國 冰，孫 偉，趙鴻飛，申定賢，張志博

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津，300462）

0 引言

液體運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)機(jī)架采用對接螺栓與總體接口相連接，發(fā)動機(jī)與總體接口的對接裝配質(zhì)量直接影響火箭飛行過程中發(fā)動機(jī)向箭體結(jié)構(gòu)的傳力性能。因此在火箭總裝過程中設(shè)計合理的工藝方案保證發(fā)動機(jī)對接裝配質(zhì)量十分關(guān)鍵。

某火箭芯一級采用發(fā)動機(jī)雙機(jī)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，與其他型號發(fā)動機(jī)相比質(zhì)量更大、與總體接口更加復(fù)雜。沿用現(xiàn)役火箭發(fā)動機(jī)的水平對接裝配方案難點(diǎn)有：a）與總體接口復(fù)雜，主對接螺栓需穿過“L”型鋼板等5層光孔，最后與球窩座上螺紋孔相連，螺栓徑向裝配調(diào)整余量??；b）發(fā)動機(jī)約5 t，水平對接時機(jī)架徑向變形較大，對接孔難以找正；c）尾段及后過渡段殼體對接接口剛度不一致，水平對接時殼體徑向變形不一致，對接孔難以找正。綜上所述，需設(shè)計新的方案以降低對接裝配難度，確保對接裝配質(zhì)量。

1 總體分析

發(fā)動機(jī)機(jī)架及尾段殼體等在水平對接時由于自身重力作用會產(chǎn)生徑向變形，導(dǎo)致對接孔找正困難。選用垂直對接方案時重力沿箭軸方向作用，可避免因發(fā)動機(jī)機(jī)架及尾段殼體等徑向變形引起的對接裝配困難。

1.1 對接裝配順序分析

根據(jù)火箭各部段對接裝配相關(guān)性和現(xiàn)場作業(yè)連續(xù)性進(jìn)行分析：

a）發(fā)動機(jī)與尾段、后過渡段完成垂直對接裝配，形成發(fā)動機(jī)組合體（以下簡稱組合體）；

b）組合體垂直吊離對接裝配工位，完成與水平停放的前段箭體的對接裝配。

1.2 限制條件分析

根據(jù)箭體結(jié)構(gòu)在對接裝配過程中的使用工況和對接工位的選擇進(jìn)行分析：a）發(fā)動機(jī)及箭體結(jié)構(gòu)受力情況；b）總裝廠房工藝布局；c）操作過程的技安要求。

1.3 設(shè)計原則

方案設(shè)計時依據(jù)以下原則：a）安全可靠，充分考慮方案的可靠性和現(xiàn)場操作的安全性；b）可操作性強(qiáng)，現(xiàn)場工藝實施性好，操作方便。

本文從以上各方面綜合考慮，梳理關(guān)鍵點(diǎn)，開展方案設(shè)計。

2 垂直對接裝配方案設(shè)計

為滿足發(fā)動機(jī)、尾段和后過渡段在垂直對接裝配和組合體翻轉(zhuǎn)工況下，受自身重力和吊具拉力時的箭體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求、剛度需求以及支撐和吊裝需求，與火箭結(jié)構(gòu)總體專業(yè)協(xié)調(diào)設(shè)計，形成可行的方案。

在發(fā)動機(jī)垂直吊裝及組合體支撐方案中，通過吊具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計減小發(fā)動機(jī)機(jī)架徑向變形；支撐裝置與尾段采用螺栓連接，并采用防傾倒設(shè)計確保對接裝配過程的安全性和可靠性。

在組合體垂直吊裝和翻轉(zhuǎn)方案中，借用后過渡段前端框的對接孔和全箭后吊點(diǎn)完成組合體的垂直吊裝；借用尾段的發(fā)射支座和全箭后吊點(diǎn)完成組合體的翻轉(zhuǎn)。

基于這一方案共梳理出垂直對接裝配關(guān)鍵技術(shù)3項，組合體起吊翻轉(zhuǎn)關(guān)鍵技術(shù)2項，操作方法與流程關(guān)鍵技術(shù)3項。

2.1 發(fā)動機(jī)垂直對接裝配關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 發(fā)動機(jī)垂直吊裝方案

發(fā)動機(jī)機(jī)架為焊接桿系結(jié)構(gòu)，剛度較差，在徑向力的作用下易發(fā)生變形，導(dǎo)致對接孔與總體接口找正困難。針對該問題優(yōu)化吊裝方案設(shè)計，吊具采用正八邊形框架結(jié)構(gòu)吊梁，通過8條垂直的吊鏈與發(fā)動機(jī)機(jī)架凸塊相連接。采用該方案時機(jī)架只受重力和垂直向上的拉力，不受徑向力，機(jī)架徑向變形小。具體方案如圖1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)垂直吊裝吊具Fig.1 Engine Spreader for Vertical Hoisting

