靠性要求最高的產品,其技術發展直接影響運載火箭整體技術水平。運載火箭從單級到多級、從串聯到并聯、從一箭一星到一箭多星的發展過程,都伴隨著相關分離技術的發展與應用。本文從技術發展、技術特點、連接形式、驅動能源四個方面對運載火箭非火工分離機構發展進行綜述,對運載火箭非火工分離機構的發展趨勢進行展望,旨在為運載火箭非火工分離機構的創新發展提供參考。

1 運載火箭分離技術發展研究

如圖1所示,以長征五號運載火箭為例,在飛行過程中需完成包括助推分離、級間分離、整流罩分離與有效載荷分離等分離動作,較以往運載火箭具有分離體尺寸大、助推器推力高、級間分離行程長、整流罩剛度低等新特點,系統設計難度高,技術跨越大。分離系統直接決定運載火箭的綜合可靠性和飛行安全性,是長征五號火箭研制的核心關鍵技術[12]。

表1對國內外典型運載火箭助推分離、整流罩分離、級間分離與有效載荷分離方案進行了統計分析。以往一次性使用運載火箭多采用爆炸螺栓、低沖分離裝置、膨脹管等基于火工能源驅動的分離技術實現對應部位分離,分離能源除分離彈簧外,多采用分離火箭提供分離推力的技術方案。火工能源驅動的分離裝置具有承載能力大、作動迅速、分離可靠與環境適應性強等優點,但對應其多采用火工能源破壞結構形式的技術途徑,直接導致分離沖擊大、安全性差、污染嚴重、不可檢、不可測、不可重復使用等缺陷。隨著有效載荷和箭上精密儀器對運載火箭環境要求的不斷提高,研究人員也在火工分離裝置高安全、高可靠與低沖擊等方面開展相關工作。通過爆炸箔與激光等新式起爆炸點火技術提升藥劑使用安全性。采用雙分離面、雙元膨脹管、冗余導爆索或冗余爆炸螺栓提升分離整體可靠性。采用顆粒阻尼減振、點陣材料吸能、螺旋緩釋預緊與隔沖擊結構等技術抑制分離沖擊,并通過傳爆及內彈道精細分析技術開展火工分離裝置精確分析[13]。

表1 國內外運載火箭分離方案Table 1 Schemes of domestic and foreign launch vehicle separation

火工分離裝置成功使用幾十年,參與數百發運載火箭飛行任務,相關產品成熟度和可靠性較高,但由于產品采取一次性火工能源驅動形式,產品具有不可檢與不可測的特性。火工分離裝置為實現降低分離沖擊,從傳統爆炸螺栓類結構破壞式發展為低沖分離螺母火工驅動內部裝置作動式。雖然實現了分離沖擊的降低,但火工驅動能源散差偏大易造成火工分離裝置內部作動偏差大,產品性能一致性難以保證。火工裝置散差大與控制難度高的難點,也難以通過精確仿真分析技術和精細裝置機械產品設計予以克服。火工分離裝置的火工能源易造成環境污染,產品應用中還需涉及相關防護結構,進一步增加了分離系統的整體重量。火工品的使用、測試與維護也對運載火箭總裝總測提出了更多要求,對產品生產人員與靶場操作人員的安全性控制也提出了更高要求。火工分離裝置一次性使用也導致產品研制、系統試驗中相關產品的大量采購,一方面難以實現產品測試覆蓋有效性,另一方面也進一步提升了型號研制成本。

隨著航天商業化發展,大型互聯網星座等建設需求,有效載荷多樣化、密集化發射需求日益突出。如圖2所示,美國SpaceX公司已完成一箭143顆衛星發射任務。高密度、多樣式、組合化發射任務不僅分離動作更為密集,每個分離部位的可靠性與可檢測性要求也進一步增加。基于火工能源驅動的火工分離裝置已難以滿足此類發射任務的需要。過多火工裝置的密集排布,會對分離沖擊環境以及整體凈環境控制設計造成了更大的困難。

圖2 獵鷹9號B1058.5一箭143顆衛星[6]Fig.2 143 satellites on a Falcon 9 (B1058.5)[6]

