运载火箭气簧式缓释放装置设计.pdf

2 0 1 1 年第1 期导弹与航天运载技术 N o 12 0 1 l 总第3 l l 期 M I S S I I E SA N DS P A C EV E t I I C L E SS u mN o 3 1 1 文章编号：1 0 0 4 - 7 1 8 2 ( 2 0 1 1 ) 0 1 - 0 0 1 80 3 运载火箭气簧式缓释放装置设计 娄依志，黄福友，丁鹏飞 ( 北京航天发射技术研究所。北京，1 0 0 0 7 6 ) 摘要：通过现代设计方法时缓释放装置进行了详细的设计研究，缓释放装置主要由固定于发射台的牵制气缸缓释放气 缸、杠杆臂、牵制臂摆开杆、供气系统等组成理论计算和试验验证表明采用气簧式缓释放装置通过给牵制气缸充高压气 体产生的牵制力，能够牵制相应栽荷的要求；火箭在起飞后，本装置气体产生的缓释力使得火箭在要求的行程内，牵制力逐 步递减到零 关键词：气簧；缓释放；气缸；运载火箭 中图分类号：V 5 5 3 1 文献标识码：A D e s i g no fG a sS o f tR e l e a s eE q u i p m e n t f o rL a u n c hV e h i c l e Lou Y i z h i ，H u a n gF u y o u ，D i n gP e n g f e i ( B e i j i n gI n s t i t u t eo f S p a c eL a u n c hT e c h n o l o g y ，B e i j i n g , 1 0 0 0 7 6 ) A b s t r a c t ：A d v a n c e dd e s i g nm e t h o d sa r ea p p l i e di nt h ed e s i g no fs o f tr e l e a s ee q u i p m e n t ，w h i c ha r em a i n l yc o m p o s e do fh o l d i n g g a sc y l i n d e r , s o f tr e l e a s ec y l i n d e r ，c o n n e c t i n gr o d , h o l d i n ga n n s w i n gr o da n dg a ss u p p l y i n gs y s t e m B yc a l c u l a t i o na n dt e s t , i tp r o v e s t h a tt h eh o l d i n gf o r c ep r o d u c e db yh o l d i n gg a sc y l i n d e rf i l l e dw i t hh i I g hp r e s s u r eg a sc o u l dh o l dt h er e s p o n d i n gl o a do ft h el a u n c h v e h i c l e A f t e rt h el a u n c hv e h i c l ei sr e l e a s e d t h es o Rr e l e s ef o r c eb yg a ss o f tr e l e a s ee q u i p m e n tc o u l dm a k et h eh o l d i n gf o r c eg r a d u a l l y r e d u c et oz e r oa sr e q u r i e d K e yW o r d s ：G a s ；S o f tr e l e a s e ；C y l i n d e r ；L a u n c hv e h i c l e O引 言 牵制缓释放装置安装在火箭和发射台之间的连接 固定部位，是火箭实现牵制缓释放发射方式的必备设 施。火箭发射时，如果火箭有牵制装置，火箭发动机 产生的推力达到预定值后释放火箭，突然大推力释放 产生的冲击会对火箭造成较大的振动，容易使火箭内 各种精密仪器损坏，所以希望在火箭离开发射台开始 升空的极短时间内，对火箭进行缓慢的释放。 目前，在国外只有美国、法国等少数国家掌握该 项技术。美国使用拉拔销的塑性变形产生的缓释力来 缓慢释放火箭，但缓释销存在着缓释力不稳定等特点； 法国采用液压系统的缓释放装置，但该装置存在着系 统复杂等特点。 缓释放装置的主要功能是：a ) 当火箭点火后各有 关参数显示正常时，火箭牵制解除，缓慢释放火箭， 减小冲击：b ) 缓释放力点火前已经施加在火箭上，能 起到辅助牵制火箭的作用。气簧式缓释放装置利用发 射场已有气源，无需特别建立一个专用动力源：气簧 式缓释放装置为柔性装置，具有冲击小、振动小等特 点，装置的缓释放力可调。 l 缓释放装置的构成和动作特性分析 1 1 气簧式缓释放装置的构成及工作原理 气簧式缓释放装置主要由固定于发射台的底板、 支撑臂、缓释放气缸、牵制缓冲缸、杠杆臂、牵制臂、 摆开杆、供气阀、管路等组成，原理图如图l 所示。 