箭体水平吊具轴向质心调节方法

北京航天发射技术研究所 北京 100076

摘 要：吊具作为航天领域地面发射支持系统的重要组成部分，承担着运载火箭各级产品的吊装转载任务。不同型号和批次的火箭的质心存在着较大偏差。为满足某型号所有批次箭体产品的水平吊装，文中通过对不同类型的箭体水平吊具的工作原理和使用方法进行研究，并对比分析了各个方案的优缺点。针对不同的被吊产品特点，设计出了可靠的箭体水平吊具质心调节方案设计流程和轴向质心调节方案，可为后续其他型号箭体水平吊具的设计提供借鉴。

关键词：轴心质心调节；箭体水平吊具；设计方案；设计流程

中图分类号：V465 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）21-0055-08

0 引言

吊具作为火箭地面发射支持系统的重要组成部分，承担着运载火箭各项产品的吊装转载任务。吊装设备的主要吊装状态包括水平吊装、翻转吊装以及垂直吊装。在产品的吊装过程中，为保证吊装姿态及产品的吊装安全性，需根据不同产品的吊装需求对吊具进行状态调节，其中尤以水平吊装过程中，被吊产品质心位置与理论位置之间的偏差，对起吊状态的影响最大。

当被吊产品的质心位置与吊具设计理论位置存在偏差时，对被吊产品的起吊水平度、吊点受力等均会造成影响。针对上述问题，目前尚无统一的标准要求，不同吊具采用了不同的调节方式，即使是起吊完全类似的两种产品，其调节方式也不尽相同，这对吊具产品的状态控制、维护保障带来了一定的困难[1]。

1 箭体质心偏差范围分析

沿火箭轴向方向的质心偏差主要存在于火箭运载型号各级箭体的水平起吊中。如对3.35 m 直径运载火箭的水平起吊吊具，若箭体质心沿轴向存在偏差，将对起吊过程中箭体的水平度造成影响，如果倾斜角度大于3°，将影响起吊安全性。

产品的轴向质心偏差指沿箭体轴线方向的质心位置相对于理论质心位置的偏移量。据资料显示，目前我国现役运载火箭的轴向质心最大偏差为±300 mm，最小偏差为±50 mm，目前在设计时，取中间值为理论质心位置[3]。

火箭运载型号各级箭体的吊具多采用单梁横跨式四吊索斜拉起吊方式，即吊具的吊梁轴线与箭体轴线垂直，某型号一级箭体吊装示意如图1 所示[2]。

图 1 某型号火箭分级箭体吊装示意图

某型号火箭分级箭体的吊具采用单梁平行式四吊索斜拉起吊方式，即吊具的吊梁轴线与箭体轴线平行，某型号的分级箭体吊装示意如图2 所示。

图 2 分级箭体吊装示意图

运载型号的各级箭体在进行单钩水平吊装时，一般应针对质心偏差设计吊具，适应其偏差，该类吊具设计时主要包含以下几个特点：

1）采用单钩起吊；

2）产品沿轴向的质心偏差一般较大，最大可到±300 mm；

3）起吊时，一般允许一定的倾斜，通常不允许大于3°；

4）产品实际质心与测量质心存在一定差别；

5）起吊过程中，需配合完成箭体与停放支架车的连接和固定；从上述特点看，该类产品起吊时，对水平度要求不高，同时，由于停放支架车的特点，有配合要求的一侧还需略低，方便对接。

通过对多个现役型号被吊产品的质心偏差情况梳理分析，总结被吊产品质心对吊具设计的影响如表1 所示。

2 适应产品轴向质心偏差的调节方法

适应产品轴向质心偏差的吊具调节方案，目前一般分为三种：

1) 通过调整吊索长度 产品单钩起吊，采用单梁四吊索吊具，单梁与产品轴线垂直，通过调整吊索长度改变吊具吊耳所在的垂线，使其与产品质心所在垂线重合；

2) 连接梁上吊轴位置调节 产品单钩起吊，采用单梁双吊索+ 连接梁吊具，单梁与产品轴线垂直，连接梁连于产品两侧，通过调整连接梁上吊轴的位置，使其与质心所在垂线重合；

3) 吊具吊耳位置调节 产品单钩起吊，采用主梁+端梁吊具，主梁与产品轴线平行，通过调整吊耳在主梁上的位置使其移至产品质心所在垂线。

2.1 通过调整吊索长度实现质心调节

1) 圆环链+ 卸扣调节

运载火箭各级箭体采用单钩水平起吊时，一般采用横梁与箭体轴线垂直，两边各连接两根吊索的四点起吊方式，图3 所示为助推器起吊。

吊具主要由吊耳、横梁、吊索、圆环链、卸扣等组成。使用时，根据箭体质心的实际位置计算出吊索长度，并通过在吊索上增减圆环或卸扣的数量，改变吊索长度，使横梁在箭体轴线方向的位置发生变化，吊耳与质心所在的垂线重合，保证箭体起吊时水平。