在運載火箭多級發射、有效載荷多樣式發射技術發展同時,運載火箭復用化、運輸航班化也對分離機構提出了更多研制需求。如圖3所示,運載火箭在完成常規分離動作外,還需完成柵格舵等氣動控制部件連接分離、著陸機構或掛索機構等緩沖部件連接分離、降落傘或整流罩變剛度支撐機構連接釋放分離等面向運載火箭返回所需的相關分離動作。運載火箭返回采用降落傘氣動減速方案也需研制降落傘開傘相關分離動作執行機構。掛索類返回緩沖方案也需研制相關機構實現掛索飛行中可靠鎖定與返回時準備解鎖等分離動作。隨著運載火箭復用化與多功能化進一步發展,以星艦整流罩解鎖打開后還需關閉鎖定為代表的連—分—合多功能一體化分離機構也將成為未來運載火箭重要支撐技術。

圖3 運載火箭垂直返回過程柵格舵與著陸機構展開示意圖[5]Fig.3 Deployment diagram of grid fin and landing mechanism during vertical return of the launch vehicle[5]

綜上所述,面對運載火箭復用化、多功能化等發展趨勢,適應運載火箭需求的非火工分離機構是保證運載發射、深空探測、落區控制、返回復用等運載火箭任務的重要支撐技術,也是進一步提升運載火箭分離動作可靠性、安全性與測試性的必要技術手段。通過對國內外運載火箭分離裝置研制進展進行統計分析,本文對運載火箭非火工分離機構技術的研究進展進行綜述有助于研究人員了解非火工分離機構的最新發展動態,熟悉研究基礎,提升研制效率,為相關研究人員系統性開展運載火箭非火工分離機構技術研究提供參考意見。

2 運載火箭非火工分離機構技術特點分析

航天分離機構技術在衛星帆板、空間機械臂、空間交互對接、月球登陸及采用、火星登陸等領域已進行應用驗證,有力支撐了相關重大工程的順利實施,取得了一個又一個重大成就。岳洪浩等[14]對航天器非火工分離機構技術進行了系統綜述,提出面向航天器動作執行高精度、分離低沖擊、分離低成本、連分可重復等需求,航天器分離裝置也需提速推進由火工向非火工技術發展。近幾年面向中國空間站、探月與探火等重大工程,航天器非火工分離機構技術實現了跨越式發展,大量產品有力支撐了相關重大工程建設。中國在長征二號F載人運載狀態中,在整流罩多點連接分離方案中就采取了鎖鉤式分離機構,大幅提高了整流罩分離動作可靠性[15-16]。運載火箭分離機構技術雖在長征二號F逃逸機構、多款火箭星箭分離得以應用,但相對國外先進運載火箭、中國運載火箭非火工分離機構發展相對較晚。如表1所示,以SpaceX公司獵鷹9、獵鷹重型、超重星艦等為代表的新式運載火箭已實現箭體非火工分離機構全覆蓋[6,17]。運載火箭非火工分離機構技術相較于航天器非火工分離機構技術發展起步較晚。運載火箭非火工分離機構產品相對其他機構產品具有以下特點:

1)可靠性要求高:運載火箭分離機構可靠性直接影響運載火箭飛行過程中分離動作的可靠執行,是直接影響運載火箭飛行成敗或關鍵任務執行的重要因素。尤其針對載人運載火箭,其飛行可靠度指標需不小于0.97[18]。冗余設計、降額設計等可靠性設計、可靠性分析與試驗技術的應用都直接影響產品整體可靠性。分離機構工作過程機理復雜、系統有效預示和多參數系統控制難度大,產品設計對精確分析與試驗系統性要求高。

2)輕質化要求高:機構產品不僅需高效率實現功能動作執行,還需極限減少自身重量。產品自身重量的有效控制,一方面可以降低對驅動功率的需求,降低電機、電池等產品對應重量;另一方面可以降低機構的自身運動慣性,降低對控制等其它系統的要求。結構與機構所對應的結構系數提升是火箭運載效率提升的直接手段[19]。尤其對于火箭末級的分離機構,其重量以及對能源的需求對運載火箭發射能力與效率影響顯著。相對運載火箭結構僅需強度與剛度等要求,機構還需兼顧功能實現高效性、復用性與可靠性,對應輕質化設計因素多、工況多、難度大。

3)環境適應性要求高:與航天器分離機構不同,運載火箭分離機構主要在火箭飛行過程大過載、強振動、高低溫等復雜環境中執行相關動作,相關環境因素除對結構承載性能產生影響外,對機構整體運動功能、性能、效能影響性更為復雜。以星箭分離機構為例,不僅要滿足火箭發射過程中的大連接載荷工況,還需滿足分離過程對航天器的低沖擊作用。運載火箭飛行過程的氣動、振動、沖擊與高低溫環境也相對航天器工作環境更為復雜惡劣。

