線式分離裝置產品化研究和實踐

/北京宇航系統工程研究所

航天運載器火工分離裝置分離解鎖過程的成敗直接關系到航天運載器飛行任務的成敗,因而一直倍受重視。火工分離裝置解鎖分離方法主要有點式分離和線式分離2種。相比點式分離裝置,線式分離裝置具有起爆裝置數量少、電源消耗低、可靠性高、分離同步性好、分離面密封性高、連接面結構剛度連續等優點。

由于線式分離裝置具有點式分離裝置不可比擬的優勢,近10多年來在北京宇航系統工程研究所之類的設計單位應用的越來越多,其分離材料繁雜多樣,分離面參數設計也五花八門、大同小異。目前,用于航天運載器僅研究所型號配套的線式分離裝置中的柔性導爆索分離裝置產品已達24種,對配套單位的設計能力、生產組織能力、質量管控能力均提出了新的挑戰。分離裝置結構件和火工品研制工作量大、試驗周期長、訂貨批次多、生產數量大,并且呈逐年增長趨勢。在現在的資源條件下,已無法滿足型號進度需求,產品交付進度已經成為型號研制的短板。此外,由于產品眾多,每個設計人員均需要負責約2～3種分離裝置的設計,占用了設計人員的大量精力,導致對新技術的研發和投入明顯不足,嚴重阻礙了型號研制和技術創新的發展。

針對上述存在的問題,采用產品壓縮、優化方式,逐步開展線式分離裝置產品化工作,形式合理優化的產品貨架是解決該問題的良好途徑。通過梳理、整合以往的使用品種,選取材料供貨和性能穩定、生產和安裝工藝性好、加工效率高、成本相對低的產品進行排列組合。減少了產品狀態、規范了設計參數、縮減了研制經費,同時提高了產品質量和可靠性。

圖1 線式分離裝置分類示意

一、工作與實踐

目前常用的線式分離裝置有柔性導爆索分離裝置、聚能切割索分離裝置、膨脹管一凹槽板分離裝置、膨脹管一凹口螺栓分離裝置和氣囊式無污染分離裝置等,如圖1所示。其中膨脹管類分離裝置和氣囊式分離裝置在近幾年來研制和應用中使用較多,并且多以借用以往的設計參數為主,因此這2種線式分離裝置的設計狀態一致性好,基本滿足產品化工作要求。而柔性導爆索分離裝置、聚能切割索分離裝置2種裝置應用較多,大多都為各型號新研,設計狀態多而雜。線式分離裝置的產品化工作以柔性導爆索分離裝置、聚能切割索分離裝置為開端,筆者以柔性導爆索為例介紹。

1.研制思路

統計和梳理現有柔性導爆索分離裝置應用情況及設計狀態,形成現有產品庫,每個產品的性能指標(見表1)。貨架產品從產品庫中選取,如柔性導爆索分離裝置,從分離環下手,依次確定柔性導爆索裝藥、保護罩、傳爆結構組件等結構,如圖2所示。這是一條齊全完整的、技術成熟的柔性導爆索分離裝置產品化路線,其中分離環單位長度的承載能力有限元預示典型圖,如圖3、圖4所示,藥量對應的殼體和保護罩的損傷情況仿真分析,如圖5所示。

2.型譜規劃

分離環。從結構設計的角度看,線式分離裝置與點式分離裝置最大不同點為:線式分離裝置與殼體設計結合的非常緊密。以往分離裝置設計沒有專門的設計部門,其設計是由殼段的設計人員一并承擔的,圖樣與殼段圖樣融為一體。

圖2 柔性導爆索分離裝置結構組成

表1 柔性導爆索分離裝置產品清理情況匯總表

圖3 軸拉情況下的Mises等效應力分布

圖4 軸壓情況下的Mises等效應力分布

圖5 保護罩和殼體損傷

線式分離裝置的產品化工作也需要針對產品的不同特點和特性,因材施教、量體裁衣。否則,形成的貨架產品無人選用、束之高閣,產品化工作沒有真正推進,形同虛設。針對該特點,柔性導爆索分離裝置分離環采用貨架產品與貨架設計2條腿走路的方式開展產品化工作。貨架產品顧名思義為基本型分離環產品,供用戶直接選用。貨架設計即為基本型分離面設計,根據客戶的需求在貨架設計庫中選擇滿足要求的設計狀態。通過梳理分析貨架產品和設計用戶關注點及選型要點,如圖6、圖7所示。

柔性導爆索。柔性導爆索分離裝置做功火工品為柔性導爆索,柔性導爆索自身已形成貨架產品,根據分離環的設計狀態在貨架上選取。需要注意的是,因為柔性導爆索需要在貨架上選取,因此需要分離環在貨架規劃時必須篩選出與貨架上柔性導爆索匹配的產品,柔性導爆索型譜簡表(見表2)。

保護罩。保護罩在柔性導爆索分離裝置爆炸分離過程中保護艙內儀器設備不受損傷。常用的材料有鋁合金和玻璃鋼復合材料,狀態有整環也有分段。為了兼顧安裝工藝性、加工效率和結構重量,整環玻璃鋼保護罩是產品化貨架的主推產品,如考慮到殼段結構安裝尺寸或少量生產要求的情況,也可選擇其他狀態的保護罩,型譜簡譜要素,如圖8所示。

