航天防务

Space Exploration - - Contents - 文/ 紫筱

国外新概念导弹技术发展跟踪

“站稳脚跟”是人们常说的一句话。在日常生活中,一个人只有站稳脚跟才能保持身体平稳,不然很容易摔倒;还有抬脚迈步的时候,只有在没有束缚的情况下才能顺利迈开脚步,否则就容易摔跟斗。运载火箭也是这样,发射前它也需要在发射台上“站稳脚跟”,否则很难完成各种作业和正常发射升空,而且发射时,脚下也不能有任何“绊脚石”。 从典型看奥秘

运载火箭是一种庞大的科技产品。它的尺寸自诞生以来就像气球一样不断膨胀,比如当年发射美国第一颗卫星的先锋号火箭全长不过22米,最大直径也就1.1米;可是到阿波罗载人登月时,土星5号火箭的最大高度已经达到86米,最大直径10米。虽然说这种庞然大物的起飞质量惊人(小的十几吨,大的3000吨),但是由于“细长比”过大,它在发射台上的起竖和发射的稳定性就成了难题。为了有效解决这个问题,运载火箭的一项关键技术——牵制释放就应运而生了。

顾名思义,火箭牵制释放技术的作用有两个:一是用于运载火箭在装配厂房内起竖和运输到发射台的过程中,以及在发射台上进行检查与测试时的支撑和固定;二是在火箭点火后尚未达到额定推力时起限制作用。说白了,就是要让火箭站得稳、冲劲足。

那么,牵制释放技术是怎样完成牵制、释放功能的呢?下面让我们以最典型的“土星5号”的牵制释放机构为例来看看其中的奥秘。

“土星5号”的牵制释放机构是 一套复杂的地面设备,主要包括4 个一模一样的斜形基座,每只基座长3.04米、高3.35米、底部宽l.82米,重20.4吨。这些基座安装在发射台的正方形排焰孔每一边的中间,通过特殊加强的结构与发射平台构成一个整体,从而像4只大手或者说像4只铁鞋一样将火箭固定在发射台上。

斜形基座内的主要构件就像人的手臂一样,是用销钉连在一起的三节连杆。最上面呈水平状态的是上连杆,好比人的手掌,它前端的下边有一个球面,

用于与基座上的盘形表面配合。上连杆重 1179千克,三节连杆中属它最大最重,但是因为重量分布在一个152 毫米的销钉上,仍然可以轻松地向上向外旋转。中连杆垂直连接在上连杆一端的下面,重 362千克。下连杆连接在中连杆的另一端。

牵制火箭时,中连杆和下连杆必须处于垂直状态。由于连杆太重,只能靠铰车拉动,当中连杆和下连杆的关节在水平力的作用下接近垂直位置时,上连杆后端会受到一个向上的推力,于是前端就在杠杆的作用下形成一种对火箭的压制力,而连杆的关节将通过一个分离环与气动分离器固定。气动分离器包括气缸、活塞、弹簧和分离环等。汽缸内有8个钢球,它们半个球在分离环的槽内,半个球在汽缸壁的孔里,当活塞受到4个大弹簧的压力将钢球推出汽缸,使其完全卡在分离环的槽内后,牵制释放机构即被锁定,于是火箭便在发射台上“生根”了,哪怕在爬肯尼迪航天中心5度斜坡的发射台时也能稳如泰山,至于狂风大作的恶劣天气更不在话下,可以安心地开始设备安装、仪器检查以及推进剂加注等作业。

火箭发射时,牵制释放机构将发挥它的另一项重要功能——释放。当第一级火箭的所有发动机全部达到额定推力时,两个电磁活门将根据电信号打开,随即喷出的氦气将推动气动分离器的活塞去抵抗弹簧,使卡在分离环槽内的钢球退回汽缸内,从而使分离环脱离,松开连杆。连杆弯曲时,上连杆的前端因尾端失去向上的作用力而向上翘起,完成对火箭的释放。

牵制释放两全齐美

牵制释放技术开始于上世纪50 年 代,苏联曾率先在卫星号运载火箭上采用了这种技术,后来美国、英国、法国、日本和俄罗斯等国家也都在火箭上广泛采用,包括美国的“宇宙神”“大力神”“土星1号”“土星5号”,英国的“蓝光”,日本的H-2,俄罗斯的“天顶号”“质子号”“联盟号”,以及欧空局的“阿里安”等。“大力神”采用的是爆炸式分离螺母和双头螺栓,“蓝光”和“阿里安”采用了液压阻尼油缸和主连杆,美国的航天飞机则改用了易碎螺母和双头螺栓,以及固体火箭助推器尾部的8个Γ形压板和支撑结构。

