线式分离装置产品化研究和实践

/北京宇航系统工程研究所

航天运载器火工分离装置分离解锁过程的成败直接关系到航天运载器飞行任务的成败,因而一直倍受重视。火工分离装置解锁分离方法主要有点式分离和线式分离2种。相比点式分离装置,线式分离装置具有起爆装置数量少、电源消耗低、可靠性高、分离同步性好、分离面密封性高、连接面结构刚度连续等优点。

由于线式分离装置具有点式分离装置不可比拟的优势,近10多年来在北京宇航系统工程研究所之类的设计单位应用的越来越多,其分离材料繁杂多样,分离面参数设计也五花八门、大同小异。目前,用于航天运载器仅研究所型号配套的线式分离装置中的柔性导爆索分离装置产品已达24种,对配套单位的设计能力、生产组织能力、质量管控能力均提出了新的挑战。分离装置结构件和火工品研制工作量大、试验周期长、订货批次多、生产数量大,并且呈逐年增长趋势。在现在的资源条件下,已无法满足型号进度需求,产品交付进度已经成为型号研制的短板。此外,由于产品众多,每个设计人员均需要负责约2～3种分离装置的设计,占用了设计人员的大量精力,导致对新技术的研发和投入明显不足,严重阻碍了型号研制和技术创新的发展。

针对上述存在的问题,采用产品压缩、优化方式,逐步开展线式分离装置产品化工作,形式合理优化的产品货架是解决该问题的良好途径。通过梳理、整合以往的使用品种,选取材料供货和性能稳定、生产和安装工艺性好、加工效率高、成本相对低的产品进行排列组合。减少了产品状态、规范了设计参数、缩减了研制经费,同时提高了产品质量和可靠性。

图1 线式分离装置分类示意

一、工作与实践

目前常用的线式分离装置有柔性导爆索分离装置、聚能切割索分离装置、膨胀管一凹槽板分离装置、膨胀管一凹口螺栓分离装置和气囊式无污染分离装置等,如图1所示。其中膨胀管类分离装置和气囊式分离装置在近几年来研制和应用中使用较多,并且多以借用以往的设计参数为主,因此这2种线式分离装置的设计状态一致性好,基本满足产品化工作要求。而柔性导爆索分离装置、聚能切割索分离装置2种装置应用较多,大多都为各型号新研,设计状态多而杂。线式分离装置的产品化工作以柔性导爆索分离装置、聚能切割索分离装置为开端,笔者以柔性导爆索为例介绍。

1.研制思路

统计和梳理现有柔性导爆索分离装置应用情况及设计状态,形成现有产品库,每个产品的性能指标(见表1)。货架产品从产品库中选取,如柔性导爆索分离装置,从分离环下手,依次确定柔性导爆索装药、保护罩、传爆结构组件等结构,如图2所示。这是一条齐全完整的、技术成熟的柔性导爆索分离装置产品化路线,其中分离环单位长度的承载能力有限元预示典型图,如图3、图4所示,药量对应的壳体和保护罩的损伤情况仿真分析,如图5所示。

2.型谱规划

分离环。从结构设计的角度看,线式分离装置与点式分离装置最大不同点为:线式分离装置与壳体设计结合的非常紧密。以往分离装置设计没有专门的设计部门,其设计是由壳段的设计人员一并承担的,图样与壳段图样融为一体。

图2 柔性导爆索分离装置结构组成

表1 柔性导爆索分离装置产品清理情况汇总表

图3 轴拉情况下的Mises等效应力分布

图4 轴压情况下的Mises等效应力分布

图5 保护罩和壳体损伤

线式分离装置的产品化工作也需要针对产品的不同特点和特性,因材施教、量体裁衣。否则,形成的货架产品无人选用、束之高阁,产品化工作没有真正推进,形同虚设。针对该特点,柔性导爆索分离装置分离环采用货架产品与货架设计2条腿走路的方式开展产品化工作。货架产品顾名思义为基本型分离环产品,供用户直接选用。货架设计即为基本型分离面设计,根据客户的需求在货架设计库中选择满足要求的设计状态。通过梳理分析货架产品和设计用户关注点及选型要点,如图6、图7所示。

柔性导爆索。柔性导爆索分离装置做功火工品为柔性导爆索,柔性导爆索自身已形成货架产品,根据分离环的设计状态在货架上选取。需要注意的是,因为柔性导爆索需要在货架上选取,因此需要分离环在货架规划时必须筛选出与货架上柔性导爆索匹配的产品,柔性导爆索型谱简表(见表2)。

保护罩。保护罩在柔性导爆索分离装置爆炸分离过程中保护舱内仪器设备不受损伤。常用的材料有铝合金和玻璃钢复合材料,状态有整环也有分段。为了兼顾安装工艺性、加工效率和结构重量,整环玻璃钢保护罩是产品化货架的主推产品,如考虑到壳段结构安装尺寸或少量生产要求的情况,也可选择其他状态的保护罩,型谱简谱要素,如图8所示。

