高同步性四路弹翼解锁机构的设计与试验研究

李 庚，颜信飞，陈 震，徐江涛，梁 珂



高同步性四路弹翼解锁机构的设计与试验研究

李 庚1，颜信飞2，陈 震1，徐江涛1，梁 珂1

（1.陕西应用物理化学研究所 ，陕西 西安 ，710061；2.陆航驻西安地区军事代表室，陕西 西安，710061）

采用钝感电起爆器作为动力装置，设计了一种以燃气爆发点为中心，高压燃气沿“十”字型气体通道同步传输做功的弹翼解锁机构。通过对机构输出装药的性能裕度试验、解锁功能试验、解锁同步性试验，测得锁紧销回缩到位，满足功能要求；最大解锁作用时间5ms，解锁同步性0.27ms，解锁过程无燃气泄漏现象。结果表明，本文设计的弹翼解锁机构具有解锁作用时间短、低冲击、同步性高、密封性能好等特点，为同类产品的设计提供了一定参考。

解锁机构；钝感电起爆器；解锁；同步性；低冲击

航天器、机载导弹[1]等武器装备依靠多种类型的解锁机构实现连接释放功能。一个火工解锁机构仅对应完成一项解锁功能，当采用多个火工解锁机构完成多路同步解锁释放功能时，由于各火工做功装置的个体差异和装配连接误差，系统作用同步性很难满足使用要求。本文提出一种四路弹翼解锁机构（以下简称产品），即只采用1个电起爆器与解锁装置共同完成4路方向的弹翼解锁功能。该产品是配用于某型空地导弹的关键火工做功装置，主要用于控制和实现导弹尾部4扇弹翼的折叠闭锁和解锁功能，要求产品5A直流电流发火，且机构作动解锁时间小于10ms，解锁到位不同步时间小于5ms。为此，笔者开展了相关研究。

1 多点火工机构对解锁同步性的影响

在弹翼解锁机构的设计前期，分别采用4个火工解锁机构与4路弹翼相对应，各自独立完成相应的闭锁和解锁功能。其中，每套解锁机构的燃气传输通道均是单程推塞做功路径，容腔中的燃气沿一个方向将分离原件解锁，推动钢销运动，完成解锁。

对4个火工解锁机构中的4个不同电起爆器进行了发火测时试验[2]，测定其在发火作用时间上的同步性，试验结果如表1所示。

表1 4路电起爆器发火测时试验结果

由表1中试验数据可以得到：4个不同电起爆器的作用时间均小于10ms，但其相互之间的作用时间极大差值（即作用同步性）为4.08ms，已接近解锁同步性要求的指标上限。电起爆器之间已存在作用时间的不一致性，且还没有考虑机构作用将会产生的时间偏差，因此该种设计的同步性不理想。

2 新型气路解锁机构的设计

2.1 4路弹翼解锁机构

根据弹体4扇弹翼中心对称的结构特点，为了满足对火工解锁机构作用速度快、同步性高的要求，提出以一个做功电起爆器为中心爆发点，绕中心燃气爆发点设计“十”字型燃气传输气路，气路另一端设计有压力做功燃气舱的方案。该结构中，燃气从爆发中心点沿4路方向同步传播，且在每个方向的传输距离相同，并同时驱动燃气舱中的解锁装置完成机械解锁作动，保证4路折叠弹翼同步解锁展开。产品外观俯视图如图1所示。

图1 4路弹翼解锁机构俯视外观图

4路弹翼解锁机构主要由电起爆器、解锁器本体、活塞筒、底座、弹簧、锁紧销、密封圈、压螺等零部件组成。闭锁状态下，机构4路环形均布的锁紧销可靠弹出，使销钉卡位固定在弹翼的折叠挂钩内，固定导弹4扇弹翼处于折叠状态；解锁状态下，电起爆器爆发产生高温高压气体，同时从解锁器本体4路气体通道进入拔销器内做功。每一气路中的高压燃气从垂直锁紧销中心轴90°的方向迸射发出[3]，通过活塞筒壁上均布的4个φ2.5mm小孔进入活塞筒容腔，推动锁紧销压缩弹簧回缩，锁紧销定位薄弱端在底座与活塞筒底部间隙处发生挤压变形，最终被锁死在活塞筒底部，释放弹翼末端闭锁约束挂钩，4扇弹翼同步展开，完成弹翼解锁。