圖6 基本型分離環選型要點

圖7 基本型分離面選型要點

表2 柔性導爆索型譜簡表

傳爆結構組件。傳爆結構組件是柔性導爆索/聚能切割索分離裝置的傳爆結構,連接固定起爆裝置和柔性導爆索/聚能切割索,確保起爆裝置能夠可靠起爆柔性導爆索/聚能切割索并保證其能夠可靠傳爆的結構組件。根據保護罩的設計狀態從貨架上選擇與之匹配的傳爆結構組件,傳爆結構組件型譜簡表(見表3)。

表3 傳爆結構組件型譜簡表

3.驗收方法

以往線式分離裝置驗收方法都是采用平板試驗件依據各型號任務書的要求進行,存在以下2個方面的問題:

一是平板試驗件狀態與真實產品有差異。平板試驗截面設計與真實產品相同,但產品曲率、裝配狀態、熱處理方式等都不同。如:平板試驗件2個起爆裝置2根索,為單點起爆,且索在起爆端和平板2個端面都是自由端;大直徑環形鑄件和平板鑄件的熱處理實際操作上也難實現一致;

二是任務書中的環境條件是按照型號的環境條件編制的,各型號驗收環境條件不統一。如某型電起爆器至少有6份有效的制造驗收技術條件,即使是同一批產品,交付不同的型號,就要進行多次重復驗收。

這就導致高額的驗收成本、管理成本和資源的極大浪費,更不利于產品技術狀態和工藝狀態固化,影響可靠性提升。因此,需要統一環境條件,從源頭控制驗收試驗條件,同一批產品驗收后能夠交付不同型號使用,最大程度上節約資源,控制成本,實現統一驗收、統一交付的目標。同時,統一環境條件,也實現了產品去型號化管理的目標。

圖8 保護罩型譜簡譜要素

研究所針對各個運載器型號的要求,制定統一的環境條件標準,將各型號的力學環境條件和自然環境條件進行包絡,并結合線式分離裝置自身研制特點的需要和相關行業要求,發布了火工品系統研制試驗要求的廠所級標準。標準主要明確了火工品研制所需要進行的各項設計驗證試驗、設計鑒定試驗和質量一致性檢驗的試驗項目、數量、流程、條件和方法,為規范火工品研制、鑒定和統一驗收奠定了基礎。

4.實踐方案

由于線式分離裝置與殼段結構耦合度好,自身的更改情況復雜,牽一發而動全身,并且已定型的產品更改流程繁冗,多次飛行可靠性較高,已形成完整而穩定的設計、生產、驗收和交付的程序,導致產品化應用的難度較大,必要性也有待商榷。因此。線式分離裝置的產品化主要從新研型號下手,逐步的、不失時機的推廣和應用。

二、實踐效果

柔性導爆索分離裝置經過壓縮后,由以往的24種減少至12種,實現了50%的產品化率,減少了產品狀態,提高了產品質量。由于每一種柔性導爆索分離裝置研制和驗收都需要數以百計的平板試驗件和不少于3件1:1試驗件,其生產和試驗均需要時間和百萬以上的經費。而規范化的狀態不僅縮短了研制周期,同時還節約了大量的研制經費,在不降低可靠性的基礎上,為降低產品成本做出巨大的貢獻。

已形成的柔性導爆索分離裝置優選目錄、聚能切割索分離裝置優選目錄和傳爆結構組件優選目錄可以用于指導型號分離設計選用。以研究所為基礎的自頂向下產品化活動正在向研究院各級單位延伸,以實現建設全院線式分離裝置貨架的目標。同時,貨架產品將要進行統一環境條件驗收試驗考核,為后續型號選用和產品升級換代奠定了基礎。

三、后續思路

線式分離裝置產品化貨架應與時俱進、適時更新。隨著分離技術的發展,更有多品種的線式分離裝置在成熟度較高、應用需求較多的情況下納入貨架。此外,針對線式分離裝置產品化,有以下問題需要進一步思考。

1.驗收產品狀態正確性

用于驗收試驗的線式分離裝置應該用什么樣的產品,如果用線式分離裝置真實結構,其尺寸較大,成本高,很多環境試驗無法實施;如果用平板試驗件和縮比試驗件,由于裝配狀態和曲率不同,不能完全反映真實產品的各項性能;如果采用柱形試驗件,更是沒有驗收到結構的分離性能,只能獲得火工品的輸出威力。因此,對于驗收產品的狀態一直頗有爭議,難以達成一致。

2.統一環境條件的合理性

除了驗收產品的狀態,還需研究線式分離裝置的驗收環境項目和條件。最理想的情況是設計鑒定時包絡目前所有型號的環境條件,驗收試驗時將試驗項目酌情刪減。但是實際上這種大而嚴的條件不是每個線式分離裝置都能經受并滿足,確切的說是驗收用的試驗件不一定可以通過考核。因此,驗收試驗環境項目和條件的合理性非常重要,但是如何確定才合理,目前也沒有達成統一標準。

3.可能存在的問題

由于線式分離裝置與殼體設計耦合度高,難以將多數分離環產品上貨架,并作為基本型分離面設計的形式。這種無產品只提供設計參數的貨架產品,通過何種形式提供,如何維護貨架產品提供方的設計權益,也是亟待解決的問題。

線式分離裝置產品化是裝置發展到一定階段的必然結果,壓縮產品種類,提高產品質量,節省人力物力財力是快速穩定的發展之道,尤其是隨著商業航天的迅速崛起,研究所只有降低成本、提高可靠性才能立于不敗之地。所以,推進線式分離裝置產品化工作勢在必行。