图6 基本型分离环选型要点

图7 基本型分离面选型要点

表2 柔性导爆索型谱简表

传爆结构组件。传爆结构组件是柔性导爆索/聚能切割索分离装置的传爆结构,连接固定起爆装置和柔性导爆索/聚能切割索,确保起爆装置能够可靠起爆柔性导爆索/聚能切割索并保证其能够可靠传爆的结构组件。根据保护罩的设计状态从货架上选择与之匹配的传爆结构组件,传爆结构组件型谱简表(见表3)。

表3 传爆结构组件型谱简表

3.验收方法

以往线式分离装置验收方法都是采用平板试验件依据各型号任务书的要求进行,存在以下2个方面的问题:

一是平板试验件状态与真实产品有差异。平板试验截面设计与真实产品相同,但产品曲率、装配状态、热处理方式等都不同。如:平板试验件2个起爆装置2根索,为单点起爆,且索在起爆端和平板2个端面都是自由端;大直径环形铸件和平板铸件的热处理实际操作上也难实现一致;

二是任务书中的环境条件是按照型号的环境条件编制的,各型号验收环境条件不统一。如某型电起爆器至少有6份有效的制造验收技术条件,即使是同一批产品,交付不同的型号,就要进行多次重复验收。

这就导致高额的验收成本、管理成本和资源的极大浪费,更不利于产品技术状态和工艺状态固化,影响可靠性提升。因此,需要统一环境条件,从源头控制验收试验条件,同一批产品验收后能够交付不同型号使用,最大程度上节约资源,控制成本,实现统一验收、统一交付的目标。同时,统一环境条件,也实现了产品去型号化管理的目标。

图8 保护罩型谱简谱要素

研究所针对各个运载器型号的要求,制定统一的环境条件标准,将各型号的力学环境条件和自然环境条件进行包络,并结合线式分离装置自身研制特点的需要和相关行业要求,发布了火工品系统研制试验要求的厂所级标准。标准主要明确了火工品研制所需要进行的各项设计验证试验、设计鉴定试验和质量一致性检验的试验项目、数量、流程、条件和方法,为规范火工品研制、鉴定和统一验收奠定了基础。

4.实践方案

由于线式分离装置与壳段结构耦合度好,自身的更改情况复杂,牵一发而动全身,并且已定型的产品更改流程繁冗,多次飞行可靠性较高,已形成完整而稳定的设计、生产、验收和交付的程序,导致产品化应用的难度较大,必要性也有待商榷。因此。线式分离装置的产品化主要从新研型号下手,逐步的、不失时机的推广和应用。

二、实践效果

柔性导爆索分离装置经过压缩后,由以往的24种减少至12种,实现了50%的产品化率,减少了产品状态,提高了产品质量。由于每一种柔性导爆索分离装置研制和验收都需要数以百计的平板试验件和不少于3件1:1试验件,其生产和试验均需要时间和百万以上的经费。而规范化的状态不仅缩短了研制周期,同时还节约了大量的研制经费,在不降低可靠性的基础上,为降低产品成本做出巨大的贡献。

已形成的柔性导爆索分离装置优选目录、聚能切割索分离装置优选目录和传爆结构组件优选目录可以用于指导型号分离设计选用。以研究所为基础的自顶向下产品化活动正在向研究院各级单位延伸,以实现建设全院线式分离装置货架的目标。同时,货架产品将要进行统一环境条件验收试验考核,为后续型号选用和产品升级换代奠定了基础。

三、后续思路

线式分离装置产品化货架应与时俱进、适时更新。随着分离技术的发展,更有多品种的线式分离装置在成熟度较高、应用需求较多的情况下纳入货架。此外,针对线式分离装置产品化,有以下问题需要进一步思考。

1.验收产品状态正确性

用于验收试验的线式分离装置应该用什么样的产品,如果用线式分离装置真实结构,其尺寸较大,成本高,很多环境试验无法实施;如果用平板试验件和缩比试验件,由于装配状态和曲率不同,不能完全反映真实产品的各项性能;如果采用柱形试验件,更是没有验收到结构的分离性能,只能获得火工品的输出威力。因此,对于验收产品的状态一直颇有争议,难以达成一致。

2.统一环境条件的合理性

除了验收产品的状态,还需研究线式分离装置的验收环境项目和条件。最理想的情况是设计鉴定时包络目前所有型号的环境条件,验收试验时将试验项目酌情删减。但是实际上这种大而严的条件不是每个线式分离装置都能经受并满足,确切的说是验收用的试验件不一定可以通过考核。因此,验收试验环境项目和条件的合理性非常重要,但是如何确定才合理,目前也没有达成统一标准。

3.可能存在的问题

由于线式分离装置与壳体设计耦合度高,难以将多数分离环产品上货架,并作为基本型分离面设计的形式。这种无产品只提供设计参数的货架产品,通过何种形式提供,如何维护货架产品提供方的设计权益,也是亟待解决的问题。

线式分离装置产品化是装置发展到一定阶段的必然结果,压缩产品种类,提高产品质量,节省人力物力财力是快速稳定的发展之道,尤其是随着商业航天的迅速崛起,研究所只有降低成本、提高可靠性才能立于不败之地。所以,推进线式分离装置产品化工作势在必行。