航天火工连接分离机构设计技术研究

叶耀坤，刘天雄，温玉全，丁 锋，满剑锋(.北京空间飞行器总体设计部，北京00094；.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京0008)



航天火工连接分离机构设计技术研究

叶耀坤1，刘天雄1，温玉全2，丁 锋1，满剑锋1
(1.北京空间飞行器总体设计部，北京100094；2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081)

摘要:针对现有火工连接分离机构设计方法过于依赖经验和试验等现状，以一种楔块式火工连接分离装置为案例，探索了一种基于仿真分析开展前期设计，通过多参量同步试验进行小子样验证的设计方法，该方法以理论设计为主、测试为辅，相比传统测试方法，具有设计可信度高、试验样品消耗量少、更清楚揭示产品性能等特点。

关键词:火工连接与分离机构；设计方法；仿真分析多；参量测试

1　引言

目前，我国航天器用的火工连接与分离机构基本都是依靠传统的经验进行设计，即“基于现有产品结构改装设计—加工试验验证—结构改进—再加工试验验证”的设计方法[1-2]，这种设计方法不仅需要消耗大量的试验样品，花费较多的科研经费和较长的设计周期，还会导致设计人员对自己设计的产品没有究根揭底的认识；且当产品在实际应用过程中出现问题后，设计人员都无法判断问题源自何处。据调研了解，在一些相关研究所中，已逐步采用强度校核公式验证火工机构的连接强度是否满足设计要求[3]，用内弹道仿真计算研究火工机构内部火药的燃气压力随时间变化规律[4]。尽管如此，其设计方法和研究手段依然相对单调，缺少系统、理论性强的设计方法。因此，从提高航天火工连接与分离机构工程设计水平角度考虑，本文以一种典型火工机构设计为例，在传统设计方法基础上探讨一种更先进、更系统的设计方法。

2　新设计方法的提出

航天器用火工连接与分离机构(下面简称火工机构)一般具有连接与分离两个功能。本研究提出的新设计方法，核心思想是综合强度校核理论、内弹道模型、分离模型和数值仿真的理论方法，在传统设计方法基础上，提出一套以理论预测为主、试验验证为辅的设计方法，其主要思想如下:

1)基于航天器机构分系统的连接与分离功能要求，对火工机构原理样机方案进行论证，确定原理样机初步方案；

2)为了解决初步原理样机部分性能不满足要求的问题，基于初步原理样机连接与分离性能的影响因素分析，对火工机构的结构尺寸与性能优化设计原理进行研究，进一步确定原理样机结构；

3)为了改变火工机构设计主要依靠试验的现状，综合强度校核、内弹道计算、分离数值模拟等现代化分析手段，对火工机构的内弹道模型、分离模型等理论设计原理进行研究，从理论上预测出其基本性能参数；

4)为了解决火工机构现有性能验证试验测试技术存在单次测试信息量少、测量精度不高等问题，基于同一发产品同时测试多个参量的思想，对火工机构的同步多参量同步测试技术和测试系统进行研究；并基于多参量同步测试系统开展试验研究，验证火工机构是否满足航天器机构分系统要求。

将上述新设计方法用流程图表示，如图1所示。

图1　基于新设计方法的火工机构设计流程图Fig. 1 Design flow chart of the initiating mechanism based on the new design method

3　基于某典型火工机构的案例设计

为了阐述火工连接与分离机构新设计方法，本研究以某典型火工机构为案例，结合新设计方法的核心思想开展设计工作。

3. 1 设计要求的确定

一般而言，火工机构设计时应该首先考虑以下几个参数[5]:1)几何外形与接口尺寸；2)连接承载力；3)分离冲量；4)分离时间；5)分离同步性；6)污染性和气密性；7)可靠性。

3. 2 结构原理方案的设计

火工连接与分离机构的结构原理方案主要根据设计要求，并通过各类原理的火工连接分离装置文献调研[1-3]，选择几种合适的结构原理方案进行比较分析与论证，并最终确定初步方案。对于本研究，选择一种具有代表性的楔块式连接分离装置作为研究对象，其基本涵盖了航天器用火工连接与分离机构所具备的高密封、低冲击、小型化、强连接等特征，如图2所示。

