爆炸螺栓捕獲器設計及捕獲可靠性研究

劉秀春，劉 寧，張 飛，周人歌，劉震宇

（北京航天長征飛行器研究所，北京，100076）

0 引 言

頭體分離是導彈飛行中最為關鍵的時序動作之一，該動作一般由分離火工裝置實現。分離火工裝置需具備3項功能：分離之前，確保頭體可靠連接；分離時，保證頭體可靠的分離；分離之后，確保不產生影響再入飛行的危害[1]。

一體化的低沖擊捕獲器將上述3項功能集成，廣泛應用于導彈頭體之間的對接，但針對大質量機動再入飛行器和高載荷條件，低沖擊捕獲器還難以勝任，仍需采用爆炸螺栓。爆炸螺栓是較早應用于導彈的一種火工分離裝置。爆炸螺栓利用所裝炸藥產生的拉伸、剪切力學效應，使指定的部位斷裂來完成解鎖功能[1,2]。

爆炸螺栓無法限制分離后再入飛行器一側螺桿的運動，螺桿可能發生回彈，返回并再次插入彈體一側的對接孔。必須對其加以可靠約束，否則會形成隨機運動[3]，在頭體之間產生干擾，影響再入飛行器起控。為此，再入飛行器一側需要設計爆炸螺栓捕獲器，阻止螺桿回彈。捕獲可靠性是捕獲器設計的要點，需要通過的合理試驗及其結果分析來回答。

1 捕獲器設計

1.1 捕獲對象

爆炸螺栓外形及主要結構如圖1所示，該規格的爆炸螺栓是導彈頭體對接常用爆炸螺栓中尺寸最大的。爆炸螺栓工作時，剪切銷在裝藥作用下切斷，直徑30 mm、總長140 mm的螺桿向前沖出，完成頭體之間的解鎖。

爆炸螺栓沖量統計平均值為35.30 N·s，標準差為3.43 N·s。

圖1 爆炸螺栓 Fig.1 Explosive Bolt

1.2 工作原理

在再入飛行器后端框內側設計盒形結構，捕獲器安裝在該盒形結構內。捕獲器的核心零部件包括螺母、螺桿、舌片卡簧和緩沖塊，螺桿和螺母組成被捕獲體，如圖2所示。

圖2 捕獲器組成 Fig.2 Capture Device

捕獲器工作過程見圖3，爆炸螺栓起爆解鎖后，被捕獲體在爆炸沖擊作用下，向前運動；螺母前端導向楔面撞擊擠壓舌片卡簧，舌片在擠壓力的作用下發生彈性變形；被捕獲體穿過舌片，撞擊緩沖塊，緩沖塊吸收動能，減小對再入飛行器的沖擊；被捕獲體反彈，向后運動，直至螺母的臺階面被舌片反向止動。

圖3 捕獲過程 Fig.3 Capturing Process

1.3 結構設計

捕獲裝置結構組成如圖4所示，主要由緩沖塊、角片、舌片卡簧、蓋板、螺母等組成。

圖4 捕獲器結構模型 Fig.4 Capture Device Structure Model

如圖4所示，零部件均安裝于再入飛行器后端框內側盒形結構內，緩沖墊采用金屬蜂窩結構，利用自身形變吸收沖擊動能，舌片卡簧是捕獲裝置的核心部件，采用彈簧鋼材料；主體為U形，如圖5所示，兩側有舌片狀凸起。角片用于固定緩沖塊，并能在撞擊時增加緩沖塊受力面積。螺柱用于對螺母進行限位，并保證螺母有一定的游隙；蓋板用于封閉捕獲裝置，防止分離產物外溢。

圖5 舌片卡簧 Fig.5 Clip Spring

2 沖擊仿真

利用 LS-DYNA軟件，對爆炸螺栓分離捕獲過程進行仿真。重點驗證捕獲器原理的可行性，計算舌片卡簧在被捕獲體沖擊擠壓及回彈作用下，是否發生斷裂。不考慮緩沖塊的吸能、減速效果。仿真模型中，各零部件材料力學性能見表1。