工作原理为： a ) 气簧式缓释放装置安装于发射台支腿外侧，通 过底板与发射台连接，牵制臂扣在火箭支腿上，施加 缓释力： b ) 发射前缓释放气缸下腔内充高压气体，产生气 压力，作用在杠杆臂中间支点上的力矩为逆时针方向， 通过杠杆臂传递到牵制臂，对火箭施加缓释力： C ) 火箭解除牵制后，富裕推力大于初始缓释放力， 火箭开始带动牵制臂上升，此时缓释放气缸下腔气体 受压缩，气动力增加，但力臂减小，作用在杠杆臂中 收稿口期：2 0 1 0 - 0 6 - 1 0 ：修叫日期：2 0 1 0 - 0 7 2 0 作者简介：娄依志( 1 9 7 9 - ) ，男。博士，工程师主要研究方向为航天地面设备液压系统 万方数据 第1 期 婺依忠臀运找火箭7e 莨一1 = 缓释放犍代设计1 9 I 间支点上的力矩减小，缓释力减小；与此同时摆开杆 伸长，内装压簧受压变短：牵制缓冲缸上腔内的压力 逐渐升高： 臂 放气缸 图I牵制缓释放装置原理图 变化图。通过计算发现摆开杆离开火箭后牵制臂速度 远大于火箭速度，没有与火箭相撞的问题。当牵制臂 与火箭脱开，其牵制臂的头部的水平分量大于垂直分 量，没有牵制臂脱不开的问题。 d ) 当火箭带动牵制臂上升到指定高度时，杠杆臂 中间支点与缓释放气缸两个铰支点在一条直线上，缓，。 释放气缸相对杠杆臂中间支点产生的力矩为零，也就 是缓释力为零，摆开杆内弹簧力较大； e ) 火箭继续上升，缓释放气缸相对杠杆臂中间支 点产生的顺时针的力矩，推动牵制臂向后t 方运动， 5 0 此时牵制缓冲缸上腔的压力升高产生向下的拉力平衡 缓释放气缸产生的力，起到缓冲的作用，完成缓释放1 4 1 ) 的过程，在摆开杆内弹簧力的作用下牵制臂迅速摆开 重 脱离火箭，动作过程如图2 所示。 3 0 图2气簧式缓释装置动作过程示意图 1 2 缓释放行程对应的动作特性分析 图3 为缓释放行程随时间变化情况。通过计算分 析发现，随着时间的推进，缓释放行科缓慢上升。图4 为牵制臂摆脱后，牵制臂与火箭最开始接触点的速度 2 0 1 0 0 0 5 0 4 鼍0 3 墨 留0 2 O I O 释放行程r m m 图3 缓释放行程随时问变化图 j U1 5 01 7 01 9 02 1 02 3 02 5 02 7 0 释放 f 稗m m 图4 牵制臂摆脱后的速度变化 1 3 释放过程气缸压力和推力以及力臂情况分析 图5 为两个气缸的压力随着缓释放行程的变化图， 通过分析发现，缓释放气缸的下腔压力从2 3M P a 下降 到1 4 5M P a ；牵制气缸的上腔压力从lM P a 上升到 8M P a 。 气缸力臂和推力的变化情况如图6 ，7 所示，从图 5 7 中可以看出释放过程中缓释放气缸的压力缓慢升 高后降低，力臂减小到零，再变为负值，力矩由逆时 针转为顺时针：牵制缓冲缸的力臂变化较小，压力在 缓释放过程中缓慢升高，释放后压力升高，达到缓冲 的目的。 万方数据 2 0 导弹与航天运载技术 2 0 11 年 罡 专 璺 垂 靶 塔 图5 气缸压力随缓释放行程变化图 E 6 0 0 乓4 0 0 差2 0 0 R0 2 0 0 - 4 0 0 8 0 0 6 0 0 冬4 0 0 囊2 0 0 眉0 2 0 0 4 0 0 释放行拙肺m 图6 缓释放过程气缸力臂变化图 释放行程州m m 图7 缓释放过程气缸推力变化图 2 缓释放装置的试验验证 利用缓释放装置试验工装( 见图8 ，9 ) 进行缓释 放试验，根据实验需要设计、生产试验所需的气路原 理图及配气箱、气路系统。数据采集系统主要测量采 集加载气缸、缓释放气缸、牵制缓冲缸的压力、位移、 缓释放力、牵制力。 通过试验可以看出：实际测得的数据与计算分析 数据较符合：两个缓释放装置加载后的缓释力的一致 性较好；缓释放过程平稳，从位移变化町看出为加速 过程，最终速度与火箭缓释放终了的速度接近；通过 实验可以发现单个缓释放装置的重复性、两个缓释放 装置的同步性均较好。 图8 试验过程的牵制状态 图9 试验过程的释放状态 3 结论 a ) 通过给牵制气缸充高压气体产生的牵制力，使 得本装置能够实现牵制相应载荷的要求。 b ) 火箭在起飞后，通过缓释放气缸放气产生缓释 力，在火箭释放的行程内，牵制力由相应的载荷递减 为0 。 c ) 牵制臂释放动响应较快，各个缓释放装置的同 步释放误差较小。同时可以通过改变各个铰接点的位 置，使得缓释放行程可调；通过改变气缸的压力，使 得牵制力可调；整个系统能够保证几套缓释放装置同 步性较好。 d ) 在该装置上加上牵制组件，可以实现对火箭的 牵制缓释放功能：牵制组件和缓释放装置将火箭固定 在发射平台的支承臂上，可作为火箭防风倾覆装置之 一：在火箭发射点火时，能可靠牵制箭体：当火箭接 到释放信号后，缓释机构可靠地缓释放箭体。 参考文献 【l 】万军唐囝金李道奎运载火箭减载缓释机构缓释特性分析【J 】导弹 与航天运载技术，2 0 0 7 , 2 9 0 ( 4 ) ：2 1 - 2 4 【2 】王瑞铨，丛小鹏浅析牵制释放发射技术们导弹与航天运载技术。 2 0 0 1 ，2 5 4 ( 6 ) ：I - 5 万方数据