图2　楔块式火工连接分离装置结构组成Fig. 2 Structure of wedge type pyrotechnic connection and separation device

上图所示火工机构主要起到连接与分离作用，其分离原理是:通电引爆压力药筒，产生高温高压燃气膨胀做功，推动挡板与活塞运动，第一次剪断活塞杆与内筒之间的剪切销，活塞杆轴向移动，失去支撑的三个楔块开始径向收缩，活塞杆继续轴向移动，第二次剪断外筒与内筒之间的剪切销，同时楔块“落地”，解除内筒与外筒之间的锁定，完成解锁动作；燃气继续推动挡板与活塞运动，将内筒以一定速度推出外筒，挡板留在外筒实现装置的密封功能。根据新设计方法，需针对连接性能和分离性能进行理论设计与分析。

3. 3 连接强度校核理论

为了从理论角度验证火工机构的连接强度是否满足设计要求，需火工机构进行受力分析，确定薄弱环节，然后建立相应的强度校核理论[6]。基于图2所示的结构，当受到轴向拉力时，单个火工机构的受力部件主要是内筒、外筒、楔块。为此，需针对三个主要部件建立强度校核公式。

1)内筒

从图3所示的内筒结构可知，当受到轴向力时，内筒的最薄弱环节有两处，即螺纹段(A截面)，带有三个孔的地方(B截面)。

图3　内筒结构图Fig. 3 Structure of the inner cylinder

根据一般拉伸强度公式可推导出A截面和B截面处极限承载力的计算公式如式(1)～(2):

其中，F0——B截面极限承载力，N；N——楔块孔个数；S1——单个楔块孔接触面积，m2；d——内筒内径，m；D——内筒外径，m；σb——内筒材料抗拉强度，MPa；F1——A截面极限承载力，N；As——内筒螺纹截面积，m2。

2)外筒

结合图2所示外筒的结构，对其进行受力分析可知，主要承受楔块对其轴向的剪切作用。因此，强度最薄弱环节主要是与楔块接触处的轴向剪切力。根据强度校核理论[3]可推算外筒所能承受的最大轴向剪切力F2如式(3):

式中F2——外筒所受轴向剪切力，N；N——楔块个数；S2——单个楔块剪切面面积，m2；τwb——外筒剪切强度，MPa。

3)楔块

楔块是分离装置中的主要受力部件，它同时受到活塞、内筒和外筒的作用力。其薄弱环节有两处，即内筒对其斜角下部的剪切作用F3，外筒对其斜角处的挤压作用F4，如图2所示。根据强度校核理论[3]可得楔块两处薄弱环节的受力计算公式(4)～(5):

式中F3——楔块受内筒的最大剪切力，N；S3——剪切面积，m2；F4——楔块受外筒的最大挤压力，N；σj= 1. 7σb——挤压应力强度，MPa；S4——挤压面积，m2；N——楔块个数。

对内筒、外筒、楔块进行强度校核后，通过综合比较分析就可获得火工机构的极限连接强度以及最薄弱环节。上述强度校核理论适用于具有相同截面形状的分离装置结构。

3. 4 基于内弹道模型的数值计算

火工机构的分离动力主要来自压力药筒中火药燃烧后所形成的燃气压力，分析火工机构作用原理，不难发现和火炮的内弹道有着高度的相似。为此，可通过建立火工机构的内弹道模型获取燃气压力，揭示火工机构内部作用机理[7]。

3. 4. 1 内弹道物理模型的建立

压力药筒燃气作用过程是极其复杂的，为了简化计算，作如下假设[7]:1)不考虑药室参数的空间分布，药室中各点参数相同；2)点火药的燃烧规律按照火药表面同时着火和平行层几何燃烧情况进行；3)忽略药粒形状和尺寸的差异；4)燃烧产物的成分保持不变；5)在分离前密封性较好，没有气体外泄。