这些牵制释放机构大小不同、形

式各异,但都能满足安全可靠的要求:牵制时能承受多种负荷,包括自然条件下的风力负荷与发射时的冲击负荷;释放时保证安全可靠,不损伤火箭。

在牵制火箭时,牵制释放机构承受的负荷非常大,常常高达几百、几千甚至几万千牛,而且要保持一定的时间。很多人都以为发动机点火后火箭马上就起飞了,事实并非如此,在达到额定推力前的几秒钟内,火箭根本无法彻底起飞,因为它还被牵制在发射台上。各种火箭的牵制时间长短不一,“阿里安”为 3秒,“土星5号”长达7秒(离开发射台15厘米)。别看只有短短的几秒,却总让人感觉长得没有尽头,甚至误以为牵制释放机构出了什么问题。

站稳脚跟不是火箭的目的,它最终要甩开脚步,奔向太空,这个重要阶段将由释放功能协助完成。释放火箭的难点在于,不该释放时,它必须牢牢将 火箭固定在发射台上,应该释放时必须准时、准确、全部。然而,火箭的牵制点从来都不是一个,不同型号数量不等,少则2个,多则8个,还有的多达32个,牵制点越多同步释放的难度就越大。为了达到安全可靠的目的,牵制释放机构大多采用了双保险的办法。例如大力神火箭,4套爆炸分离螺栓每套都有两个平行的备份,只要有一套工作正常就能 可靠地完成释放。土星5号火箭采用的备用方法是,一旦遇到意外情况,释放系统失灵或者气动分离器因为故障没有正常释放,立即点燃导火索炸裂脆性螺母,强迫下连杆上的螺栓完成释放。

为了确保释放过程的安全可靠,发射“土星5号”的39号发射台还采取了这样一种措施。由于释放的瞬间,运载火箭加速过快,有可能对结构产生

很大应力,设计师专门在每个基座上设计安装了两个辅助控制装置,它是一个与斜形基座相连的托架,上面固定了两个直径1英寸(约2.54厘米)的螺栓,每个螺栓的另一端固定在火箭钟罩形的套筒里,火箭起飞时它们随之被向下拉。因为螺栓是圆锥形的,所以拉力从高到低,从 16300千克一直到0,从而延长了释放时间,减小了对火箭的冲击。

牵制释放技术还有另一个作用,就是在火箭发生意外情况时经受发射失败的回弹力,及时保护火箭的安全。1965 年 12 月 12日,大力神2号火箭在发射双子星座6号飞船时,由于多余物堵塞了发动机氧化剂进口没能正常起飞。千钧一发之际,牵制释放机构出色地将火箭固定在发射塔架上,避免了爆炸的危险,保护了航天员、火箭和飞船的安全。

发射牵制释放技术已经在国外的运载火箭上采用多年。实践证明,它 在确保火箭安全发射方面的优势显而易见。不过,中国的长征系列火箭长期以来一直沿用防风拉杆技术,即发射时当一级发动机的推力大于火箭自重后将自动起飞。具体说,就是在火箭尾段上安装几个带孔支座,用直径三四十毫米的螺栓通过它们与发射台连接,发射前再依靠人工的办法把螺栓取下,并当面经发射指挥人员确认。这种技术简便可行,只是一旦遇到发射意外后果难以预料。1992 年 3 月 22 日,长征二号捆绑式 火箭发射澳大利亚B1通信卫星时,由于箭上程序配电器节点间存在多余物,两枚火箭助推器的发动机点火后意外关机,结果火箭没有正常起飞,只在发射台上转动了1.5 度,4个支点中的3 个扭到了支座边缘,如果不是被6毫米的台阶挡住,有可能滑下支座,倒在发射台上,造成不堪设想的后果。据有关资料显示,目前长征五号火箭已经首次采用了牵制释放技术。★

▲有了牵制释放机构的支持,发射阿波罗6号飞船的土星5号火箭脚跟站得更稳

▲ 安装中的土星5号火箭牵制释放机构。在B、C尾翼之间的长杆是三根尾部维护杆中的两根,用于支持第一级火箭燃料加注、空气调节以及紧急液氧泄出管路

▲肯尼迪航天发射中心34号发射台上的牵制释放机构

▲ 建设中的土星5号火箭牵制释放机构

▲ 美国航天飞机发射台上的牵制释放机构

▲安装在肯尼迪航天中心17A发射台上的德尔塔2火箭的第一级,它的前面是牵制释放机构

▲ 联盟号运载火箭在法属圭亚那发射场用的牵制释放机构

▲ 安装好牵制释放机构的日本H-2B 火箭

▲ 把德尔塔2火箭安装到范登堡空军基地的牵制释放机构上

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