火箭发射装置上一种插拔机构改进设计
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摘 要：针对某次飞行试验中插拔机构出现的插头脱落不畅的问题，进行了原因分析。根据分析结果进行了改进性设计，通过数值仿真说明改进后的插拔机构能够满足火箭发射的实际需求。最终通过飞行试验验证了插拔机构改进方案和分析方法、结论的准确性。
关键词：发射装置；插拔机构；协同仿真；优化设计
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.217
0 引言
发射装置作为火箭发射的地面装置，起着装载火箭、调节发射方位角和高低角的作用。在火箭发射前，需要使用测发控设备对火箭进行射前检测，地面检测设备和装载在发射装置上的火箭通过电缆进行连接。在火箭发射时，需要使发控电缆插头和箭上插座自动分离，完成这样功能的机构称为插拔机构。
1 插拔机构设计原则和基本设计状态
插拔机构设计需要遵从以下几个原则：（a）电缆插头和箭上插座之间分离顺畅，并且不能给火箭施加较大的附加载荷，否则影响火箭的发射初始状态，包括改变火箭发射初始速度、火箭的出轨姿态等；
（b）插拔机构应该具有一定的燃气流热保护功能，避免发射时产生的高温、高速燃气流对插拔机构上的电缆、插头等具有一定的热防护功能。
插拔机构能够保证电缆插头和箭上插座在发射装置起竖过程中可靠连接。插拔机构的工作原理是利用平行四边形机构的运动性质，由于插拔机构的上端插入在火箭上的插座内，当火箭发射运动时，带动插拔机构上端的连杆水平运动，同时连杆下端的两个曲柄在拉簧的作用下转动，从而带动连杆转动，连杆在垂直方向的高度下降，插拔机构上端的插头便顺利地从火箭上的插座内部拔出，实现插头脱落功能。
2 插拔机构基本设计中问题及原因分析
在某次外场飞行试验结束之后，对发射装置进行例行检查时，发现插拔机构产生了插头分离不畅现象，并且插拔机构产生了一定的结构变形，加上发射过程中火箭发动机产生的燃气流影响，造成脱插电缆插头损坏，插头内部指针弯曲。针对出现的问题，总结产生的原因如下：（a）火箭的在发射轨道上的运动和插拔机构转动不匹配，造成插头和箭上插座之间卡死，最终导致脱插不畅。产生这样结果的一方面是由于插拔机构转动部件设计不合理，火箭已经平动一段距离而插拔机构转动部分高度下降不明显，插头未能及时拔出；另一方面是由于插头在插头支架上固定方式设计存在缺陷，连接刚度过低，插头变形过大，这样插头也会与箭上插座产生“卡死”现象；（b）电连接器上除了插针连接外，还有套筒配合，便于防水。使得分离力增大，单一的平行四连杆作用难以使得分离通畅；（c）火箭热防护功能失效。火箭在发射导轨上时，发动机喷出的高温高压燃气流直接作用在插拔机构上的电缆和插头上，这样造成电缆和插头热烧蚀严重，发射完成之后需要换掉插头和电缆，从而增长发射周期，提高试验成本。
3 插拔机构改进设计和仿真计算
针对靶场出现的问题和原因，对发射装置的插拔机构进行改进。改进措施主要有以下几个方面：
（1）插头支架的结构形式改进；插头支架是电缆插头的安装部件，必须保证连接刚度，保证电缆插头能够顺利插入到箭上的插座内，并且保证插头在使用过程中不能产生过大的变形。改进前的插头支架通过两个耳片固定插头。改进前的插头支架，由于插头的外径略小于插头支架中间圆柱孔的内径，所以两者之间存在一定的空隙，这样插头就会绕着插头下部的外露杆转动，造成插头和箭上插座之间不匹配，产生“卡死”现象，最终导致脱插不顺畅。所以需要对插头支架的结构进行改进，提高连接刚度，保证脱插电缆在插拔机构上固定之后，插头位置不会产生较大变化。
（2）前、后连杆结构形式改进。前、后连杆是插拔机构转动部分的主要组成部分，插拔机构脱插是否顺畅取决于前后连杆是否在火箭运动较小行程内下降较大的距离，从而带动插头从箭上插座内脱出。前后连杆长度直接影响着机构的脱插性能.
（3）增加新部件剥落杆。为了保证脱插过程可靠完成，在插拔机构上增加了一个新部件――剥落杆。其原理是在插拔机构上的转动部分在拉簧的作用下转动时，固定在后连杆上的剥落杆直接作用在插头支架的外露拖杆上，为脱插提供一个额外的脱落力。改进后的插拔机构导入到ADAMS动力学仿真软件中，进行模拟仿真验证改进方案是否满足设计要求。导轨平面与水平面发射角为55°。火箭通过滑块在导轨上滑动，滑块与导轨之间动摩擦系数为0.17，静摩擦系数为0.25。插拔机构运动受力主要包括火箭沿导轨运动力、自身拉伸弹簧拉力和压缩弹簧弹力。其中火箭运动的动力来源于发动机的推力，计算时采用常温下（23℃）助推发动机推力数据作为单向驱动力载荷；插拔机构摆动除了弹体的推力以外还有机构拉伸弹簧拉力。
从仿真结果可以看出，在电连接器分离之前，火箭与插拔机构为牵连运动，插拔机构平动板和插头在弹体的推动下绕底座摆动，分离之后，平动板和插头在惯性和拉簧的作用下向下摆动，剥落杆剥落插头支架上的拖杆，最后前连杆接触缓冲垫，锁紧卡销锁紧前连杆有效防止转动部分回弹。在插拔机构转动的过程中，插拔机构底座能够有效固定整个插拔机构，而且不会影响其他部件的正常动作，所以改进后的插拔机构能够保证插头与火箭上插座可靠连接。
4 飞行试验考核验证
改进后的插拔机构在外场发射试验中进行了使用，试验前检查插拔机构，插拔机构结构合理，脱插电缆能够方便安装在插拔机构上，插头通过插头支架能够顺利的插入箭上插座内，在发射装置起竖过程中也可靠连接，圆满完成火箭的地面检测任务。试验后对插拔机构进行检查，插拔机构上的电缆插头结构完整，未产生任何变形。插拔机构上的增加的防火板对电缆热防护效果明显，电缆未产生热烧蚀破坏。插拔机构转动部分恢复迅速，脱插过程顺畅，插头内部的针头没有产生明显弯曲。试验效果说明改进后的插拔机构功能完整，改进方案所使用的设计分析方法准确无误。
5 结论
改进后的插拔机构经过外场试验考核，脱插功能符合改进设计要求，顺利完成地面测控电缆与箭上插座的脱落。这样的结果说明改进后的插拔机构的脱插性能显著提高，对脱落电缆和插头保护性能也有明显进步，为以后其他类型插头的插拔机构设计开拓了新的改进思路。
参考文献：
[1]李军，邢俊文，覃文洁.MSC.Adams实例教程[M].北京：北京理工大学出版社，2002.
[2]郑建荣.虚拟样机技术入门与提高.北京：机械工业出版社，2001.
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