长征四号运载火箭星箭分离装置发展及思考.pdf

第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）长征四号运载火箭星箭分离装置发展及思考江涛1，吴佳林1，汪全1，苏新源1，王金童1，古艳峰1，汪轶俊2（1.上海宇航系统工程研究所，上海 201109；2.上海宇航系统工程研究所，上海 201109）摘要:长征四号系列运载火箭经历近百次发射，星箭分离装置作为运载火箭的重要结构与机构产品，直接关系着发射任务的成败。星箭分离装置产品从无到有，不断丰富和完善，它的研制先后经历了从单一到多样、从多样到系列化、产品化等阶段。对星箭分离装置的研制历程和关键技术进行综述，并基于星箭分离技术研究现状对分离装置的后续发展提出了展望。关键词:星箭分离装置；系列化；产品化；研制历程；关键技术中图分类号:V421 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.s1.034Overview of the Development of Long March 4s Satellite-Rocket Separation DeviceJIANGTAO1，WUJIALIN1，WANGQUAN1，SUXINYUAN1，WANGJINTONG1，GUYANFENG1，WANGYIJUN2（1.Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，ShangHai 201109；2.Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai 201109，China）Abstract:Long March 4 has experienced hundreds of launches.As a critical structure and institutional product of the launch vehicle，the Satellite-rocket separation device（SRSD）is directly linked to the success or failure of the launch mission.The product development of SRSD started from scratch and kept improving and optimizing.The development has experienced the process from single to diversification，from diversification to serialization，productization and so on.This article summarizes the development and key technologies of SRSD and has proposed the prospects for the future development of separation devices according to the current research about SSRD.Key words:satellite-rocket separation device；serialization；productization；research and development process；key technologies0引言 长征四号系列运载火箭配套的星箭分离装置产品大多是上海航天技术研究院（以下简称“八院”）自主研发的。随着长征系列运载火箭的研制不断取得成功，星箭分离装置产品迅速发展，其科技水平也逐步提升。自 1992年至今，从最开始研制的单一产品 660包带，拓展至包带式、点式、机构式、立方星式星箭分离装置 4大系列产品。20 多年来星箭分离装置的发射数量如图 1 所示。截至 2023年 4月，八院自主研发的星箭分离装置 产 品 参 加 飞 行 总 数 已 超 过 300 套，成 功 率 为100%，在国内星箭分离装置产品飞行总量中，占比超过 40%。星箭分离装置产品执行任务涵盖了运载、卫星、空间、深空探测 4大领域，可以满足国内外大、中、小卫星的发射需求。1产品研制历程概述 1.1从无到有阶段上世纪 80年代末，长征四号甲运载火箭圆满完成了两发风云一号卫星的发射任务，其所配备的星箭分离装置采用卫星自带的包带式星箭分离装置。90年代初，为填补八院运载火箭星箭分离装置的空收稿日期：20230608；修回日期：20230612作者简介：江 涛（1969），男，研究员，本科，主要研究方向为运载火箭结构与机构设计。233第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）白，八院开展了首款星箭分离装置的研制工作。1992 年 9 月 660 包带预研课题组成立，并开展了方案论证工作。