吊裝時單根吊梁的受力情況及斷面尺寸如圖2所示，載荷及材料參數(shù)如表1所示。經(jīng)強(qiáng)度校核安全系數(shù)為2.5，在安全范圍內(nèi)。

圖2 單根吊梁受力簡圖（單位：mm）Fig.2 Stress Sketch of Single Suspenion Beam

表1 吊梁載荷及材料參數(shù)Tab.1 Load and Material Parameters of Suspenion Beams

利用激光跟蹤儀測量8組發(fā)動機(jī)對接孔吊裝前后的徑向距離，得最大差值為-0.010 9 mm，表明該吊裝方案不會產(chǎn)生額外的發(fā)動機(jī)機(jī)架徑向變形。變形量最大的一組吊裝孔測量結(jié)果如表2所示。

表2 發(fā)動機(jī)對接孔吊裝前后徑向距離變化Tab.2 Radial Distance Change of Engine Docking Hole

2.1.2 殼段垂直吊裝方案

后過渡段與尾段殼體均為薄壁加筋結(jié)構(gòu)，徑向剛度較差。為減小吊裝過程中對接框的徑向變形，吊具采用單根橫梁，通過2條垂直的吊鏈及轉(zhuǎn)接件與殼段對接框上的對接孔相連接。采用該方案時對接框只受重力和垂直向上的拉力，不受徑向力，徑向變形小。

利用激光跟蹤儀測量8組后過渡段及4組尾段對接孔吊裝前后的徑向距離可得最大差值分別為0.000 9 mm和0.018 4 mm，表明采用該吊裝方案時對接框產(chǎn)生的徑向變形較小。變形量最大的一組對接孔測量結(jié)果見表3、表4。

表3 后過渡段對接孔吊裝前后徑向距離變化Tab.3 Radial Distance Change of Rear Transit Section

表4 尾段對接孔吊裝前后徑向距離變化Tab.4 Radial Distance Change of Tail Section

2.1.3 組合體支撐方案

支撐裝置在滿足承重要求的前提下采用組合式設(shè)計方案，單個支撐裝置由1個大立柱和3個小立柱組成，大、小立柱可在6個方向組合連接，具備支撐高度調(diào)節(jié)和防傾倒功能。選取尾段發(fā)射支座作為組合體支撐裝置與箭體結(jié)構(gòu)的連接接口，發(fā)射支座與支撐裝置采用螺栓連接。支撐裝置結(jié)構(gòu)見圖3。大、小立柱設(shè)計參數(shù)見表5。

圖3 組合體支撐裝置Fig.3 Support Device of Engine Assembly

表5 大、小立柱設(shè)計參數(shù)Tab.5 Design Parameters of Large and Small Columns

2.2 組合體起吊翻轉(zhuǎn)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 組合體垂直吊裝方案

進(jìn)行組合體起吊翻轉(zhuǎn)首先需將組合體垂直吊離支撐裝置至翻轉(zhuǎn)工位。垂直吊裝時采用3點(diǎn)起吊方案：a）后吊點(diǎn)借用2個全箭吊點(diǎn)；b）前吊點(diǎn)采用專用起吊板與后過渡段前端框相連。各吊點(diǎn)與吊鏈轉(zhuǎn)接件均采用轉(zhuǎn)動銷軸連接，為后續(xù)組合體的翻轉(zhuǎn)工作提供翻轉(zhuǎn)軸。吊具方案如圖4所示。

圖4 組合體垂直吊裝吊具Fig.4 Spreaders for Lifting Engine Assembly Vertically

前吊點(diǎn)的起吊板與后過渡段前端框?qū)涌紫噙B，為確保箭體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用工況，經(jīng)與箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計核算，起吊板與端框用8個材料為30CrMnSiA的定位螺栓連接可滿足使用要求。起吊板及定位螺栓結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 起吊板結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of Spreader Adapter Plate

為確保吊裝過程吊具安全，對圖5中的轉(zhuǎn)接件進(jìn)行強(qiáng)度校核。轉(zhuǎn)接件吊耳尺寸見圖6，載荷及材料參數(shù)見表6。

圖6 起吊板結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of Lifting Lug

表6 吊梁載荷及材料參數(shù)Tab.6 Load and Material Parameters of Lifting Lug

經(jīng)受力分析確定A-A截面為危險截面，強(qiáng)度校核如下：

式中σA為截面A處的拉應(yīng)力；Q為計算載荷；S為轉(zhuǎn)接件厚度；R和d分別為轉(zhuǎn)接件外圓半徑和圓孔內(nèi)徑。

由式（1）得σA=3.6 MPa。

式中n為安全系數(shù)；σS為材料屈服強(qiáng)度。

由式（2）得n=231.9 MPa，在安全范圍內(nèi)。

2.2.2 組合體翻轉(zhuǎn)方案

組合體翻轉(zhuǎn)在組合體從支撐裝置吊裝至翻轉(zhuǎn)工位后進(jìn)行，翻轉(zhuǎn)時選取2個全箭后吊點(diǎn)的軸銷為翻轉(zhuǎn)軸（該處吊具與垂直吊裝時相同），經(jīng)箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計核算，可由2個與發(fā)射支座相連的吊鏈提供向上的拉力完成翻轉(zhuǎn)作業(yè)。翻轉(zhuǎn)方案見圖7。