4)空間與能源利用率要求高:運載火箭分離機構設計中需充分利用火箭內部有限空間,多采用小型化零、組、部件以及密集型裝填裝配的設計形式。分離機構還需利用電源、氣源或液壓源等驅動能源才能實現功能。而運載火箭能源有限,因此分離機構設計中還需考慮運載火箭能源選擇與統籌利用能源輸出效率等約條件。

3 運載火箭分離機構技術發展研究

運載火箭分離機構是實現運載火箭中連接部件產生分離動作的機械裝置。分離機構一般具備連接(鎖定)與釋放(解鎖)兩項基礎功能,也可兼具解鎖后推離的附加功能。本章從連接形式與釋放驅動能源兩個方面分別對非火工分離機構技術發展進行分析。

如圖4所示,分離機構連接形式可分為單點獨立式、多點聯動式、線式與箱式四大類。單點獨立式包含拔銷式、分瓣螺母式、飛輪螺母式、球鎖式、卡爪式與變形式。多點聯動式包含連桿鎖鉤式、并聯鎖鉤式、串聯鎖鉤式、連桿抱抓式與內撐環轉塊式。線式連接有柔性包帶與剛性包帶兩種。箱式連接形式分為標準立方星式與非標準立方星式。

如圖4所示,分離機構驅動能源主要存在機械、電機、電磁、電熱、氣驅、液驅與智能材料七類。機械主要采用柱簧、碟簧等彈性元件儲備與釋放彈性勢能。電機主要采用步進電機、伺服電機、力矩電機等電機實現電能向部件動能的傳遞轉換。電磁多用于連接與釋放的觸發,通過通電狀態變化實現磁性連接狀態的控制。電熱主要采用電阻絲等加熱器將電熱轉換為熱能實現熱刀切斷或加熱熔化等解鎖形式。液壓多用于伺服等機構通過液壓缸、液壓泵等實現機構驅動。智能材料采用形狀記憶合金等材料實現對分離機構的解鎖觸發或小功率驅動。

圖4 分離機構連接形式和驅動能源示意圖Fig.4 Schematic diagram of the connection form and driving energy of the separation mechanism

3.1 分離機構連接形式

如表2所示,根據分離的兩體在連接接觸面的連接形式以及分離機構動作的關聯形式,分離機構的構型一般分為單點獨立式、多點聯動式、線式和箱式等連接形式。下面分別討論各種連接形式的特點。

表2 不同連接形式分離機構特點Table 2 Characteristics of separation mechanism of different connection forms

1)單點獨立式

單點獨立式分離機構,是指分離的兩體在連接接觸面上,通過分布的單點或多點進行連接,連接剛度不連續,每個連接處獨立實現解鎖功能的分離機構。單點獨立式分離機構內部的機構工作原理也有多種形式,根據分離功能執行機構的構型可分為:拔銷式、分瓣螺母式分離機構、飛輪螺母式分離機構、球鎖式分離機構、卡爪式分離機構和整體變形式分離機構等。單點獨立式分離機構的優點是使用靈活,可根據分離面形式、尺寸和載荷靈活布局;缺點是分離面整體連接剛度不高,分離面使用數量較多的分離機構時,分離面理論分離可靠性不高。

常用于載荷不大的分離面,如有效載荷分離、整流罩橫向分離、整流罩縱向分離等。

2)多點聯動式

多點聯動式分離機構,是指分離的兩體在連接接觸面上,通過分布的多點進行連接,連接剛度不連續,每個連接處通過機構聯動同步實現解鎖功能的分離機構。多點聯動是分離機構根據內部機構構型可分為:連桿鎖鉤式、串聯鎖鉤式、連續串聯鎖鉤式、內撐環翻轉塊式、并聯鎖鉤式、連桿抱爪式等。優點是分離面使用多個分離機構時,多個分離機構通過機構實現聯動解鎖,分離同步性高、分離可靠性高;缺點是分離面整體連接剛度不高,需要聯動機構,整體質量較大。常用于載荷不大且對可靠性要求較高的分離面,如有效載荷分離、載人運載火箭整流罩橫分離等。

