航天火工連接分離機構設計技術研究

葉耀坤，劉天雄，溫玉全，丁 鋒，滿劍鋒(.北京空間飛行器總體設計部，北京00094；.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京0008)

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航天火工連接分離機構設計技術研究

葉耀坤1，劉天雄1，溫玉全2，丁 鋒1，滿劍鋒1
(1.北京空間飛行器總體設計部，北京100094；2.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京100081)

摘要:針對現有火工連接分離機構設計方法過于依賴經驗和試驗等現狀，以一種楔塊式火工連接分離裝置為案例，探索了一種基于仿真分析開展前期設計，通過多參量同步試驗進行小子樣驗證的設計方法，該方法以理論設計為主、測試為輔，相比傳統測試方法，具有設計可信度高、試驗樣品消耗量少、更清楚揭示產品性能等特點。

關鍵詞:火工連接與分離機構；設計方法；仿真分析多；參量測試

1　引言

目前，我國航天器用的火工連接與分離機構基本都是依靠傳統的經驗進行設計，即“基于現有產品結構改裝設計—加工試驗驗證—結構改進—再加工試驗驗證”的設計方法[1-2]，這種設計方法不僅需要消耗大量的試驗樣品，花費較多的科研經費和較長的設計周期，還會導致設計人員對自己設計的產品沒有究根揭底的認識；且當產品在實際應用過程中出現問題后，設計人員都無法判斷問題源自何處。據調研了解，在一些相關研究所中，已逐步采用強度校核公式驗證火工機構的連接強度是否滿足設計要求[3]，用內彈道仿真計算研究火工機構內部火藥的燃氣壓力隨時間變化規律[4]。盡管如此，其設計方法和研究手段依然相對單調，缺少系統、理論性強的設計方法。因此，從提高航天火工連接與分離機構工程設計水平角度考慮，本文以一種典型火工機構設計為例，在傳統設計方法基礎上探討一種更先進、更系統的設計方法。

2　新設計方法的提出

航天器用火工連接與分離機構(下面簡稱火工機構)一般具有連接與分離兩個功能。本研究提出的新設計方法，核心思想是綜合強度校核理論、內彈道模型、分離模型和數值仿真的理論方法，在傳統設計方法基礎上，提出一套以理論預測為主、試驗驗證為輔的設計方法，其主要思想如下:

1)基于航天器機構分系統的連接與分離功能要求，對火工機構原理樣機方案進行論證，確定原理樣機初步方案；

2)為了解決初步原理樣機部分性能不滿足要求的問題，基于初步原理樣機連接與分離性能的影響因素分析，對火工機構的結構尺寸與性能優化設計原理進行研究，進一步確定原理樣機結構；

3)為了改變火工機構設計主要依靠試驗的現狀，綜合強度校核、內彈道計算、分離數值模擬等現代化分析手段，對火工機構的內彈道模型、分離模型等理論設計原理進行研究，從理論上預測出其基本性能參數；

4)為了解決火工機構現有性能驗證試驗測試技術存在單次測試信息量少、測量精度不高等問題，基于同一發產品同時測試多個參量的思想，對火工機構的同步多參量同步測試技術和測試系統進行研究；并基于多參量同步測試系統開展試驗研究，驗證火工機構是否滿足航天器機構分系統要求。

將上述新設計方法用流程圖表示，如圖1所示。

圖1　基于新設計方法的火工機構設計流程圖Fig. 1 Design flow chart of the initiating mechanism based on the new design method

3　基于某典型火工機構的案例設計

為了闡述火工連接與分離機構新設計方法，本研究以某典型火工機構為案例，結合新設計方法的核心思想開展設計工作。

3. 1 設計要求的確定

一般而言，火工機構設計時應該首先考慮以下幾個參數[5]:1)幾何外形與接口尺寸；2)連接承載力；3)分離沖量；4)分離時間；5)分離同步性；6)污染性和氣密性；7)可靠性。

3. 2 結構原理方案的設計

火工連接與分離機構的結構原理方案主要根據設計要求，并通過各類原理的火工連接分離裝置文獻調研[1-3]，選擇幾種合適的結構原理方案進行比較分析與論證，并最終確定初步方案。對于本研究，選擇一種具有代表性的楔塊式連接分離裝置作為研究對象，其基本涵蓋了航天器用火工連接與分離機構所具備的高密封、低沖擊、小型化、強連接等特征，如圖2所示。

圖2　楔塊式火工連接分離裝置結構組成Fig. 2 Structure of wedge type pyrotechnic connection and separation device