当出现调整不当时或提供的质心位置与实际值偏差较大，需将吊具与产品分离，并移至安全位置，下降至人员可及处重新调整吊索长度。用于长度调节的圆环链、卸扣如图4 所示。

图 3 助推器吊装示意

图 4 调节用零件（圆环链、卸扣）

2) 调节耳调节

图5 为某型号箭体吊具示意图，采用单钩起吊，横梁与箭体轴线垂直，为适应箭体质心轴向偏差，设置了如图5 中12 所示的调节耳，进行吊索长度的调节，调节耳兼顾了与产品的连接功能。

当出现产品吊装倾斜过大时，需拆除吊具与产品的连接，增减调节耳数量，重新连接起吊。

1．吊耳 2. 叉架 3. 销轴 4. 垫片 5. 止动销 6. 横梁 7. 螺栓和螺母 8. 卡环

9. 连接耳 10. 止动销 11. 吊索 12. 调节耳

图 5 箭体吊具示意图

2.2 通过调整连接梁上吊轴位置实现质心调节

某型号整流罩半罩翻转吊具采用过渡梁实现质心位置调节，过渡梁上设有如干吊轴连接孔，用于质心位置调节。

过渡梁先连接在半罩的前后端轴颈上，再根据标于半罩上的质心位置，选择连接孔连接吊轴。

2.3 通过调整吊点在横梁上的位置实现质心调节

箭体采用单钩水平起吊时，一般采用横梁与箭体轴线平行，横梁两端设有端梁，端梁两端各设置两根吊索，进行四点起吊。当箭体质心存在偏差时，通过调整吊耳在横梁上位置，将吊耳移至箭体实际质心所在的垂线上，使产品起吊时保持水平状态。

1）可移动吊挂组合

如图6 所示，吊具主要由吊挂组合、主梁、前端梁、后端梁、支腿、吊杆、卡环等组成。其中，为适应轴向质心变化，吊挂组合的位置可以在主梁上进行滑动调节。

主梁底部和吊挂组合内部均设有齿板，当吊挂组合调整到位后，通过齿板固定。同时，由于吊挂组合位置调整后，吊梁本身起吊会发生倾斜，为解决该问题，吊具设计了支腿，吊具自身起吊时，吊挂位置位于主梁中间位置，当吊至箭体上方并与箭体连接后，下降吊具至支腿与箭体接触，操作人员登上箭体完成吊挂组合的调整再进行起吊。

当起吊发生倾斜时，操作人员重新登上箭体，完成吊挂组合的位置调整。

1. 挡环 2. 止动销 3. 吊挂组合 4. 主梁 5. 后端梁6. 前端梁 7. 支腿 8. 卡环 9. 吊杆 10、11. 刻度尺

图 6 分级箭体吊具

2） 移动吊挂组合+ 滑动配重

针对分级箭体吊具的特点，对吊具进行了改进，如图7 所示。主要改进点是增加了滑动配重，滑动配重可以由手轮驱动，在主梁内部通过齿板进行移动。当吊挂组合根据质心位置进行调整后，滑动配重也进行相应的位置调整，使吊梁在自身起吊时也处于平衡状态，避免了人员在箭体上进行吊具调整的环节，提高了操作安全性和可靠性。

当起吊发生倾斜时，需解除吊具与产品连接，吊具吊至安全位置放于地面，重新进行调整。

图 7 全箭吊具示意图

3） 多组吊耳连接孔

图8 所示为某火箭吊具示意图。其横梁中部设置多组吊耳连接孔，当产品质心变化时，调整吊耳连接的位置，满足产品水平吊装要求。

图 8 多组连接孔示意

4） 位置可调整吊耳

图9 所示为某型号火箭一级箭体吊具[4]，其横梁中部的吊耳可通过叉架沿横梁移动，并通过两侧的螺杆实现位置固定。

图 9 一级箭体吊具

2.4 各调节方法对比分析

不同调节方法的特点如表2 所示。通过表2 对各种调节方式特点分析，总结为：

1) 大部分的调节方式仅能实现有级调节，无法适应小范围调整，因此适用于被吊产品允许一定倾斜的情况；

2) 圆环链+ 卸扣、调节耳等的调节方式，由于被吊产品质心调整范围大，因此配套数量较多，如果将其设置在吊索末端与产品连接处，卸载时，会由于自重原因下垂，有磕碰产品的风险，因此，一般将其设置在吊索与吊梁连接处，确保产品安全，这就导致该方法每次调节，吊具必须与产品分离，并降下吊具，影响任务时间；

