三种缓冲材料在某型爆炸螺栓降冲击中的应用研究

张忠凯，夏冬星，杨安民，胡晓龙，张国兴



三种缓冲材料在某型爆炸螺栓降冲击中的应用研究

张忠凯，夏冬星，杨安民，胡晓龙，张国兴

（陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061）

针对某型爆炸螺栓在总体使用时出现冲击过高的问题，通过更改其连接方式及增加缓冲材料的方法进行了降冲击设计，并对不同缓冲材料进行试验研究。结果表明：在相同尺寸和一定的压缩空间下，泡沫铝的缓冲效果最明显，测点位置处时域冲击响应峰值分别由原来的7 335g和13 640g降到了707.9g和4 172g。

爆炸螺栓；冲击响应；缓冲材料

爆炸螺栓由于体积小、能量密度高等优点，常用作导弹、运载火箭等级间的连接与解锁装置，但同时由于它是利用火炸药爆炸能驱动做功的装置，在作用过程中会产生较大的冲击载荷，如不采取防护措施，冲击会造成对相连、相邻设备的危害，特别是对电子设备、轻薄结构、脆性材料的破坏尤为明显[1-2]。

近年来，随着航天事业的迅猛发展，火工装置冲击的低量级化愈发显得重要。目前控制冲击的方法主要有以下几种：（1）调整装药量或燃气的释放速度，减小快速点火和燃烧产生的冲击；（2）在装置内部设计缓冲结构，用塑性材料或弹性材料吸收能量；（3）减小预紧力或增加负载释放的时间，来降低负载突然释放产生的冲击；（4）低冲击分离装置的研制。此外，还有一种方法是在分离装置的安装上采用减振和隔离措施，将高频部分衰减掉[3-6]。

本文针对某型爆炸螺栓在试验过程中出现冲击过大的问题，采用更改其连接方式及增加缓冲材料的方法对其进行了降冲击设计，对3种缓冲材料的缓冲效果进行了对比试验，最终确定了适合的缓冲材料。

1 某型爆炸螺栓初始方案及冲击测试

研制初期对某型爆炸螺栓轴向冲击响应进行测试，实际连接方式如图1所示，爆炸螺栓直接拧紧在舱段Ⅱ上，试验装置如图2所示。试验台四周用定位销定位，通过爆炸螺栓将对接板与支架连接。根据总体要求，在对接板上选取距爆炸螺栓中心位置100mm（测点1）和30mm（测点2）作为数据采集点。采用美国DYTRAN公司生产的3200B型冲击加速度传感器（参数如表1所示），安装完毕后连接测试线，通过多通道动态数据采集仪记录测点位置处时域的冲击加速度，并采用Smallwood[7]提出的改进递归数字滤波方法编写了Matlab程序，将时域冲击加速度信号转换为冲击响应谱，测试结果如图3~4所示。

图1 爆炸螺栓连接简图

图2 测试装置示意图

表1 加速度传感器性能参数

Tab.1 Performance parameters of acceleration sensor

图3 测点1处冲击响应

图4 测点2处冲击响应

通过对试验数据的判读，发现测点位置处冲击响应峰值过大，如表2所示。冲击值过大，很容易造成弹上敏感部件性能的下降，因此，必须对爆炸螺栓进行降冲击设计，尽可能减小冲击带来的危害。

表2 测点处冲击响应峰值

2 降冲击设计

对于爆炸螺栓等点式火工分离装置，根据其工作原理及作用过程分析，其冲击源的产生主要有火工品本身、预紧力释放、机械零部件的碰撞等。当从火工分离装置本身出发进行性能优化以达到降低冲击的目的时，由于涉及的参数较多，并不是方便快捷的方法。由文献[8]可知，剪切式爆炸螺栓的预紧力释放是主要的冲击来源，约占57.51%，而螺栓预紧力又直接影响到结构的连接刚度，因此试图通过减小预紧力来降低冲击是不可取的。通过分析图1，发现当舱段完成分离，螺栓头仍旧连接在舱段Ⅱ上，此时螺栓头上的冲击（主要由预紧力释放产生）将全部传递到舱段Ⅱ上，必然造成舱段Ⅱ上更大的冲击。

