中心球锁式零秒脱落连接器的设计与应用

胡亚涛，王爱伟，张振华，贺建华

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

0 引 言

气液连接器为地面加注、供气系统与火箭动力系统气液管路之间的连接接口设备，需要完成箭地之间气液管路的对接、锁紧、密封和解锁、脱落等功能，在火箭射前或点火起飞后安全可靠脱落[1～5]。目前，中国传统气液连接器均为提前脱落（-2 min），因此-2 min后如出现较长时间推迟（超过3 min）发射、再次补加，点火后紧急关机及中止发射泄出工况，必须在短时间（CZ-3A系列约20 min）内返回现场抢险并手动完成箭地接口处理、连接器再对接等工作，其实施难度大、安全风险高，如不能按时完成上述工作，则可能因错过发射窗口造成任务失败，也可能因贮箱超压造成危险。运载型号的推进剂具有易燃易爆特性、低温贮箱带压且不定时的现场排放，给操作人员带来极大心理压力，并给操作人员、有效载荷、发射场等带来重大安全隐患，稍有不慎就可能出现灾难性事故。

中心球锁零秒脱落连接器通过设置冗余拉断措施，消除了球锁不能正常解锁的单点故障模式，并经过试验验证了其脱落可靠性，通过对其设计及应用情况的分析为类似产品的开发提供经验。

1 连接器组成及原理

中心球锁式零秒脱落连接器用于完成箭上各项供气，起飞后脱落，连接器组成结构如图 1所示。中心球锁式连接器外观如图1a所示，其主要特点为采用了平衡式插头，有效地减小了气动分离力，并通过圆周方向管路合理的气动分布尽可能地抵消了起飞脱落时的偏载，降低了中心球锁卡滞的风险。

连接器通过支架安装在发射台支撑臂上，可随支撑臂同步运动，安装状态如图1b所示，其中连接器支架主要由支座、拉索、牵制索、限位索、牵制杆等组成。拉索连接支座及球锁锁芯，中间留出一定长度的松弛余量。当火箭起飞一定高度后，拉索拉紧拽动球锁锁芯，实现连接器中心球锁的解锁。根据连接器脱落高度及箭体起飞滚转量，限位索及牵制索留出一定长度，连接器脱落后由限位索进行限位，防止连接器

运动包络过大，保证发动机喷管留有足够安全距离；箭体起飞到一定高度时，高温、高压燃气流会作用到连接器及支架上，此时牵制索可保证连接器不被燃气冲击吹飞，碰撞其它地面设备。

图1 中心球锁零秒脱落连接器Fig.1 Zero Second Separating Connector with Central Ball Lock

2 设计分析及试验验证

2.1 冗余拉断设计

由于中心球锁零秒脱落连接器要求带载脱落，如果发生卡滞不能正常脱落可能造成箭体损坏，因此设计时采取了冗余拉断措施，从而消除球锁不能正常解锁的单点故障。冗余拉断试验如图2所示。冗余拉断主要由拉断销完成，拉断销中部加工圆弧槽结构达到削弱拉力、控制断力作用，其装配方式如图2a所示。在正常解锁失效情况下，拉断销被动拉断，完成连接器与箭体的分离。设计拉断销的削弱尺寸时，需要综合考虑箭上结构承力及连接器对接、解锁性能，从而保证拉断力在合理范围内，而且材料、热处理、加工精度对拉断力均有一定影响，最终须经理论计算及拉断试验迭代验证。整机拉断试验如图2b所示，连接器与箭上插座对接好后，拉力机一端固定拉索，一端固定箭上接口，由拉力机向上运动，完成连接器整机状态的冗余拉断，拉断后的拉断销状态如图2c所示。

图2 冗余拉断试验Fig.2 Redundance Tension Test

2.2 解锁力设计分析

连接器对接锁紧是由对锁紧螺母施加锁紧力矩实现的，锁紧力矩过大会使拉断销额外受力，影响正常的冗余措施；锁紧力矩小无法达到对接密封的要求，或者在起飞振动时可能发生提前脱落的故障。为保证合理的解锁力，拧紧力矩的确定需经过带载脱落试验及可靠性的验证，脱落试验如图3所示。

图3 脱落试验Fig.3 Separating Test

起飞解锁过程力的传递关系为：拉索拉紧→克服正常解锁力，或者拉索拉紧→正常解锁失效→冗余拉断（正常解锁失败），相应的零件依次为拉索→锁芯→拉断销。点火后至连接器脱落阶段，拉索会受到一定的燃气流引流作用，经计算分析，引流负压产生的解锁干扰力为43 N小于连接器正常解锁力400～1200 N（解锁力与解锁速度，密封圈是润滑情况，解锁时带载情况等相关，因此有一定的离散度），因此连接器不会提前脱落；拉索拉断力（不小于22.5 kN）大于连接器正常解锁力及拉断销拉断力（13.6～15 kN），可以保证连接器正常及冗余拉断，各力的相互关系如图4所示。

连接器支架包含拉索、限位索、牵制索3种钢丝绳索具，拉锁承担起飞拉直、连接器解锁作用；限位索安装在限位杆内，承担着连接器脱落后对连接器进行限位、防止其甩摆范围过大、碰撞喷管（连接器脱