圖7 組合體翻轉(zhuǎn)吊具Fig.7 Spreaders for Reversing Engine Assembly

與發(fā)射支座連接的吊鏈采用1個吊軸和2個轉(zhuǎn)接件的組合實現(xiàn)沿軸向和徑向2個自由度的轉(zhuǎn)動，以適應(yīng)翻轉(zhuǎn)過程中組合體連續(xù)變化的傾斜姿態(tài)，同時使吊具安裝操作更加簡便、安全。吊具與發(fā)射支座連接結(jié)構(gòu)見圖8。翻轉(zhuǎn)吊具轉(zhuǎn)接件與垂直吊具轉(zhuǎn)接件結(jié)構(gòu)和材料保持一致，吊裝時載荷也保持一致，強(qiáng)度滿足需求。

圖8 吊具與發(fā)射支座連接結(jié)構(gòu)Fig.8 Connecting Structure Between Spreaders and Rocket Body

2.3 對接裝配流程與操作方法設(shè)計

2.3.1 對接裝配流程設(shè)計

發(fā)動機(jī)垂直對接主要步驟包括：尾段支撐、組合體垂直對接、組合體垂直吊裝、組合體翻轉(zhuǎn)與前段箭體對接。綜合考慮廠房天車航向、吊裝方案、箭體吊點(diǎn)位置等限制因素，組合體與前段箭體的俯視布局關(guān)系如圖9所示。

圖9 組合體和前段箭體的俯視布局Fig.9 Layout of Engine Assembly and Front Rocket Body

綜合分析吊裝方案及各限制因素，充分考慮操作的簡便性和安全性，進(jìn)行對接裝配流程設(shè)計，具體流程見圖10。

圖10 發(fā)動機(jī)組合體和前段箭體的俯視布局Fig.10 Docking Assembling Process of Engine Assembly

2.3.2 發(fā)動機(jī)與尾段吊裝試對接方案

組合體垂直對接前需先將發(fā)動機(jī)垂直吊裝與尾段進(jìn)行試對接，采用固定在尾段對接孔的導(dǎo)向螺栓實現(xiàn)發(fā)動機(jī)下落過程中對接孔的找正。吊具、發(fā)動機(jī)機(jī)架凸塊與尾段的位置連接關(guān)系見圖7。

圖11 吊具、發(fā)動機(jī)機(jī)架凸塊與尾段的位置連接關(guān)系Fig.11 Connection Relationship Between Spreaders and Rocket Body

2.3.3 主對接螺栓裝配方案

組合體主對接螺栓穿過的“L”型鋼板上同時安裝有徑向螺栓，為確保對接裝配順利，先將“L”型鋼板與尾段進(jìn)預(yù)裝配，“L”型鋼板與尾段連接螺栓暫不擰緊，預(yù)裝配時“L”型鋼板沿徑向向外張開。后過渡段吊裝下落時通過主對接螺栓的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)找正對接孔，最后調(diào)整“L”型鋼板完成主對接螺栓的裝配?！癓”型鋼板裝配關(guān)系見圖12。

圖12 “L”型鋼板裝配關(guān)系Fig.12 Assembly Relationship of L-shaped Steel Plate

3 試驗驗證

采用該方案完成了兩次芯一級發(fā)動機(jī)的對接裝配工作。試驗表明發(fā)動機(jī)與總體接口對接裝配處工作正常，驗證了該方案的正確性。

試驗結(jié)果表明，該垂直對接裝配方案有以下優(yōu)點(diǎn)：

a）發(fā)動機(jī)、尾段、后過渡段吊裝、翻轉(zhuǎn)一次性完成，過程中吊具及箭體結(jié)構(gòu)正常，證明吊裝方案及吊具設(shè)計的正確性；

b）采用垂直對接裝配能有效減小發(fā)動機(jī)機(jī)架及殼段對接框徑向變形，使對接孔找正簡單易行。

4 結(jié)束語

通過對裝配需求、限制條件等綜合分析，設(shè)計了合理的吊裝方案和對接流程，并對操作方法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)中國液體火箭發(fā)動機(jī)垂直對接裝配，經(jīng)試驗驗證了方案的正確性。結(jié)果表明采用垂直對接裝配方案可有效減小發(fā)動機(jī)機(jī)架及殼段對接框徑向變形，降低對接難度、提高裝配質(zhì)量。該方案對未來中國大型及重型火箭發(fā)動機(jī)對接裝配提供了寶貴經(jīng)驗。