3) 目前的调整环节均需根据已知质心，在吊具与产品连接前完成，而质心则是通过称重获得，可能存在一定的偏差，如果无法满足起吊要求，需拆下吊具再次调整，操作繁琐，影响任务流程时间；

4) 在吊索末端增加套筒的方案可以使调整环节不拆下吊具，但受空间限制，调整量有限，仅适用于质心偏差较小的场合。

3 质心调节方案研究

目前吊具质心调节方法众多且不规范，在进行质心调节方案设计时多依靠主管设计经验和喜好，设计过程中对操作便捷性、人机工学等因素考虑较少，因此，本章结合目前质心调节设计特点以及型号对吊装任务的需求，开展吊具质心调节方案研究。

3.1 质心调节方案设计准则

随着火箭型号发展，结合高密度、实战化的任务需求，确定质心调节方案的设计准则为：操作方便、快捷；符合人机工学；安全可靠；实战性强。

3.2 质心调节方案设计流程

从任务要求出发，对吊具质心调节方案的设计流程进行分析，见图10。

质心调节设计时，需要根据被吊产品的起吊要求、质心偏差时对被吊产品起吊状态及受力状态的影响进行首要分析，其次，对需要进行质心调节的产品，因根据调节范围需求、调节零件的可操作性、调节时间、人机工学等环节，选取最优的质心调节方案。

3.3 轴向质心调节方案

轴向质心调节根据吊梁与产品轴线夹角分为：吊梁与产品轴线垂直、吊梁与产品轴线平行两种。

1）吊梁与产品轴线垂直

当产品允许承受轴向力时，一般吊具方案采用吊梁与产品轴线垂直，单梁四吊索起吊。该类产品吊装有以下特点：质心偏差范围较大；允许一定角度的倾斜，一般为3°；某些产品对吊高、吊索与轴线夹角等有一定要求；某些运载火箭型号产品状态较多，质心跨度大；

图 10 吊具轴向质心调节方法的设计流程

某些产品吊点不能直接起吊，如整流罩半罩，由于其自身刚度差，直接起吊产品将发生较大变形。根据上述产品的特点分析，并按照图11 的质心调节方法设计流程，对该类产品进行质心调节方法的设计。可知，采用吊梁与产品轴线垂直的吊装方式，其轴向质心调节优选方案为：

①质心偏差大，允许一定倾斜时优选圆环链+ 卸扣的调节方案，常见于运载型号的各级箭体；并且单个卸扣质量不得大于12 kg，空闲圆环链总质量不得大于12 kg；

②质心偏差小，状态多，允许一定倾斜，吊高、夹角有限制时优选调节耳（多种）+ 自制花篮螺栓的调节方案，常见于运载型号的箭体；并且单个调节耳质量不得大于12 kg，调整环节不得拆除吊具；

③当产品吊点无法直接用于起吊时，采用增加过渡梁+ 吊轴的方案，吊轴自重不大于12 kg。

2）吊梁与产品轴线平行

当产品不允许承受轴向力时，一般采用吊梁与产品轴线平行，两端设有端梁并连接吊索。该类产品吊装有以下特点：质心偏差范围较大；允许一定角度倾斜，一般为3°；多用于小型火箭型号，实战化要求高。根据上述特点分析，并按照图12 的质心调节方法设计流程，对该类产品进行质心调节方法的设计。采用吊梁与产品轴线平行的吊装方式，其轴向质心调节方案优选移动吊挂组合+ 滑动配重的调节方案。

图 11 调节方法设计

4 结语

介绍了目前国内不同批次的现役火箭型号产品质心均存在较大的偏移量，为了满足水平吊装的要求，箭体水平吊具需具备轴向调节能力。详述了多种轴向水平调节的方法，并对各方法进行对比。经研究表明，不同的箭体产品应根据自身特点选择不同的质心调节水平吊装方式。最后对质心调节方案的设计流程和设计方案进行了介绍，用于指导箭体水平吊具的设计。

图 12 调节方法分析

参考文献

[1] 邵健帅，马广亮，王南. 质心可调式重型水平吊具[J].起重运输机械, 2017（11）：143-146.

[2] 焦晓飞, 马广亮, 邵健帅. 一种自动调平吊具设计[J].起重运输机械，2019 （5）：111-115.

[3] 程运江, 赵鹏飞, 赵日, 等. 一种通用化质心可调式水平吊具设计方法[J]. 航天制造技术,2019(1):66-70.

[4] 张卓娅.XX-1 火箭专用吊具设计[D]. 成都：电子科技大学，2011.