经过综合分析，对图1所示爆炸螺栓进行降冲击设计，简图如图5所示。

图5 降冲击方案简图

图5中将舱段Ⅱ上的螺纹孔更改为圆光孔，用螺母紧固螺栓，分离后螺栓头飞离舱段Ⅱ带走一部分冲击，同时，增加内嵌有缓冲材料的保护罩，通过保护罩内缓冲材料受冲击后压缩变形，吸收多余能量降低螺栓头机械撞击造成的二次冲击。缓冲材料的选择关键在于材料对能量的吸收和转化。多孔材料由于具有密度小、刚度低、压缩变形大等优点，是一种理想的缓冲吸能结构，已在航空航天领域得到广泛应用。对目前工程上常用的多孔材料性能进行分析，最终选择泡沫铝、金属橡胶和钢蜂窝作为爆炸螺栓的缓冲材料。

3 降冲击方案试验与结果分析

对降冲击方案进行冲击响应测试。由于增加了保护罩，测试时将传感器2置于保护罩顶点中心处，传感器1位置未变，如图6所示。测试结果如图7～9和表3~4所示。

图6 降冲击方案测试装置示意图

图7 3种缓冲材料压缩后实物图

图8 测点1处冲击响应

冲击试验后测量得到：泡沫铝的压缩量为6.8mm，金属橡胶的压缩量为5.3mm，钢蜂窝的压缩量为4.3mm，即泡沫铝的压缩量最大，钢蜂窝的压缩量最小。由材料力学可知，在受到同样冲击载荷的作用下，材料的压缩量越大，其刚度越小。结合试验结果可得：3种规格缓冲材料中泡沫铝的刚度最小，钢蜂窝的刚度最大。由图4（a）及图8（a）～8（c）可以看出，3种材料对冲击均起到了一定的缓冲作用，其中泡沫铝缓冲效果最好，金属橡胶次之，钢蜂窝缓冲效果最差，但是差异不是特别明显。由图8（d）及表3也可以得到相同的结论，因此有必要对测点2处的响应做进一步分析。

表3 测点1处冲击相应峰值

表4 测点2处冲击相应峰值

Tab.4 Peak value of shock response at the measuring point 2

图9 测点2处冲击响应

由图9（a）～9（c）可以看出，在相同尺寸条件下，泡沫铝的缓冲效果最好，钢蜂窝的缓冲效果最差。而图9（d）频域曲线上，当频率小于400Hz时，泡沫铝缓冲效果最差，当频率大于400Hz时，泡沫铝缓冲效果最好。结合表4测点2处峰值加速度，可以确定泡沫铝对高频的缓冲效果要好于金属橡胶及钢蜂窝。

综上可知，3种材料对火工冲击引起的高频冲击均起到了一定的缓冲作用，其中泡沫铝的缓冲效果最好，金属橡胶次之，钢蜂窝最差。分析认为缓冲效果与缓冲材料及结构的刚度有一定关系，即：一定范围内，在满足缓冲及承载要求的条件下，刚度越小，压缩量越大，缓冲效果越好。

4 结论

（1）通过采用改变连接方式及增加缓冲材料的方式可有效降低火工冲击引起的高频冲击；

（2）通过对比不同缓冲材料对冲击的缓冲效果，可得出：在相同尺寸条件下，3种规格的缓冲材料中，泡沫铝的缓冲效果最好，金属橡胶次之，钢蜂窝最差。本研究对今后爆炸螺栓降冲击的设计具有一定借鉴意义。

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Study on the Application of Three Cushioning Materials to An Explosive Bolt for Impact Reduction

ZHANG Zhong-kai，XIA Dong-xing，YANG An-min，HU Xiao-long，ZHANG Guo-xing

（Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061）

In order to reduce the large impact of an explosive bolt, the reduction design was proposed, which include changing the connection mode and adding cushioning materials, and the tests of different materials’ cushioning property were carried out. The test results showed that, under the same size and certain compression space, the impact after adding foam aluminum is reduced from 7 335g and 13 640g to 707.9g and 4 172g in time domin, indicating that the foam aluminum’s cushioning property is the most obvious of the three materials.

Explosive bolt；Shock response；Cushioning material

1003-1480（2018）02-0025-04

TJ450.4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.02.007

2017-10-23

张忠凯（1987 -），男，在读硕士研究生，主要从事先进火工技术研究。