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探究火箭推进剂加注机器人-机械制造论文

探究火箭推进剂加注机器人

文/顿向明、山磊、陆晋荣、郑永煌、张育林

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

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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。

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

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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