中科宇航完成ZK1a运载火箭冷气级间分离试验

　　来源中科宇航
　　最爱的是团队一起奋斗的黄昏，余晖透过试验室的窗户，这一年我们一起低头论证、试验，反复迭代，抬头是试验成功的一瞬间，一幕幕历历在目，阶段性的试验成功让我们欢心鼓舞。明爱珍，中科宇航运载火箭结构系统设计师，冷气分离系统负责人。
　　背景篇
　　传统运载火箭级间分离多采用固体小火箭作为分离冲量能源。固体小火箭能提供的能量比冲大，但是对安全性的要求极高，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。其次固体小火箭工作时的燃气喷流会产生污染，不适合用于上面级和星罩分离。机械式分离弹簧克服了火工固体小火箭的缺点，可靠性也较高，但是提供的分离冲量小，且自身重量较重，不满足减重要求。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，采用气动作为能源的冲量装置不断涌现并日趋成熟，国外SPACEX已采用冷气系统作为冲量分离装置。中科宇航研制的运载火箭末级级间分离子在国内首次采用了冷气推冲系统作为分离冲量装置，具体设计采用排气式冷气分离装置使用高压气体作为能源，经过喷管扩张膨胀，将压力能转换为速度能，从而产生冲量。推冲装置是指活塞式作动筒，解决了喷气不稳定的问题。
　　理论篇
　　冷气推冲系统包括一个或多个气瓶、组合阀、电磁阀、一个或多个作动筒推冲装置、管路。气瓶充入高压气体，开关阀门为常闭式。分离信号发出后，阀门打开，高压气体通过组合阀充入推冲装置空腔中。分离两体解锁后，推杆在高压气体的作用下迅速推出，从而推开两体，实现分离。
　　图1推力与直径、长度的关系
　　随着活塞筒内径减小，推杆推力减小，但是活塞筒截面积与推力并非线性关系，随截面积减小，推力下降越来越快。为保持推力稳定，首先，可对冷气推冲系统进行改进设计，在开关阀门前（或后）增加减压阀。保证减压阀稳定的气压输出，气瓶中气量应足够多。气量的影响因素包括气瓶压强和气瓶体积，分析气瓶体积推冲装置体积、气瓶压强与推杆推力的关系，结果如图2所示。
　　图2推杆推力与气瓶压强、气瓶体积的关系
　　试验篇
　　冷气推冲系统从理论论证到系统级试验历时整整一年，研制从单机原理性试验，到组件级试验、到后来的系统级试验严格恪守研制流程，经历了原理试验、流量试验、冲量试验、电气匹配试验、单杆推冲综合试验、多杆推冲综合试验、保压可靠性试验、环境振动试验、系统噪声试验、时序匹配试验，系统组合时序功能试验到最后的系统级间分离试验，不断锤炼产品和系统的品质。
　　图3系统级冷气分离试验
　　冷气推冲分离系统的诸多关键技术均为国内首次探索，并应用于工程项目。系统级间分离试验结果显示，冷气推冲系统的设计与理论要求吻合很好，产品满足性能要求。
　　图4冷气分离系统