基于上述假设条件，以压力药筒产生的燃气为研究对象，设起爆后任一时刻t对应燃气的密度和体积分别为ρt、Vt，经Δt时刻后，对应燃气密度和体积分别为ρ、V，燃气的密度、体积以及质量的变化量为Δρ、ΔV、Δm，已知2/1樟火药密度为ρP；设火药燃烧面积为Ab，瞬时燃速为r，活塞面积为A，活塞运动速度为U，内弹道物理模型如图4所示[7]。

图4　火工机构作用过程的内弹道物理模型Fig. 4 Ballistic model of initiating mechanism

3. 4. 2 内弹道数学模型的建立

基于内弹道物理模型，可依次根据质量守恒方程、能量守恒方程、药室容积变化方程、燃速方程、活塞运动方程、火药面积变化方程、气体状态方程等理论对压力药筒燃气作用过程的内弹道关系式进行推导，并组建内弹道方程组公式(6):

cP、cV为定压、定容比热；TP为定压爆温，℃；p为药室压强，MPa；χ为热损失系数；T为药室燃气温度，℃；F为分离阻力，N；r1为燃速常数；n为燃速指数；x为任意时刻燃去的肉厚，m；α为气体余容；L、D、d分别为管状药长度、外径和内径，m；S为任意时刻表面积，m2；mP为火药总质量，kg。

3. 4. 3内弹道数值计算结果

基于式(6)的内弹道数学模型，可通过MATLAB/ Simulink模块仿真计算出燃气压力—时间(P-t)曲线。为了验证内弹道计算结果，保证分离仿真模型中燃气压力载荷的准确性，进行了燃气压力测试，测试结果和仿真结果如图5所示。

由测试结果和内弹道仿真结果比较分析，可得出内弹道计算具有一定准确性，可揭示火工机构压力药筒的燃气压力变化规律，其适用条件是要符合物理模型的假设条件。

3. 5 分离模型与数值仿真

为了从理论角度验证火工机构的分离性能是否满足设计要求，可采用有限元计算软件ABAQUS[8-10]模拟仿真火工分离装置的分离过程，以期从理论上得出可视化分离过程及分离时间、分离冲量、分离位移和分离速度等关键分离性能参数，揭示产品分离性能参数的设计状态。

3. 5. 1 有限元模型的建立

由于楔块式连接分离装置为非对称结构，需要建立全模型进行仿真计算，如图6(a)所示。模型由外筒、内筒、活塞、3个楔块和挡板组成，组件较多且不规则，在网格划分时，需对各个组件进行分割，然后依次采用细网格划分的线性减缩积分单元C3D8R类型进行网格划分，如图6(b)所示。

图5　压力药筒燃气P-t曲线Fig. 5 P-t curve of the cartridge’s gas pressure

图6　楔块式连接分离装置的有限元模型Fig. 6 Finite element model of the wedge type connection device

模型中外筒材料为30CrMnSi，内筒材料为0Cr17Ni4-Cu4Nb，活塞材料为T8A，楔块材料为30CrMnSi，挡板材料为0Cr17Ni4-Cu4Nb。为提高模型的收敛性，对外筒施加三维固定约束，其他部件选用面与面弹性接触模型。为了让分离仿真结果更加准确，燃气压力载荷条件最终选定试验所得的P-t曲线，并施加在火工机构的挡板中。

3. 5. 2 分离仿真结果

1)分离过程的揭示

图7为通过ABAQUS软件仿真得到的火工机构在不同时刻的分离运动状态。根据仿真结果，可以进一步证明分离装置的作用机理为:压力药筒被引燃后产生高温高压燃气膨胀做功，推动挡板及活塞轴向运动，当活塞细杆端与楔块正对时，三个楔块因外筒斜面挤压作用而下落，最后与活塞一起嵌入内筒中，并在挡板的推动作用下脱离外筒，最终完成解锁分离功能。此外，通过分析外筒、内筒、楔块、活塞及挡板的运动情况，可得出活塞和三个楔块稍微有变形，其它部件几乎无变形。

图7　火工机构不同时刻的分离运动状态Fig.7 Separate motion state of the wedge type connection device at different times

