从织女星发射失利谈火箭级间分离

航天是一项高风险的行业，航天飞行器总体设计的过程就是将看似神秘的诸多技术指标细化分解成对各个系统兼具可行性和可靠性的具体设计要求，并最终通过各个具体技术细节的有机结合，完成人类翱翔太空的使命。其中航天分离技术恰恰是航天飞行器总体设计中的一项极为关键技术。以运载火箭为代表，分离设计包含有级间分离、助推器分离、有效载荷整流罩分离等诸多环节。

据统计，历史上因级间分离系统故障造成的运载火箭失利屡见不鲜。

部分国外级间分离故障案例

序号

任务时间

国家

火箭型号

故障定位

序号

任务时间

国家

火箭型号

故障定位

如果把火箭飞行看成是一场接力赛跑，分离过程就好比交接棒，前一棒选手通过不断调整，在接棒区内为后一棒选手创造舒适的接棒条件；后一棒选手则启动加速，在接棒区内完成准确、及时接棒，并向着下一个阶段冲刺。交接棒的成功与否可能受到赛场环境、跑道条件等外部条件的影响，但最重要的是运动员的配合默契程度，是无缝衔接，还是手忙脚乱，运动场上耽误的只是时间，飞行过程中可没有掉棒重捡的机会。

为了便于理解，这里将级间分离的过程与接力赛进行类比描述：

1、前一棒选手接近接棒区，进入交棒准备（飞行程序进入分离区间，开始判断分离时机）；

2、后一棒选手启动加速，进入接棒准备（下一级发动机点火，等待分离时机）；

3、交接棒（完成分离解锁）；

4、后一棒选手调整至最佳状态，开始下一阶段冲刺。

为了提高接棒质量、保证稳定可靠，前一棒选手得小心翼翼的保持接力棒的稳定，好让接棒者能准确轻松的抓住接力棒；同时，后一棒选手也必须能够在高速接棒过程中保持自身的平衡，以便于接棒后迅速调整状态，接续飞行。这是控制稳定性问题，如果干扰超出了系统控制的阈值，则可能造成姿态失控，飞行终止。

为了确保下一棒选手能够在接棒动作上协调匹配并同时赢得时间优势，需要在接棒区内进行充分的加速，即下一级发动机需要提前启动并工作一段时间。固体火箭推力大，起飞质量轻，因此飞行过载大，动压和气动加热显著，不能像液体火箭那样直接使用开敞式杆系结构将发动机燃气顺畅排出。这段时间发动机燃气喷流在级间段内将产生相当严酷的高温高压环境，对经历此环境的设备来说将是终极的考验。这是热环境与热防护问题，如果防热功能失效，将无法继续正常飞行。

交接棒环节是接力赛中最关键、也最容易出问题的环节，交接动作失误甚至掉棒等现象时有发生，充分说明时间、空间协调匹配的重要性。对应于火箭飞行，连接解锁环节也是级间分离的核心和关键。从鲁棒性角度出发，希望能够容忍一定的参数波动影响，即在各种环境、结构、控制存在偏离的情况下仍能正常分离，通俗讲就是能力强不挑活；从可靠性角度出发，最好能够在重要的场合采取冗余措施，规避因元器件单点故障造成严重后果。

按照分离能源的不同，可以分为冷分离“接棒”和热分离“接棒”。热分离指下面级发动机推力尚未消失，下一级发动机即点火工作，当推力达到一定值时，连接解锁装置解锁，下一级依靠发动机推力加速，上一级在下一级发动机燃气流的压力和气动阻力下减速，从而实现两体分离。冷分离相对热分离而言，上一级推力已经消失，下一级发动机尚未启动，连接解锁装置解锁，依靠分离冲量装置使两级分离，分离完成后，下一级发动机再启动。

冷分离和热分离方式性能对比

分离方式

冷分离

热分离

分离方式

冷分离

热分离

先进和可靠的分离系统设计与产品实现，永远是值得探索和追求的目标。“懦夫从不启程，弱者死于路中，我们一起前行，一步都不能停”国内传统的“交接棒”通常选用火工品实现，这不可避免的带来了较恶劣的冲击环境，对下一级飞行控制设备产生有害影响，严重时造成设备故障。

传统火工分离冲量装置，如固体小火箭、火工做动筒，对产品安全性的要求极高，需要专门的存放库房和具备相应的防爆等级的厂房才能保存和安装，且安装时需要配套的防静电措施，对贮存和使用的环境要求也较高。机械式分离弹簧虽然可靠，但是提供的分离冲量小，且自身重量较重，对运载能力造成一定程度上的损失。

因此，研制新型非火工能源成为了国内外航天器分离系统研究的重要方向，采用电动、气动作为能源的连接解锁装置不断涌现并日趋成熟。

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End

本文转载自“中科宇航”，原标题《从织女星发射失利 - 谈火箭级间分离，运载长跑中的接力》

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编辑：林紫、娜娜

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