2.2 电起爆器设计

电起爆器为钝感电火工品，其为小尺寸结构设计，具有较高的可靠性和安全性，且发火后产气量大、燃烧残渣少。电起爆器结构见图2。

图2 电起爆器结构图

电起爆器壳体采用成熟的玻璃封接技术将插针脚线与壳体进行烧结。玻璃封接壳体具有机械强度高、密封性好、绝缘强度高等特点。电桥经过精密线切割加工成“Ｗ”形桥带，桥带两端设计为散热面，中间为加热区。当杂散电流等作用在产品上时，增大了桥带两边的散热面积，把积聚的热量有效地散失掉，提高产品安全性。电起爆器静电泄放通道设计在封接壳体输入端与插针间的间隙位置。静电危险通道与泄放保护通道击穿电压之比均大于4，且保护通道击穿电压小于3 000V，防静电结构能够可靠起到防静电作用。

2.3 解锁机构低冲击优化设计

为降低解锁冲击，主要通过减少电起爆器内的装药量来实现[4]。电起爆器主装药剂热丝感度高、作用时间短、性能稳定。若装药量过大，解锁时会对弹体产生较大冲击，而装药量过小又不能完成解锁功能。为了满足产品低冲击要求，对解锁初始启动力、药室体积、输出压力等因素进行分析。

在锁紧销薄弱端锁死变形过程中，燃气推动锁紧销运动形变，需要克服滑动摩擦力、弹簧阻力、变形薄弱端的塑性屈服抗力，按照这3项阻力推算电起爆器产生的临界压力峰值P，并按照压力与药量关系推算完成解锁做功所需最小药量。

电起爆器发火后，在解锁本体密闭容腔中产生高温高压燃气，当压力不高的情况下，压力符合诺贝尔-阿贝尔方程[4]：

式（1）中：为火药力；为火药密度；△为装填密度；为气体余容；为火药燃烧质量比；P为火药燃烧到时瞬间压力。

假设装药总质量为，在某一瞬间燃烧的质量为M，则燃烧质量比=，本体密闭容腔的容积为，则装填密度△=/。当燃烧结束时=1，密闭容腔中压力达到最大值P，即P=P，则式（1）可变换为：

（2）

已知式（2）中=0.43×10-6J/kg，气体余容=0.974×10-3，容腔容积=2.2cm3。

燃气压力根据压力定义公式计算：

0=PS（3）

式（3）中：0=200N，为锁紧销开始变形作用所需最小力；=0.12 cm2，为锁紧销受力作用面积。联合公式（2）和（3）可计算出电起爆器完成做功的最小药量为=82mg时，才能使锁紧销变形锁死并与弹翼折叠挂钩脱离。为了保证弹翼可靠解锁，需根据火药裕度设计要求适当增加药量，最终确定电起爆器装药量为120mg，这个装药量即能保证弹翼可靠解锁，又不会因药量过大对弹体造成较大冲击。

2.4 机构密封性验证计算

电起爆器通过壳体螺纹与解锁本体连接，其连接螺纹要经受发火瞬间密闭容腔高温高压燃气的冲击而不发生燃气泄漏，因此对连接螺纹强度进行裕度设计计算，保证螺纹连接部位的密封性设计要求。