上圖所示火工機構主要起到連接與分離作用，其分離原理是:通電引爆壓力藥筒，產生高溫高壓燃氣膨脹做功，推動擋板與活塞運動，第一次剪斷活塞桿與內筒之間的剪切銷，活塞桿軸向移動，失去支撐的三個楔塊開始徑向收縮，活塞桿繼續軸向移動，第二次剪斷外筒與內筒之間的剪切銷，同時楔塊“落地”，解除內筒與外筒之間的鎖定，完成解鎖動作；燃氣繼續推動擋板與活塞運動，將內筒以一定速度推出外筒，擋板留在外筒實現裝置的密封功能。根據新設計方法，需針對連接性能和分離性能進行理論設計與分析。

3. 3 連接強度校核理論

為了從理論角度驗證火工機構的連接強度是否滿足設計要求，需火工機構進行受力分析，確定薄弱環節，然后建立相應的強度校核理論[6]。基于圖2所示的結構，當受到軸向拉力時，單個火工機構的受力部件主要是內筒、外筒、楔塊。為此，需針對三個主要部件建立強度校核公式。

1)內筒

從圖3所示的內筒結構可知，當受到軸向力時，內筒的最薄弱環節有兩處，即螺紋段(A截面)，帶有三個孔的地方(B截面)。

圖3　內筒結構圖Fig. 3 Structure of the inner cylinder

根據一般拉伸強度公式可推導出A截面和B截面處極限承載力的計算公式如式(1)～(2):

其中，F0——B截面極限承載力，N；N——楔塊孔個數；S1——單個楔塊孔接觸面積，m2；d——內筒內徑，m；D——內筒外徑，m；σb——內筒材料抗拉強度，MPa；F1——A截面極限承載力，N；As——內筒螺紋截面積，m2。

2)外筒

結合圖2所示外筒的結構，對其進行受力分析可知，主要承受楔塊對其軸向的剪切作用。因此，強度最薄弱環節主要是與楔塊接觸處的軸向剪切力。根據強度校核理論[3]可推算外筒所能承受的最大軸向剪切力F2如式(3):

式中F2——外筒所受軸向剪切力，N；N——楔塊個數；S2——單個楔塊剪切面面積，m2；τwb——外筒剪切強度，MPa。

3)楔塊

楔塊是分離裝置中的主要受力部件，它同時受到活塞、內筒和外筒的作用力。其薄弱環節有兩處，即內筒對其斜角下部的剪切作用F3，外筒對其斜角處的擠壓作用F4，如圖2所示。根據強度校核理論[3]可得楔塊兩處薄弱環節的受力計算公式(4)～(5):

式中F3——楔塊受內筒的最大剪切力，N；S3——剪切面積，m2；F4——楔塊受外筒的最大擠壓力，N；σj= 1. 7σb——擠壓應力強度，MPa；S4——擠壓面積，m2；N——楔塊個數。

對內筒、外筒、楔塊進行強度校核后，通過綜合比較分析就可獲得火工機構的極限連接強度以及最薄弱環節。上述強度校核理論適用于具有相同截面形狀的分離裝置結構。

3. 4 基于內彈道模型的數值計算

火工機構的分離動力主要來自壓力藥筒中火藥燃燒后所形成的燃氣壓力，分析火工機構作用原理，不難發現和火炮的內彈道有著高度的相似。為此，可通過建立火工機構的內彈道模型獲取燃氣壓力，揭示火工機構內部作用機理[7]。

3. 4. 1 內彈道物理模型的建立

壓力藥筒燃氣作用過程是極其復雜的，為了簡化計算，作如下假設[7]:1)不考慮藥室參數的空間分布，藥室中各點參數相同；2)點火藥的燃燒規律按照火藥表面同時著火和平行層幾何燃燒情況進行；3)忽略藥粒形狀和尺寸的差異；4)燃燒產物的成分保持不變；5)在分離前密封性較好，沒有氣體外泄。

基于上述假設條件，以壓力藥筒產生的燃氣為研究對象，設起爆后任一時刻t對應燃氣的密度和體積分別為ρt、Vt，經Δt時刻后，對應燃氣密度和體積分別為ρ、V，燃氣的密度、體積以及質量的變化量為Δρ、ΔV、Δm，已知2/1樟火藥密度為ρP；設火藥燃燒面積為Ab，瞬時燃速為r，活塞面積為A，活塞運動速度為U，內彈道物理模型如圖4所示[7]。