落时，喷管仍位于连接器下方，随着起飞高度增加，喷管沿高度方向接近连接器）的作用；牵制索的强度大于拉索及限位索，用于火箭起飞一定高度后，燃气流直接作用到连接器上时，对连接器起牵制作用，防止连接器在高温、高压燃气流作用下被吹飞、碰撞、损坏其它地面设备。

图4 受力关系示意Fig.4 Force Relationship

3种钢丝绳索的拉紧顺序为：先拉索、再限位索、最后牵制索，如果拉紧顺序错误会造成无法正常解锁，损坏箭上接口。因此要求这3种钢丝绳索松驰量的关系为：起飞跟随高度＜拉索松驰量＜限位索松驰量＜牵制索松驰量。考虑安装及测量误差，各松驰量间需留有一定余量，如起飞跟随高度要求90 mm时，松驰量依次为90 mm、150 mm、180 mm。

另外，钢丝绳索尤其是解锁拉索的安装及松驰量的设置还需考虑由于垂调及加注过程箭上尾端面的高度变化，防止产生刚性约束或由于松驰量设置过小造成误解锁。

2.3 脱落可靠性验证[6，7]

为验证中心球锁零秒脱落连接器的脱落可靠性，设计了脱落可靠性验证系统[8]，主要由振动台、模拟接口、脱落机构、供气系统组成，如图5所示。

图5 脱落可靠性试验Fig.5 Separating Reliability Test

试验过程中，模拟接口固定在振动台上，提供起飞环境的振动量级；脱落机构带动连接器完成起飞跟随及带气脱落。3种连接器各完成振动带气脱落试验168次，包括X，Y，Z 3个方向各56次；完成非振动带气脱落试验662次，共计830次。试验中连接器起飞随动100 mm，漂移量55 mm，连接器气密、脱落正常。

连接器脱落可靠性特征量服从威布尔分布，产品发射任务可靠度的单侧置信下限评估公式为

式中 t0为由产品在发射任务中的动作次数；ti为每套产品的试验次数；f为试验过程中的故障数；n为试验投试产品数；2 f +2)为自由度为(2 f + 2)的卡方分布，可查表得到。在本次可靠性试验过程中，参试产品出现责任故障0个，根据式（1）计算得到产品发射任务可靠度的单侧置信下限值为0.999 956 3。

3 应用情况

中心球锁零秒脱落连接器经过了真实发射工况的考验，密封、脱落性能均达到设计要求。通过高速摄影相机捕捉到起飞过程连接器的跟随、脱落过程，如图6所示。

图6 连接器起飞跟随、脱落过程Fig.6 Following and Separating Process

续图6

火箭点火后，如图6a所示，在起飞振动工况下，连接器与箭上接口对接良好，此时箭体支腿仍然在支承臂托盘上，火箭未起飞；开始起飞后，箭体支腿向上离开支承臂托盘，连接器适应起飞滚转、漂移并跟随箭体向上运动，箭地接口继续保持对接状态且连接器与供气管路连接状态良好，如图6b所示；当箭体起飞高度达到拉索松驰量设定值时，连接器完成起飞跟随过程，顺利脱落，脱落后限位索拉紧，连接器距离喷管仍有较大安全距离，如图6c所示，整个起飞、跟随、脱落过程在1 s内完成；发射后状态如图6d所示，连接器及钢丝绳索虽然均有一定程度的表面烧蚀（连接器为一次性使用产品），但整体仍系固良好。

中心球锁式零秒脱落连接器的应用，解决了传统连接器提前脱落后无法满足火箭-2 min后可能出现的如紧急关机、中止发射等各种工况需求；其采用冗余拉断方式，提高了脱落的可靠性，保证了箭地接口安全可靠分离；通过合理设置锁紧力，解决了起飞振动、燃气流干扰等难题，保证了连接器正常的对接及起飞时随动和脱落；通过设置拉索的松驰量，可在一定高度范围内完成起飞跟随。

对于零秒连接器的设计和应用来说，如有类似球锁的锁紧机构应有一定的防松措施，防止起飞振动下锁紧失效，造成提前脱落；零秒连接器一般安装于箭体尾端面，起飞时不受燃气流的直接作用，但会受到一定的引流作用及较大热流辐射，设计时也需要经过分析及验证；连接器下方管路长度应有一定的余量，起飞时能随连接器一起运动；应尽量减少脱落时持续供气的路数，减小高压气造成的偏载，影响正常解锁；钢丝绳拉索为解锁的关键点，首先要保证其质量，出厂前均须进行加载试验；现场安装时各钢丝绳索的松驰量必须保证正确，连接螺栓也应采取一定防松措施。

4 结束语

中心球锁零秒脱落连接器可适应起飞时箭体滚转、漂移，并能跟随箭体起飞一定高度，出现紧急关机时仍能保持可靠对接、密封，无需人员进行现场抢险处理及二次对接。连接器采用了冗余拉断设计，提高了脱落可靠性。连接器研制和成功应用为后续类似产品开发提供了有利的依据和经验，具有较高的技术推广意义。