首先计算连接螺纹承受的燃气压强，根据药剂燃烧气体装填密度公式：

△=/=（0.12×1）/2.20=0.068 g/cm3（4）

式（4）中：为药量；为生成气体质量系数，取1；为密闭容积。

则气体余容为：

=e-0.4△=e-0.4×0.068=0.974 （5）

输出压力的计算：

=·/(－) （6）

式（6）中：为火药力（点火药的火药力为0.43MJ/kg），密闭火药气体容腔=2.20cm3，则输出压强为：

=(0.12×0.43)/(2.20-0.12×0.974)=31.5MPa

壳体材料为12Cr18Ni9，其抗拉强度σ为441MPa，壳体螺纹所受的剪切应力为：

式（7）中：P为电起爆器发火输出最大压力，31.5MPa；1为壳体螺纹小径，10.2mm；2为壳体螺纹大径，12mm；为螺距，0.75mm；为壳体螺纹扣数，9扣。

壳体螺纹许用剪切应力为：

式（8）~（9）中 ：为剪切强度与拉伸强度的比例常数，0.6；为安全系数，2；为抗剪切设计裕度。

由于抗剪切设计裕度为1.3，所以壳体连接螺纹能够经受燃气压力的剪切作用。

壳体螺纹抗压强度为：

壳体螺纹许用抗压强度为：

由于材料许用抗压强度远大于螺纹所受抗压强度，所以壳体螺纹能够经受燃气的压力作用[1]。

2.5 解锁作动机构功能设计

解锁作动机构由活塞筒、锁紧销、弹簧等组成。锁紧销采用过盈配合与活塞筒装配，组成机械解锁作动机构。

2.5.1 锁紧销解锁功能设计

锁紧销是解锁作动的核心部件，闭锁状态下其销钉端弹出，用于卡位弹翼折叠挂钩；解锁状态下高压燃气推动锁紧销做功，其定位端翻边在底座与活塞筒预定间隙位置发生挤压变形，其被定位锁死在活塞筒底部。锁紧销外形见图3。

图3 锁紧销外形示意图

锁紧销一端为做功连接端，连接弹簧和完成挤压变形，其形状为中空容腔，在容腔口部设计有环形均布变形薄弱点；锁紧销另一端为销钉端。

已知装药输出压强为31.5MPa，则作用在锁紧销上的火药推力494.6N。锁紧销采用12Cr18Ni9不锈钢材料，其材料屈服强度=21kgf/mm2，锁紧销形变位置的屈服应力为：

1==21×1×0.2×4=16.8kg=164.1N （12）

在设计药量下，火药推力＞+1（为弹簧压缩到底的抗力），高压燃气作用在锁紧销上的推力远大于形变位置所需的屈服应力和弹簧抗力，可靠保证锁紧销作动到位，变形锁死。

2.5.2 解锁机构抗过载设计

弹簧总长度为21mm，具有良好的结构强度。当外部荷重不小于1 000g(10N)时，弹簧能够被完全压缩，压缩后弹簧高度小于4.2mm。取值9.80N时，计算弹性系数=/，得到的取值范围为583N/m。弹翼解锁时，弹簧最终被压缩的剩余高度为4.5mm，其压缩量为16.5mm，因此弹簧被完全压缩至4.5 mm所需力大小为9.6N。

弹簧在机构体中预压缩7.4mm，锁紧销回缩4mm时，将与弹翼折叠挂钩脱离，其所需解锁力为6.65N 。锁紧销质量为2.5g，环境过载量为200g时，所受力为：

==0.002 5×200×9.8=4.9N （13）

机构所需解锁力6.65N大于过载力4.9N，最小解锁力能够保证环境过载，产品不会被意外解锁。

3 产品性能试验

3.1 输出功能验证试验

按照设计方案对5套弹翼解锁装置进行安全电流（1.0A/1.0W，5min）、发火（5A）及产品输出功能试验。设计指标要求为：闭锁状态下锁紧销伸出本体高度（7±0.5）mm；解锁到位后，解锁后锁紧销回缩行程均大于4mm。试验结果见表2。

