探究火箭推进剂加注机器人

探究火箭推进剂加注机器人

我国在航空航天，尤其是火箭领域取得的成就是举世瞩目的。在火箭推进剂的加注过程中，加泄连接器的对接与脱离作为一项高危环节，却仍采用人工方式。而令人欣喜的是，历经三代研发，我国已在酒泉实现火箭推进剂加注机器人的成功实验。这其中经历了哪些曲折的发展？美国、俄罗斯在该领域又采取何种策略？望从本专题窥见一斑。

推进剂加注是火箭发射前的重要环节，加泄连接器的对接与脱离既是加注中的高危险环节，又是实现加注过程自动化需解决的首要问题。众所周知，运载火箭液体推进剂具有易燃、易爆、易挥发和易腐蚀等显著特性，少量吸入或接触即可导致操作人员中毒伤亡。因此，研究加泄连接器的对接与脱离机器人技术，对于缩短发射前的准备时间、减少工

作量及降低勤务人员因误操作产生的紧急情况的风险大有裨益。该技术对于提高火箭和操作人员的安全性，提高系统的可靠性和安全性，减轻操作人员的劳动强度有着重要意义，因此世界各航天强国对加泄连接器与加注口的自动对接和脱离技术的研究一直非常重视。

“架栖”与“箭栖”

从目前国外对推进剂加注过程中对接与脱离操作机器人技术的研究来看，目前主要有两种截然不同的研究方向——以俄罗斯为代表的“架栖”对接机器人技术和以美国为代表的“箭栖”对接机器人技术。

俄罗斯之“架栖”

俄罗斯在火箭加注自动对接技术方面的研究起步较早。他们采用了通过滑轨安装在发射塔架上的对接机构的“架栖”对接技术。其早期的连接器采用手动操作，发射场的参试人员较多。上世纪60年代，一次在拜科努尔发射场突然发生的火箭爆炸事故，造成了惨痛的人员伤亡和设施损失。为此，前苏联下定决心要避免人员在现场操作，逐步推行全面自动化措施。他们研制的自动对接系统具有机械本体、执行机构、跟踪定位机构、气动系统、触觉等装置，这些装置及导管等装在滑轨式底座上，目前正在为“天顶”号和“联盟”号运载火箭提供加注服务。

图1 “天顶”号上的自动对接系统的连接与分离过程

以“天顶”号上的自动对接系统为例，加泄连接器与火箭的对接采用气动方式进行锁紧与分离，带锁紧装置的锁紧器产生将对接装置压到火箭的锁紧力，以保证对接的密封性。另外，对接时，该系统具有导向机构，以便限位与缓冲。自动对接装置中还包含有检查火箭加注活门与连接器连接部位密封性的专门系统，用于加注前对连接部件快速进行密封性检查，检查时间为1~2分钟。整个对接过程全自动进行，机械本体及导管等安装在滑架上，以气动方式驱动执行机构，跟踪机构检测定位，触觉系统与自动控制系统等会共同完成整个程序。

连接过程与脱离过程由发射设备遥控系统的中央控制台控制，在进行维护工作时可使用现场的控制台进行控制。自动找准装置采用锥杆式机械导向，三个自由度的导引范围小于±40毫米。自动对接系统固定安装在一个专用仓内，以保护自动对接脐带不受燃气流的冲击。自动对接装置处于火箭尾段侧面，在发射前5秒自动脱落并回收，防护门自动关闭，以保护自动对接装置免受发动机火焰喷烤，以便重复使用。

形成这种“架栖”对接技术的重要原因是由于俄罗斯的火箭加注口位于箭体尾段，自动对接装置位于半地下的坑道里。对接机构与加注口两者基本处于相对静止状态，因此其对中检测系统可大为简化，采用气压驱动，通过锥杆式机械导向便能实现自动对接。

“架栖”对接虽然具有对接及脱离简便可靠、操作时间短等优点，并具有脱离后重复利用的功能，但其核心属于刚性装配技术，不可避免地存在环境适应性差（只适用于加注口位于箭体尾段的火箭）、对箭体吊装和安放等配套环节要求高、装置本身体积庞大等不足之处，由此带来的缺陷对于多级火箭则更加明显。火箭加注口集中于箭体尾段，给各级之间的密封以及分离带来了很大困难，这在很大程度上造成了火箭本身的可靠性降低。屡屡意外发生火箭爆炸的事实也间接揭示了这种基于刚性装配技术的架基自动对接理念和其箭体系统设计的局限。

美国之“箭栖”

图2 土星Ⅴ运载火箭SⅡ级加注连接器连接与脱落状态

美国作为世界航天强国，经过多年发展，形成了以火箭箭体为安装基架的“箭栖”对接技术，即自动对接装置安装在火箭箭体上。在对接及加注的过程中，加注口与加泄连接机器人均处于相对静止状态。这样便避免了对接和加注过程中因箭体晃动所产生的对中及随动难度。

比如，著名的土星Ⅴ运载火箭SⅡ级采用了两个8英寸的液氢和液氧加注连接机器人。它装在第Ⅱ级中间，由服务臂支承，服务臂由人工事先安装在箭体上。图2(a)是连接状态，图2 (b)是脱落状态。

“箭栖”对接技术的特点是分离机构与连接机构各自分开，分离机构可不考虑密封和低温对它的影响。

推进剂加注软管和气、电路连接装置通过平衡臂式和万向伸缩式装置与发射塔架连接，连接器靠平衡臂支承和钢索吊挂，以减小火箭的承力。在自动脱离的实现方面，对接装置与火箭箭体之间的锁紧解除后，利用火箭起飞所产生的上升运动进行强力脱离，当火箭起飞1.9厘米时才自动脱开。用于平衡加注管路自重的平衡臂和万向伸缩式连接装置在火箭起飞前收到尾部两个服务塔里面，防止火焰烧坏。

“箭栖”对接的特点是自动对接装置体积小巧，结构紧凑，对接的可靠性高。但使用前需要由人工先将对接装置安装在箭体上，这就造成一旦对接装置与箭体脱离后则无法实现自动再对接。同时，由于必须要在火箭箭体上预留对接装置的安装接口，增加了箭体自重和发射负荷。

此外，利用箭体发射所产生的升力进行对接装置与箭体的强力分离，虽然能够完成自动脱离动作，但脱离动作缺乏流畅性，易对箭体活门和贮箱造成损坏。历史上，美国曾发生过由于对接装置不能从火箭上

安全脱落，导致管路被火箭拉断使火箭推进剂贮箱严重损坏，致使发射失败的恶性事故。

我国的“两栖综合”

目前，我国运载火箭推进剂加注过程中，加泄连接器与箭体活门的对接与撤收工作仍采用传统人工方式，如图3。中国航天科技集团公司某所在国内较早地开展了自动对接技术的研究，对低温加注连接器自动跟踪对接系统进行了预研，从理论基础方面为运载火箭加注自动对接与脱离系统的研制进行了有益的探索，但由于体积庞大、基于刚性思路系统设计、对火箭安放初始位置及加注口要求高等原因，其任务缺乏适应性，因此未能得到实际应用。

图3 我国仍采用人工方式进行对接与撤收