圖4　火工機構作用過程的內彈道物理模型Fig. 4 Ballistic model of initiating mechanism

3. 4. 2 內彈道數學模型的建立

基于內彈道物理模型，可依次根據質量守恒方程、能量守恒方程、藥室容積變化方程、燃速方程、活塞運動方程、火藥面積變化方程、氣體狀態方程等理論對壓力藥筒燃氣作用過程的內彈道關系式進行推導，并組建內彈道方程組公式(6):

cP、cV為定壓、定容比熱；TP為定壓爆溫，℃；p為藥室壓強，MPa；χ為熱損失系數；T為藥室燃氣溫度，℃；F為分離阻力，N；r1為燃速常數；n為燃速指數；x為任意時刻燃去的肉厚，m；α為氣體余容；L、D、d分別為管狀藥長度、外徑和內徑，m；S為任意時刻表面積，m2；mP為火藥總質量，kg。

3. 4. 3內彈道數值計算結果

基于式(6)的內彈道數學模型，可通過MATLAB/ Simulink模塊仿真計算出燃氣壓力—時間(P-t)曲線。為了驗證內彈道計算結果，保證分離仿真模型中燃氣壓力載荷的準確性，進行了燃氣壓力測試，測試結果和仿真結果如圖5所示。

由測試結果和內彈道仿真結果比較分析，可得出內彈道計算具有一定準確性，可揭示火工機構壓力藥筒的燃氣壓力變化規律，其適用條件是要符合物理模型的假設條件。

3. 5 分離模型與數值仿真

為了從理論角度驗證火工機構的分離性能是否滿足設計要求，可采用有限元計算軟件ABAQUS[8-10]模擬仿真火工分離裝置的分離過程，以期從理論上得出可視化分離過程及分離時間、分離沖量、分離位移和分離速度等關鍵分離性能參數，揭示產品分離性能參數的設計狀態。

3. 5. 1 有限元模型的建立

由于楔塊式連接分離裝置為非對稱結構，需要建立全模型進行仿真計算，如圖6(a)所示。模型由外筒、內筒、活塞、3個楔塊和擋板組成，組件較多且不規則，在網格劃分時，需對各個組件進行分割，然后依次采用細網格劃分的線性減縮積分單元C3D8R類型進行網格劃分，如圖6(b)所示。

圖5　壓力藥筒燃氣P-t曲線Fig. 5 P-t curve of the cartridge’s gas pressure

圖6　楔塊式連接分離裝置的有限元模型Fig. 6 Finite element model of the wedge type connection device

模型中外筒材料為30CrMnSi，內筒材料為0Cr17Ni4-Cu4Nb，活塞材料為T8A，楔塊材料為30CrMnSi，擋板材料為0Cr17Ni4-Cu4Nb。為提高模型的收斂性，對外筒施加三維固定約束，其他部件選用面與面彈性接觸模型。為了讓分離仿真結果更加準確，燃氣壓力載荷條件最終選定試驗所得的P-t曲線，并施加在火工機構的擋板中。

3. 5. 2 分離仿真結果

1)分離過程的揭示

圖7為通過ABAQUS軟件仿真得到的火工機構在不同時刻的分離運動狀態。根據仿真結果，可以進一步證明分離裝置的作用機理為:壓力藥筒被引燃后產生高溫高壓燃氣膨脹做功，推動擋板及活塞軸向運動，當活塞細桿端與楔塊正對時，三個楔塊因外筒斜面擠壓作用而下落，最后與活塞一起嵌入內筒中，并在擋板的推動作用下脫離外筒，最終完成解鎖分離功能。此外，通過分析外筒、內筒、楔塊、活塞及擋板的運動情況，可得出活塞和三個楔塊稍微有變形，其它部件幾乎無變形。

圖7　火工機構不同時刻的分離運動狀態Fig.7 Separate motion state of the wedge type connection device at different times

2)分離性能理論預測

通過分離過程的模擬仿真，可獲得分離位移、分離時間、分離速度、分離加速度、分離沖量等主要分離參數。為了驗證其準確性，采用了多參量同步試驗進行驗證，理論分析結果與試驗結果的對比如圖8所示。結果表明通過仿真分析活得的運動機構位移、速度、加速度等特性參數與試驗結果基本一致，說明該研究提出的設計方法可從理論角度預測火工連接分離裝置的性能及作用過程。

圖8　分離仿真結果與試驗結果對照Fig.8 Comparison of the simulation results and test results

通過上述內彈道計算、分離數值模擬等現代化分析手段，可反映火工機構分離運動過程，有效地揭示其作用原理，從定量角度獲得火工機構的分離位移、分離時間、分離速度、分離沖量、分離加速度等主要分離參數，填補了傳統的設計方法所不具備的理論設計手段。