表2 产品解锁功能试验结果

从表2试验结果可以得出，锁紧销作动前伸出本体高度均满足（7±0.5）mm的范围，解锁后锁紧销回缩行程均大于4mm，满足输出功能要求。

3.2 同步性解锁试验

解锁机构同步性是衡量产品的关键性指标，试验采用通-断靶线法[2，4]测试原理，对4路解锁机构进行解锁同步时间测定，测试系统如图4所示。

图4 解锁作动时间与同步性测试系统

采集通-断靶信号的靶线回路分别与1路解锁机构的锁紧销、本体外侧连接，形成4路信号采集回路。通断适配器的4路信号输入端接头分别与4路独立解锁机构上的两靶线相连，且通断适配器的4路信号输出端与示波器上的4路信号端子CH1、 CH2、 CH3 、CH4对应连接，构成4路解锁机构的通-断信号采集回路。电源与同步触发装置连接，同步触发装置又分别与示波器和电起爆器连接，其作用是给示波器发出启动指令的同时，触发电起爆器。

发火作用前，解锁机构中的锁紧销与本体壁导通，通-断靶信号处于低平状态；电源发火时，同步触发装置同时给示波器一个启动指令，并同时触发电起爆器；发火解锁后，锁紧销回缩并与靶线脱离，其与本体壁电路处于断开状态，通-断靶信号转为高平状态。通-断信号适配器采集锁紧销与本体外壁之间的电平变换过程，并把电平信号传递给示波器，在示波器上读出从施加刺激量到通断信号适配器输出信号跳变的时间间隔，即为作用时间。

试验抽取4发产品进行解锁同步性试验，试验结果见表3。

表3 解锁机构作用时间与同步性测试结果 （ms）

设计技术指标要求弹翼解锁机构解锁时间小于10ms，弹翼解锁机构解锁到位不同步时间小于5ms。从试验结果可以得出，4套解锁装置作动到位平均时间最长为5.09ms，最短为4.13ms；解锁不同步时间（即解锁同步性）最大为0.27ms，最小0.06ms，具有良好的解锁同步性。同时，解锁过程中无燃气烟雾泄漏，密封性能良好。

4 结论

本研究的4路弹翼解锁机构采用了一种新颖结构的燃气传输气路，电起爆器从“十”字型气路的中心点爆发产生高压燃气，并沿4路通道容腔同步传输做功，使燃气的传输距离、做功容腔完全一致，保证4路解锁时间的同步性。动力源采用成熟桥带式钝感电起爆器技术，满足产品输出作用要求。通过全产品验证试验，表明该机构能够满足解锁作用时间、4路解锁同步性、回缩行程等关键技术指标，实现闭锁和解锁两项功能。产品具有作用时间短、低冲击、同步性高、密封性能好等特点，为同类产品的设计提供了一定参考。

[1] 严楠,叶耀坤.小型快速火工解锁机构的设计与试验研究[J]. 火工品,2011(1):1-4.

[2] 李国新,程国元,焦清介.火工品试验与测试技术[M].北京:北京理工大学出版社,2007.

[3] 王凯民,张学舜.火工品工程设计与试验[M].北京:国防工业出版社,2010.

[4] 叶耀坤,严楠.降低火工解锁螺栓分离冲击的技术研究[J]. 火工品,2011(1):13-16.

Design and Experimental Study of the Explosive Release Device with Four Tunnels

LI Geng1，YAN Xin-fei2，CHEN Zhen1，XU Jiang-tao1，LIANG Ke1

(1.Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an,710061 ; 2.The Air-Ground Representative Office Stationed in Xi’an Area, Xi’an, 710061)

A new explosive release device with four high pressure burning-gas tunnels has been designed, based on insensitivity electric initiator technology. Through margin performance test of the output charge, unlocking function test, synchronization test, the explosive release device was showed to meet the requirement. It showed that the maximum unlocking time is 5ms, synchronization error is 0.27ms, and no burning gas leakaged. The explosive release device has the feature of low impact, light weight, short unlocking time and small synchronization error. The design has provided the certain reference for the other products design.

Explosive release device；Insensitivity electric initiator；Unlocking；Synchronization；Low impact

1003-1480（2016）02-0001-05

TJ45+6

A

2015-12-09

李庚（1980 -），男，工程师，主要从事火工品设计研究。