2)分离性能理论预测

通过分离过程的模拟仿真，可获得分离位移、分离时间、分离速度、分离加速度、分离冲量等主要分离参数。为了验证其准确性，采用了多参量同步试验进行验证，理论分析结果与试验结果的对比如图8所示。结果表明通过仿真分析活得的运动机构位移、速度、加速度等特性参数与试验结果基本一致，说明该研究提出的设计方法可从理论角度预测火工连接分离装置的性能及作用过程。

图8　分离仿真结果与试验结果对照Fig.8 Comparison of the simulation results and test results

通过上述内弹道计算、分离数值模拟等现代化分析手段，可反映火工机构分离运动过程，有效地揭示其作用原理，从定量角度获得火工机构的分离位移、分离时间、分离速度、分离冲量、分离加速度等主要分离参数，填补了传统的设计方法所不具备的理论设计手段。

3. 6 试验验证

为了验证火工机构性能理论预测值的正确性，并从试验角度评估火工机构性能是否满足级间分离要求。首先，采用微机控制电子万能拉伸试验机，测得单个火工机构极限承载力，并验证理论强度校核准确性。此外，根据新设计方法的基本思想，可通过基于同一发产品同时测试多个参量的思想，针对火工机构设计了一套相应的动态多参量同步测试系统，可在保持火工机构原有分离性能不变的条件下，对同一发产品的压力药筒燃气压力、分离部件运动位移、分离时间、速度、扰动冲量、加速度、污染性和密封性等参数进行同步测试[11-13]。如图9所示。

图9　多参量同步测试系统示意图Fig. 9 Schematic diagram of the multi parameter synchronous test system

上述系统测试原理:压力药筒起爆后，信号调理器先将压力传感器的信号进行放大与滤波处理并输出到动态分析仪，通过计算机显示内腔气体压力—时间(P-t)曲线；同时压力药筒装药产生的高温、高压燃气推动活塞运动使内筒与外筒分离，固定在内筒上的反射板随内筒向前运动，激光位移传感器的产生位移信号和加速度传感器产生的冲击加速度信号通过动态分析仪同时显示内筒的位移—时间(s-t)曲线和加速度—时间(a-t)曲线。通—断靶线测试的曲线也直接显示在动态分析仪上，高速摄影仪记录的图片信号通过专用软件显示在动态分析仪的另一个画面中。

在该测试系统中，重点解决了对解锁火工机构分离位移、分离速度、分离加速度、分离冲量等参数的动态连续及高精度测试，多个传感器布局设计、试验测试工装设计、多种传感器同步触发测试及误差分析等关键技术。可从不同角度研究火工机构性能及作用过程，降低了试验消耗成本，提高了性能测试水平和准确度，解决了目前火工分离装置单次测试信息量少、试验消耗量大等问题。典型的测试曲线如图10所示。

通过多参量同步测试系统可对基于内弹道模型和分离仿真模型的数值计算结果进行试验验证，并测得压力药筒的燃气峰值压力、分离位移、分离时间、分离速度、分离冲量、分离加速度的主要分离性能参数，并检测火工机构分离过程的密封性和污染性。

4　结论

本研究以一种典型火工机构的设计过程为案例，针对航天火工连接与分离机构提出了一套新的设计方法，主要涵盖了原理样机初步方案论证，原理样机方案优化设计，基于强度校核、内弹道数值计算、分离过程模拟仿真等性能理论预测，多参量测试验证四个主要思想，其中分离过程模拟仿真、多参量同步测试方法是设计方法的先进之处。

结合案例设计的研究分析，展示了所提出的航天火工连接与分离机构设计的新方法具有以理论设计为主、多参量同步测试为辅、试验样品消耗量少、设计可信度高的特点，比传统设计方法能更清楚地揭示产品性能参数的设计状态，对其它类似航天器火工连接分离装置的工程设计具有指导价值。

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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

作者简介:叶耀坤(1986 - )，男，博士，高级工程师，研究方向为航天器连接分离技术。E-mail:yeyaokun@163. com

基金项目:国家自然科学基金委员会与中国工程物理研究院联合基金资助项目(U1530135)

收稿日期:2015-08-22；修回日期:2015-12-21

中图分类号:TJ450. 2

文献标识码:A

文章编号:1674-5825(2016)01-0062-07