表1 力學性能 Tab.1 Mechanical Properties

爆炸螺栓理論沖量35.30 N·s，取1.2倍安全系數，同時考慮1.2倍的火工品作動裝置輸入能量裕度[4]，仿真沖量按50 N·s，沖擊仿真過程見圖6。被捕獲體首先沖擊擠壓舌片，舌片變形，穿過舌片后，繼續沖擊角片；角片發生嚴重塑性變形，結構破壞；被捕獲體繼續撞擊到殼體；撞擊后被捕獲體反彈，之后被舌片止動，完成捕獲；仿真結果表明捕獲過程與設計原理預期一致。

圖6 捕獲過程仿真 Fig.6 Capturing Process Simulation

舌片邊緣在沖擊作用下，局部受力超過材料強度極限，少量單元發生侵蝕破壞，如圖7所示。

圖7 舌片卡簧形變 Fig.7 Clip Spring Deformation

3 捕獲可靠性評估

捕獲可靠性是捕獲器設計的關鍵，采用加嚴試驗對其進行評估。加嚴試驗的思想是將產品放到惡劣的環境下，降低其可靠度，用經典方法推斷額定環境下的產品可靠度[5]。通過降低或提高被捕獲體的速度，加嚴捕獲條件，獲得可靠捕獲的上、下邊界速度，并最終評估捕獲可靠性。

3.1 試驗設計

若采用真實爆炸螺栓進行可靠性試驗，成本過高，同時爆炸螺栓的分離速度存在較大的離散型，且不便于調節。因此捕獲可靠性試驗，利用空氣炮加速彈丸，撞擊螺桿，以使被捕獲體獲得要求的速度。試驗裝置如8所示，其中空氣炮又包括氣泵、炮管、彈丸及其控制設備等。首先啟動氣泵對空氣進行增壓，當壓力達到需要值時，關閉氣泵。打開閥門，在高壓空氣的作用下，彈丸頂端從炮管快速飛出撞擊被捕獲體。被捕獲體獲得初速度，進入捕獲裝置，完成捕獲；彈丸后端被炮管止口阻擋，防止二次裝置捕獲器。

圖8 試驗裝置 Fig.8 Testing Device

測速原理如圖9所示，利用激光傳感器測量彈丸先后經過2個激光束的時間，以及2組激光傳感器的間距，計算得出彈丸速度。

圖9 測速原理 Fig.9 Velocity Measuring Schematic

過高或過低的速度都有可能導致捕獲失敗，爆炸螺栓能夠被捕獲的臨界速度是評估可靠性的關鍵。根據空氣炮加速能力和激光傳感器測速精度，經過裝置調試，將捕獲試驗的低速邊界確定為17 m/s，高速邊界確定為 70 m/s。

3.2 試驗結果

共進行20次低速邊界試驗，均成功捕獲，試驗結果如表2所示。

表2 低速邊界試驗結果 Tab.2 Result of Low Speed Boundary Test

經統計分析，速度均值μ為17.17 m/s，標準差σ為0.84 m/s，根據3σ原則得到可靠捕獲下邊界速度為19.81 m/s。

共進行20次高速邊界試驗，均成功捕獲，試驗結果如表3所示。經統計分析，速度均值μ為70.41 m/s，標準差σ為0.90 m/s，根據3σ原則得到可靠捕獲的上邊界速度為 67.71 m/s。

表3 高速邊界試驗結果 Tab.3 Result of High Speed Boundary Test

3.3 評估結果

火工分離裝置關鍵性能參數一般符合正態分布[6]。根據爆炸螺栓沖量統計值，平均值為35.3 N·s，標準差為3.43 N·s，實際測量分離螺桿及游動螺母組合體的質量和為0.715 kg，可以得出沖擊速度的均值和方差分別為：μ=49.371 m/s，σ=4.797 m/s。

捕獲可靠性計算公式[7]如下：

式中0Φ(·)為標準正態分布累積分布函數；xu為能可靠捕獲的上邊界速度，此處為67.71 m/s；xd為能可靠捕獲的下邊界速度，此處為19.8 m/s；μ為沖擊速度均值，此處為49.371 m/s；σ是沖擊速度標準差，此處為4.797 m/s。

計算得到R=0.9999，即單個捕獲器的捕獲可靠度為0.9999。

4 結束語

爆炸螺栓捕獲器利用舌片卡簧正向通過、反向止動功能，實現捕獲；仿真表明原理可行；利用空氣炮模擬分離沖擊過程，開展了高速、低速邊界捕獲試驗，對捕獲可靠性進行了評估，單個捕獲器的捕獲可靠度達到0.9999。