3)線式

線式分離機構,是指分離的兩體在接觸面上,通過連續接觸線性連接,提供連續的連接剛度,并能實現解鎖功能的分離機構。線式分離機構根據其機構組成及特點主要包括:柔性包帶分離機構與剛性包帶分離機構兩種形式[20]。線式連接分離機構優點是連接剛度連續、承載效率高,一般采用不大于3處解鎖元件,即可實現整個分離面的分離,分離可靠性高;缺點是應用不夠靈活,對連接分離面連續性要求較高。常用于連接剛度要求高、接口形式相對固定、且對分離可靠性要求較高的分離面,如:大型有效載荷連接分離、多衛星與運載火箭整體連接分離等。

4)箱式

箱式分離機構,是指外形為箱體式的分離機構,被分離體放置在箱體內,并通過多個面與箱體接觸,通過箱體一側的艙門壓緊和釋放被分離體,通過內部的推板機構提供分離沖量的機構。箱式分離機構主要是用于立方體衛星分離的分離機構,能夠實現立方星的連接、解鎖與釋放功能。優點是星箭接口簡單、易于標準化、研制成本低;缺點是只能用于質量較小的微納衛星分離,只能用于通用接口的立方體衛星分離。常用于標準立方星或非標立方星的分離。

3.2 分離機構驅動能源

分離機構的驅動能源一般包括機械、電機、電磁、電熱、氣壓、液壓、智能材料等不同形式驅動能源。各種驅動能源的特點如下:

1)機械

機械能源是指利用彈性元件的彈性勢能提供直線和旋轉運動能量,主要包括圓柱螺旋彈簧、碟簧、平面渦卷彈簧等各類彈簧或彈性元件等。機械驅動結構簡單,不需外界能量輸入,環境適應性強,可靠性高。但機構分離沖擊較大,長期受力狀態下彈性元件容易發生蠕變松弛,影響輸出能力,對于長期服役、長期在軌類使用需重點關注。

2)電驅

電驅一般可分為電機、電磁、電熱等驅動形式。電機驅動可以實現較高的運動速度及精度,同時體積較小,綜合性能優異,但輸出能力相對較小。常用的驅動電機主要包括力矩電機、步進電機、直線電機、伺服電機等。力矩電機的機械特性較軟,可根據負載轉矩調節轉速甚至堵轉工作,其調速范圍大,力矩波動小,過載能力強,響應較快。步進電機的輸出性能與輸入脈沖嚴格對應,但其輸出的轉速和轉矩有限。直線電機可以節省一定的傳動環節,提高機構的傳動精度和動態響應性能,但控制較為困難。伺服電機采用閉環控制,其輸出速度、位置精度很高,響應快,抗過載能力強。

電磁驅動是指利用電流通斷控制電磁鐵吸附力的有無,一般只輸出力而無位移。電磁驅動的體積較小,輸出力較大,工作壽命長,動態性能好。但磁場隨距離衰減較快,電磁力只在較小范圍內起作用,且采用電磁驅動時需要解決電磁兼容問題,避免與周圍電磁環境相互干擾。

電熱方式是指利用液晶、低熔點材料等熱敏材料的特性制成熔絲或熱刀,通過電流產生熱量輸入及溫度變化進行驅動。電熱驅動方式輸出的力和位移有限,由于需要一定熱量累積,其作動時間較長,響應緩慢,性能一致性較差,且一般難以復位或無法重復使用。但其體積較小,分離沖擊小。

3)氣驅

氣壓驅動是指利用壓縮氣體對外做功進行驅動,常用的工作介質包括空氣、氮氣、氦氣等。氣壓驅動易于調節輸出性能、動作迅速、維護簡單。氣體黏性小,引起的流阻損失小。但由于氣體具有較大的可壓縮性,氣壓驅動受負載影響較大,難于精確控制。為獲得更高的驅動能力,需要提高工作氣壓,對機構密封也提出了對應要求。

4)液壓

常見的液壓驅動形式包括執行直線運動的液壓缸及執行旋轉運動的液壓馬達等。液壓驅動中通過調節流量控制速度,工作平穩、慣性小、剛性好、輸出力大、功率密度高,在相同功率下液壓馬達等驅動元件的體積和重量優于普通電機。但液壓驅動需要配置液壓泵等附屬系統,維護復雜,油液可能發生泄漏污染,進而影響系統可靠性,且液壓驅動對油溫和負載變化較為敏感。