1993年 11月，八院在西安 213所进行了 3次包带原理样机的分离试验，均获得成功。随后，在 1994 年 10 月，CZ-4B 全箭振动试验用的660接口规格的包带连接分离装置完成设计生产并参与了 CZ-4B 全箭振动试验以及星箭组合体模态试验。1996 年 11 月正式转入搭载星包带型号的研制工作。660包带连接分离装置的研制阶段通过了静、动力学试验，环境试验，星箭组合体分离试验等地面试验考核，1996 年 12 月转入试样阶段。1999年 5 月 660 包带连接分离装置用于 CZ-4BY2 火箭，此举填补了国内该规格包带的空白，为我国发射500 kg级内小卫星创造了有利条件。如图 2所示。1.2从少到多阶段2000年至 2016年，长征四号系列运载火箭发射任务数量不断增长，不同用户、不同有效载荷的发射需求促进了上海航天技术研究院自主研制星箭分离装置的种类逐步由少到多。期间，星箭分离装置产品研发进入快速发展阶段，先后完成了 1194包带、937 包带、2000 包带、300 包带、432 包带等产品研制及飞行试验验证，见表 1。与此同时，我国首个大型点式分离装置产品的研制也取得了进展。1.3多样化阶段2016 年前后，民用商业航天迅猛发展，长征系列运载火箭进入高密度发射时期。为了满足日益增多的不同类型的小卫星发射任务需求，星箭分离装置的多样化迫在眉睫。为此，八院相继开展了立方星式、点式、机构式等星箭分离装置的研发工作，具体研制历程见表 2。1.4产品化阶段“十一五”以来，我国长征系列运载火箭进入高密度发射期，多个型号运载火箭年均发射次数突破2位数1，给现行“定制化”研制模式带来了极大的冲击。星箭分离装置作为长征系列运载火箭发射任务配套的关键产品之一，产品开发工作首先在宇航单机领域展开。2009年开始的星箭分离装置型谱研究工作，先后入选八院宇航单机、集团宇航单机产品型谱简表，由初始的包带产品系列、适配器产品系列拓展至包带式、适配器、点式、立方星式等系列型谱产品。入选产品均通过 5 级成熟度产品定级，其中主力 937包带、1194包带产品成熟度达到 6级，成为了货架产品。图 1历年星箭分离装置发射数量情况Fig.1Number of satellite-rocket separation device launched over the years图 2660包带式星箭分离装置研制历程Fig.2Process of 660 satellite-rocket separation developmen234第 40 卷 2023 年第 s1 期江涛，等：长征四号运载火箭星箭分离装置发展及思考2技术方案及技术创新 2.1包带连接解锁技术包带式星箭连接解锁机构如图 3 所示，它一般使用 2个或 3个爆炸螺栓将多个夹块与金属条带固连，在卫星与运载火箭的对接框上沿周向采用夹块将其连接面夹紧，在包带头处用爆炸螺栓连接在一起，通过拧紧爆炸螺栓给包带施加一定预紧力，实现星箭连接；当实施星箭分离时，由运载火箭配电系统发出指令，引爆爆炸螺栓，断开包带连接，在拉簧作用下夹块随包带一起脱离星箭对接框，随后在分离弹簧或反推火箭作用下完成星箭分离2。与直接采用爆炸螺栓连接星箭的点式分离装置相比，包带式星箭连接解锁机构具有如下优点：1）采用多个夹块对对接框进行约束，具有较高的连接可靠性与刚度；2）采用多个爆炸螺栓横向并联连接，只要一个爆炸螺栓工作，包带即可解锁，具有极高的解锁可靠性；3）爆炸螺栓不直接与对接框相连，对卫星的冲击相对较小。缺点是结构相对复杂、安装操作要求高、分离动态包络较大。表 1星箭分离装置产品研制历程（20002016）Table.1Process of satellite-rocket separation development（2000-2016）序号1234567产品名称1194包带937包带2000包带钛杆切割器分离装置300包带大型点式分离装置432包带研制历程2000年方案论证2003年初样设计2005年试样设计2006年初样设计2008年试样设计2008年方案设计2012年试样设计2010年方案设计2011年试样设计2012年方案设计2013年初样设计2013年方案设计2018年试样设计2015年方案设计2016年试样设计飞行情况2006年 4月 27日 CZ4C Y1首飞成功，至今飞行 33套2010年 3月 5日 CZ4C Y5首飞成功，至今飞行 73套2013年 7月 20日 CZ4C Y11飞行试验任务首飞成功，至今飞行 2套2012年 1月 9日 CZ4B Y26首飞成功，至今飞行 4套2014年 9月 8日 CZ4B Y28首飞成功，至今飞行 13套2020年 7月 3日 CZ4B Y43首飞成功，至今飞行 20套2016年 5月 30日 CZ4B Y33首飞成功，至今飞行 21套重要意义填补八院 1194规格包带的空白填补八院 937规格包带的空白八院包带产品接口规格拓展至2000八院包带产品接口规格拓展至300首个大承载、低冲击点式星箭分离装置填补八院 