“最愛的是團隊一起奮鬥的黃昏，餘暉透過試驗室的窗戶，這一年我們一起低頭論證、試驗，反覆迭代，抬頭是試驗成功的一瞬間，一幕幕歷歷在目，階段性的試驗成功讓我們歡心鼓舞。” —— 明愛珍，中科宇航運載火箭結構系統設計師，冷氣分離系統負責人。

背景篇

傳統運載火箭級間分離多采用固體小火箭作為分離衝量能源。固體小火箭能提供的能量比衝大，但是對安全性的要求極高，需要專門的存放庫房和具備相應的防爆等級的廠房才能儲存和安裝，且安裝時需要配套的防靜電措施，對貯存和使用的環境要求也較高。其次固體小火箭工作時的燃氣噴流會產生汙染，不適合用於上面級和星罩分離。機械式分離彈簧克服了火工固體小火箭的缺點，可靠性也較高，但是提供的分離衝量小，且自身重量較重，不滿足減重要求。因此，研製新型非火工能源成為了國內外航天器分離系統研究的重要方向，採用氣動作為能源的衝量裝置不斷湧現並日趨成熟，國外SPACEX已採用冷氣系統作為衝量分離裝置。中科宇航研製的運載火箭末級級間分離子在國內首次採用了冷氣推衝系統作為分離衝量裝置，具體設計採用排氣式冷氣分離裝置使用高壓氣體作為能源，經過噴管擴張膨脹，將壓力能轉換為速度能，從而產生衝量。推衝裝置是指活塞式作動筒，解決了噴氣不穩定的問題。

理論篇

冷氣推衝系統包括一個或多個氣瓶、組合閥、電磁閥、一個或多個作動筒推衝裝置、管路。氣瓶充入高壓氣體，開關閥門為常閉式。分離訊號發出後，閥門開啟，高壓氣體透過組合閥充入推衝裝置空腔中。分離兩體解鎖後，推杆在高壓氣體的作用下迅速推出，從而推開兩體，實現分離。

圖1 推力與直徑、長度的關係

隨著活塞筒內徑減小，推杆推力減小，但是活塞筒截面積與推力並非線性關係，隨截面積減小，推力下降越來越快。為保持推力穩定，首先，可對冷氣推衝系統進行改進設計，在開關閥門前（或後）增加減壓閥。保證減壓閥穩定的氣壓輸出，氣瓶中氣量應足夠多。氣量的影響因素包括氣瓶壓強和氣瓶體積，分析氣瓶體積/推衝裝置體積、氣瓶壓強與推杆推力的關係，結果如圖 2 所示。

圖2 推杆推力與氣瓶壓強、氣瓶體積的關係

試驗篇

冷氣推衝系統從理論論證到系統級試驗歷時整整一年，研製從單機原理性試驗，到元件級試驗、到後來的系統級試驗嚴格恪守研製流程，經歷了原理試驗、流量試驗、衝量試驗、電氣匹配試驗、單杆推衝綜合試驗、多杆推衝綜合試驗、保壓可靠性試驗、環境振動試驗、系統噪聲試驗、時序匹配試驗，系統組合時序功能試驗到最後的系統級間分離試驗，不斷錘鍊產品和系統的品質。

圖3 系統級冷氣分離試驗

冷氣推衝分離系統的諸多關鍵技術均為國內首次探索，並應用於工程專案。系統級間分離試驗結果顯示，冷氣推衝系統的設計與理論要求吻合很好，產品滿足效能要求。

圖4 冷氣分離系統