5)智能材料

智能材料能夠感知外界刺激并根據自我判斷做出響應,是一種集結構和功能于一體的新型材料。具有自主變形、質量輕和柔性釋放等優點。基于智能材料研制的分離機構具有自我驅動的特點,因此結構被大幅度簡化。其緩慢變形、柔性釋放特性可有效避免火工裝置瞬間釋放所帶來的巨大沖擊。智能材料的可重復使用特性使得這類機構具備可檢可測性,有效提高了機構的可靠性。但是相比機械結構,智能材料的承載能力較低。目前這類機構的飛行案例有限,使用成熟度相對較低,同時,新材料的使用需要滿足空間輻照和溫度等環境因素的要求。各類分離機構能源的特點如表3所示,驅動性能如圖5所示。

表3 分離機構驅動能源特點Table 3 Characteristics of the drive energy of separation mechanisms

圖5 機構能源驅動形式與特性分析圖Fig.5 Form and characteristic analysis of the mechanism driving energy

根據運載火箭分離機構解鎖、分離功能對觸發及分離能源的性能需求,采用響應頻率表征驅動能源針對動態指令的輸出能力,采用功率表征驅動能源的穩態輸出能力,從兩個維度對各種驅動能源的特點進行分析。電熱驅動方式需要一定時間熱量累積才能完成作動,對指令的響應緩慢,響應頻率很低;采用熱敏材料的熱變形進行驅動,輸出的力和位移較小,輸出功率較小。氣壓驅動方式由于氣體具有很大的壓縮性,對負載比較敏感,難以實現精確控制,其響應頻率也較低;氣壓驅動可利用箭上增壓輸送系統提供高壓冷氣,氣壓可達數十兆帕,遠超一般工業應用工況,做功能力很強,同時可通過改變供氣系統元件參數調節輸出性能,從而覆蓋寬幅功率需求。電機驅動方式受負載慣性影響,一般而言響應頻率與輸出功率負相關,其具體性能與電機類型有關。微小力矩電機輸出能力較小,但響應較快。步進電機的輸出力矩隨轉速增大而減小,其工作轉速較低,一般僅為每分鐘幾百轉,一般不具有過載能力,輸出功率有限。步進電機的啟動頻率過高時易發生丟步,轉速過高時易發生過沖,啟動響應較慢,從靜止到工作轉速需數百毫秒,因此響應頻率有限。直線電機的輸出能力有限,但傳動環節較少,響應頻率有所提高。伺服電機的輸出力矩大、轉速高,具有較強的過載能力,最大轉矩可達額定轉矩的數倍,同時加速性能好,僅需數十毫秒可從靜止加速到額定轉速,實現快速啟停,響應頻率較高。液壓驅動采用液壓油作為工作介質,工作壓力高,對應的輸出力及功率很高;同時液體可壓縮性小,液壓驅動工作平穩,慣性小,響應頻率較高;但液壓驅動需要設計復雜的供油回路,且液體黏性大,因此不適用于小功率工況。

4 運載火箭分離機構發展趨勢及建議

縱觀國內外運載火箭分離機構發展歷程,從助推分離、級間分離、整流罩分離、有效載荷分離到柵格舵等新式機構分離,運載火箭分離機構逐漸向著多樣化、復用化、低沖擊等方向發展。分離機構通過多種連接形式與不同能源方式進行組合可實現不同機構構型設計方案,結合運載火箭功能需求與使用環境,以及分離機構產品連接形式與驅動能源性能對比如圖6所示,運載火箭非火工分離機構技術發展建議如下。

圖6 分離機構連接形式與驅動能源種類性能對比雷達圖Fig.6 Radar diagram of the connection forms and drive energy of separation mechanisms

單點拔銷式是最基本和通用的連接形式,具有連接應力小,結構形式簡單可靠性高等優點,但連接區域難以施加預緊連接力,對連接部位剛度支撐較差。對應分離能源優先采用氣驅、液壓等作用力以及作用行程較大的驅動形式,有利于分離機構克服連接面分離時的分離阻力。在分離裕度充足情況下,單點拔銷式也可采用電動拔銷或電驅觸發加機械釋放的設計形式。

單點分瓣螺母式適用于氣驅驅動與電機觸發加機械儲能驅動組合的設計方案,也可采用智能材料觸發加機械儲能驅動組合的設計方案。分瓣螺母連接形式相對整體螺母,連接承載能力基本相當,但解鎖釋放時間及可靠性大幅提升。不同能源下,整體螺母相對分瓣螺母均不存在優勢,故分離機構不宜采用整體螺母,推薦使用分瓣螺母連接形式。