432规格包带的空白表 2星箭分离装置产品研制历程（2016-2023）Table.2Process of satellite-rocket separation development（2016-2023）序号123456789产品名称DS031521两点式分离装置DS033041四点式分离装置机构式分离螺母+连杆机构SPOD2U1立方星分离装置SPOD3U1立方星分离装置SPOD6U1立方星分离装置卡爪式星箭分离装置新型大承载 1194包带非火工驱动低冲击包带研制历程2014年方案设计2015年试样设计2015年方案设计2016年试样设计2015年方案设计2018年试样设计2016年方案设计2016年试样设计2017年方案设计2017年阶段设计2017年方案设计2017年阶段设计2019年方案设计2020年阶段设计2018年初样设计2023年试样设计2019年方案设计飞行情况2015年 9月 20日首飞成功2016年 12月 22日首飞成功2021年 12月 29日首飞成功2016年 12月 28日首飞成功2018年 2月 2日首飞成功2018年 10月 29日首飞成功2020年 7月首飞成功2023年 4月 16日首飞成功原理样机阶段，通过地面分离试验验证备注拉开了小卫星分离装置研制序幕采用机构式分离螺母+连杆机构承载，单个火工装置的解锁方案，为国内首创国内首个非火工驱动的星箭分离装置首个连杆机构连接、单点解锁的低冲击星箭分离装置国内首个采用非对称夹块角度的大承载包带装置国内首个非火工驱动+飞轮连接的低冲击包带装置，冲击低于 1 500 g235第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）在包带分离装置系列产品研制过程中先后解决了高可靠连接解锁技术、高曲率小型包带应力应变测试，包带、夹块高精度加工成型、大预紧力包带预紧力加载等技术难点。具体实施方式如下：1）发包带装置采用高强度钛合金条带+多个夹块和 2 个以上火工装置连接解锁的结构构型方案3-5，实现星箭之间高刚度连接承载、多点冗余解锁功能；2）在大预紧力包带研制中引入新型液压加载技术6，发明了包带预紧力液压加载装置，由一个液压加载泵同时控制多个加载单元驱动包带头部的运动，加载到位后，拧紧锁紧螺母完成包带预紧力的同步预紧、同步操作；将爆炸螺栓拉紧螺母上施加 的 最 大 扭 矩 由 原 来 的 l00120 N m 降 至 30 40 N m；包带连接加载装置上设置液压表，直观反应各包带头部的受力情况，实现了包带预紧力测试系统的冗余控制。3）针对包带直径小、曲率大，包带预紧时，弯曲应力高达中面应力的 30%42%，包带内、外应力差别很大问题。采用了包带内、外贴应变片，包带水平停放调零等措施，改进了当前包带预紧力单面贴片方案，以包带中面应力作为检定值，包带实际预紧力与检测值完全一致，提高了包带预紧力的检测准确率，为国内首创；4）开展了包带加工成型工艺关键技术攻关，通过科研攻关制定了系列包带产品的加工工艺，如包带采用数控机床铣切加工，包带头部采用专用装夹工装通过真空热处理成型、夹块采用经光测的专用成形刀加工夹块 V 型面，同时采用整圈夹块一体加工、分割成块的加工技术，确保了包带装置的高精度加工成型工艺的顺利实施。5）对包带头部的限位装置、包带的分离拉簧装置进行改进设计，设计包带装置的捕获装置，固定包带装置的分离包络碰撞边界。6）在分离装置活动部件，夹块可采取涂覆固体润滑膜和油脂润滑 2 种保护措施，提升包带预紧力加载均匀性和分离可靠性，满足了高密度发射需要，解决产品配套周期长，保存环境要求高、价格昂贵等问题。2.2 点式连接解锁分离技术点式分离装置是一种具有连接、解锁和分离功能的装置，主要用于运载火箭星箭连接解锁7。该装置的主要作用是：解锁前实现 2 分离体的轴向锁紧，利用承剪元件实现 2分离体的横向承剪，接到分离指令后，火工元件工作实现 2分离体的解锁。点 式 星 箭 分 离 方 案 采 用 若 干 个 火 工 分 离 装置进行连接和解锁。通过分离弹簧或火工正推或反推分离装置实现星箭解锁。目前配置有两点式、三点式、四点式、大型四点式、侧挂式四点式等星箭分离装置，如图 4 所示。其技术特点在于 分 离 装 置 可 以 设 置 1 个 独 立 的 小 型 安 装 平 台或依靠运载火箭适配器作为安装平台，在安装平台 上 集 中 安 置 2 个 或 多 个 火 工 分 离 装 置 模 块 作为星箭之间的连接解锁装置，实现星箭之间力的转递；设置若干个星箭弹簧分离装置实现星箭之间的分离；根据需要设置 2 个或 4 个星箭分离信号采集装置。点式分离装置结构简单，适应性强。各模块功能性能相对独立，易实现模块化、组合化、通用化设计。火工连接解锁装置经历了切割器、爆炸螺栓、分离螺母等几种变化。图 3包带式星箭分离装置产品系列Fig.3Band satellite-rocket separation development products236第 40 卷 2023 年第 s1 期江涛，等：长征四号运载火箭星箭分离装置发展及思考小型点式分离装置产品的研制攻克了传统点式分离装置冲击力大的难题，在研制中采用了通用化、模块化设计。