3. 6 試驗驗證

為了驗證火工機構性能理論預測值的正確性，并從試驗角度評估火工機構性能是否滿足級間分離要求。首先，采用微機控制電子萬能拉伸試驗機，測得單個火工機構極限承載力，并驗證理論強度校核準確性。此外，根據新設計方法的基本思想，可通過基于同一發產品同時測試多個參量的思想，針對火工機構設計了一套相應的動態多參量同步測試系統，可在保持火工機構原有分離性能不變的條件下，對同一發產品的壓力藥筒燃氣壓力、分離部件運動位移、分離時間、速度、擾動沖量、加速度、污染性和密封性等參數進行同步測試[11-13]。如圖9所示。

圖9　多參量同步測試系統示意圖Fig. 9 Schematic diagram of the multi parameter synchronous test system

上述系統測試原理:壓力藥筒起爆后，信號調理器先將壓力傳感器的信號進行放大與濾波處理并輸出到動態分析儀，通過計算機顯示內腔氣體壓力—時間(P-t)曲線；同時壓力藥筒裝藥產生的高溫、高壓燃氣推動活塞運動使內筒與外筒分離，固定在內筒上的反射板隨內筒向前運動，激光位移傳感器的產生位移信號和加速度傳感器產生的沖擊加速度信號通過動態分析儀同時顯示內筒的位移—時間(s-t)曲線和加速度—時間(a-t)曲線。通—斷靶線測試的曲線也直接顯示在動態分析儀上，高速攝影儀記錄的圖片信號通過專用軟件顯示在動態分析儀的另一個畫面中。

在該測試系統中，重點解決了對解鎖火工機構分離位移、分離速度、分離加速度、分離沖量等參數的動態連續及高精度測試，多個傳感器布局設計、試驗測試工裝設計、多種傳感器同步觸發測試及誤差分析等關鍵技術。可從不同角度研究火工機構性能及作用過程，降低了試驗消耗成本，提高了性能測試水平和準確度，解決了目前火工分離裝置單次測試信息量少、試驗消耗量大等問題。典型的測試曲線如圖10所示。

通過多參量同步測試系統可對基于內彈道模型和分離仿真模型的數值計算結果進行試驗驗證，并測得壓力藥筒的燃氣峰值壓力、分離位移、分離時間、分離速度、分離沖量、分離加速度的主要分離性能參數，并檢測火工機構分離過程的密封性和污染性。

4　結論

本研究以一種典型火工機構的設計過程為案例，針對航天火工連接與分離機構提出了一套新的設計方法，主要涵蓋了原理樣機初步方案論證，原理樣機方案優化設計，基于強度校核、內彈道數值計算、分離過程模擬仿真等性能理論預測，多參量測試驗證四個主要思想，其中分離過程模擬仿真、多參量同步測試方法是設計方法的先進之處。

結合案例設計的研究分析，展示了所提出的航天火工連接與分離機構設計的新方法具有以理論設計為主、多參量同步測試為輔、試驗樣品消耗量少、設計可信度高的特點，比傳統設計方法能更清楚地揭示產品性能參數的設計狀態，對其它類似航天器火工連接分離裝置的工程設計具有指導價值。

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Study on Design Technology of Space Pyrotechnic Connection and Separation Mechanism

YE Yaokun1，LIU Tianxiong1，WEN Yuquan2，DING Feng1，MAN Jianfeng1
(1. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China；2. State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute ofTechnology，Beijing 100081，China)

Abstract:The design method of pyrotechnic connection separation mechanism depends heavily on experience and the test status at present. With a wedge type pyrotechnic connection and separation device as an example，a new method was studied. Preliminary design was carried out on the basis of simulation analysis and the small sample was used to verify the design by multi parameter synchronous test method. The proposed method primarily used the theoretical design and supplemented by the test. Compared with the traditional test methods，the new design method has the advantages of high reliability，less sample consumption and more clear demonstration of the performance characteristics.

Key words:pyrotechnic connection and separation mechanism；design method；simulation analysis；multi-parameter test

作者簡介:葉耀坤(1986 - )，男，博士，高級工程師，研究方向為航天器連接分離技術。E-mail:yeyaokun@163. com

基金項目:國家自然科學基金委員會與中國工程物理研究院聯合基金資助項目(U1530135)

收稿日期:2015-08-22；修回日期:2015-12-21

中圖分類號:TJ450. 2

文獻標識碼:A

文章編號:1674-5825(2016)01-0062-07