球鎖連接形式可在氣驅、電驅與智能材料觸發三種能源下實現單點小承載連接。球鎖式分離機構最大優勢在于空間利用高,可實現有限空間下單點高效連接與可靠分離。相對拔銷式的軸向伸縮空間,球鎖多采用徑向伸縮空間的釋放形式。球鎖球形連接形式在小載荷下分離可靠性相對于銷形形式更為可靠,所需設計連接空間與作動空間均更小。

卡爪連接形式是單點連接中結構形式最為復雜的形式。連接狀態下連接面多且多為非連續光滑過渡形式,導致在機構作動過程中,對接面磨損嚴重,機構整體可靠性偏低,對連接面潤滑設計或摩擦控制要求高。卡爪連接形式僅推薦用于大剪力與大彎矩單點連接狀態,且對應驅動能源只適用于高壓氣體驅動,以通過提高氣體壓力提升機構解鎖功能整體裕度。變形連接形式相對于卡爪連接形式更為復雜,不僅對連接分離區域潤滑設計與摩擦控制要求高,而且對變形材料性能及環境適應性要求高,不論在任何能源驅動下,均不建議使用此方案。

多點聯動結合應用需求不同可通過串聯或并聯兩種形式進行實現。優先推薦使用氣驅能源驅動的鎖鉤式多點聯動機構方案,機構整體可靠性高,氣驅能源裕度大,作動動作傳遞范圍廣,傳遞過程對間隙及動特性影響小。對于基于電驅能源形式的鎖鉤機構推薦用于單點或并聯連接形式。單點形式電驅相對氣驅能源形式相對簡單,并聯形式傳遞路徑相對串聯短,有利于電驅能源作動。

線式連接分離多采用單點或雙點解鎖分離方式,連接形式推薦使用包帶式連接形式。剛性包帶相對柔性包帶在連接區域應力分布均勻性上更有優勢。同時剛性包帶自身存儲彈性勢能作為主要的推離能源,對對接框剛度及匹配性相對柔性包帶有更強的適應性,對應可靠性更高。目前國內外剛性包帶有分體式、滑槽式與整體式三種設計構型。其中分體式與柔性包帶形式接近,僅增加了卡塊布置密度與帶體剛度。滑槽式使用剛度更強的卡槽環框代替分體式中剛性帶體,雖然通過環框提升了對卡塊的約,但整體質量較重,材料利用率較低。推薦使用整體式剛性包帶,不僅在卡塊約性能上實現大幅提升,而且剛性包帶整體材料利用率最優,通過加溫預緊的方法,帶體整體預緊力分布較柔性包帶也更為均勻。箱式分離機構多用于立方星釋放,推薦多用于標準立方星釋放任務,對于非標準立方星除個性化設計箱體式分離機構外,推薦使用單點獨立式或多點聯動式分離機構方案。

隨著運載火箭的持續進步,新能源、新工藝、新材料等新技術不斷發展,復用化、商業化、一箭群星、長期在軌等新需求增加,運載非火工分離機構也將呈現一些新的研究方向:

1)模塊化組合式分離機構平臺設計技術:為提升運載火箭適應不同發射對象與組合發射任務的需求,具備模塊化接口連接與組合式分離釋放功能的分離機構平臺將成為提升運載火箭商業發射能力的主要支撐。平臺是指運載火箭與不同有效載荷的連接均由不同功能的可更換模塊標準分離接口組成實現,可以實現不同運載火箭對不同發射任務不同組合設計,提高工作效率,降低研制成本。

2)基于智能材料新式分離機構設計技術:通過電敏、熱敏、磁敏、光敏等先進智能材料,運用智能材料主動性,通過產品設計利用其機械變形與溫度、電流、磁場等變化耦合性,實現機械響應和非機械響應之間的可控轉換。采用形狀記憶合金、形狀記憶聚合物、壓電材料等體積小、適應性好、振動穩定性強、能耗小等優勢,進一步提升運載火箭分離機構分離沖擊、作動精度與適應性等性能。

3)深空及深遠海等領域技術延伸及推廣應用:運載火箭非火工分離機構具有低沖擊、高可靠、無污染、可復用等優點,其應用場合也可不局限于航天發射領域。諸如長期在軌服務、深空探測、水下航行以及智能變形飛行等領域也可使用。

5 結語

本文對國內外運載火箭分離及機構發展現狀、發展需求進行分析,通過從連接形式與驅動能源兩個維度對運載火箭非火工分離機構進行系統研究,提出了運載火箭非火工分離機構方案選取建議以及未來主要的研究方向,可為運載火箭非火工分離機構技術的創新發展提供參考。