在大型点式分离装置研制中，分离装置采用低冲击分离螺母替代传统的爆炸螺栓，同时在星箭分离面采用了冲击隔离抑制技术，有效降低了星箭分离时产生的冲击，保障了卫星高精度载荷分离的安全性。适配器采用桁架结构，实现了高强度连接、轻量化的目标。2.3立方星式分离装置设计技术立方星连接分离装置用于立方星发射时与运载火箭的连接以及入轨后的分离8，主要包括 2U、3U、6U 以及弹射分离装置等，如图 5 所示。立方星连接分离装置是八院首个采用非火工分离技术的星箭分离装置，主要由壳体、舱门、弹簧、推板、熔断式连接解锁装置等组成。其特点是与国际立方星接口接轨，采用国际统一接口、产品需求量大、安装简单，便于产品的系列化，采用电磁解锁、熔断等非火工解锁技术，实现了低冲击星箭分离。2.4机构式星箭分离技术机构式星箭分离装置主要用于连接卫星与运载火箭结构舱体，承受发射过程中卫星传递给的各种载荷，保证星箭可靠连接。当航天器到达预定轨道时，分离装置接收到释放信号，火工品起爆，星箭分离装置动作解锁释放卫星。传统的包带类、点式类星箭分离装置采用多个爆炸螺栓固定连接解锁的方式。卡爪式星箭分离装置引入了“强连接、弱解锁”的设计理念，采用 4 点连接、一套连接连接压紧机构承载，单点解锁，具有低冲击、低成本、高可靠、地面可检可测等优点，如图 6所示。目前有 2套产品，分别应用于小、中型尺寸卫星的发射。图 4点式星箭分离装置产品系列Fig.4Point satellite-rocket separation development product图 5立方星式星箭分离装置Fig.5Cube satellite-rocket separation development products237第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）3星箭分离装置后续发展展望 随着长征系列运载火箭型号发射任务的多样化，为了满足发射任务中逐步提高的指标要求，将来的星箭分离装置可以从以下 4 个方面展开研究：为满足精密航天器的发射任务需求，对星箭分离界面冲击环境提出低冲击需求，开展非火工包带式星箭分离装置研究；为满足大重型有效载荷的发射需求，需提高现有星箭分离装置的承载能力，开展刚性包带连接解锁技术研究9；为满足日益增长的星网多星发射需求，开展模块化、通用化、组合化的点式分离装置研究以及堆叠式卫星结构连接解锁技术研究；为满足地面可检可测、可重复使用、甚至飞行阶段智能可控等需求，开展非火工驱动解锁技术研究10。4结束语 八院星箭分离装置技术跟随长征四号运载火箭的任务拓展而不断发展，产品市场随八院在运载、卫星、空间、深空探测等各领域的锐意进取而不断拓展壮大，经历了 30多年的技术沉淀。从最早单一 660 包带开始研制，拓展至包带式、点式、机构式以及立方星连接分离装置，形成了 4大系列的产品，涵盖了八院各大领域。产品应用于八院、中国航天科 技集团公司第一研究院、科工集团以及民用商业火箭 发射任务，用户涵盖国内外近 40家科研机构和院所。展望未来，星箭分离装置将面临航天领域更多、更复杂的功能应用需求，分离专业组将秉承“连接品质、释放价值”的理念，提升产品质量，提供更经济、可靠、安全、高效的分离技术解决方案。参考文献1 史会涛，古艳峰，王玉平，等.孙平长征四号乙系列运载火箭去任务化模式的探索与实践 J.上海航天，2020，37（S2）：44-48.2 武新峰，刘观日，雷勇军，等.基于参数化建模的包带式星 箭 连 接 结 构 优 化 设 计J.国 防 科 技 大 学 学 报，201335（5）：6-12.3 康士朋，楼云峰，王添翼，等.包带装置轴向连接刚度计算与分析 J.振动与冲击 2021，40（19）：172-179.4 唐乾刚，孙世贤.包带式星箭锁紧预紧力分析 J.国防科技大学学报，1996，18（2）：20-25.5 张文明，李委托.包带式星箭解锁装置预紧力影响因素分析 J.航天器工程，2013，22（2）：50-54.6 史路阳，赵兴亮，黄爱辉，等.一种液压联动包带预紧力施加装置的校准方法 J.天津理工大学学报，2021，37（3）：35-39.7 杨建中，娄汉文.航天器上使用的可解锁连接与分离装置 J.航天器工程，2003-12（1）：47-54.8 康桥生，张祥金，包家倩.立方星星箭分离装置的设计实现 J.导弹与航天运载技术，2015-5：20-24.9 郭欣，朱仕尧，刘观日，等.刚性包带式星箭连接解锁装置解锁分离过程动力学分析 J.振动与冲击，2021，40（8）：150-155.10 白志富，果林丽，陈岱松.新型非火工星箭连接分离技术 J 导弹与航天运载技术，2009（1）：31-37.图 6机构式星箭分离装置Fig.6Institution satellite-rocket separation development products238