一种弹射型爆炸螺栓仿真设计研究

夏冬星，杨安民，赵冬亚，马 骏



一种弹射型爆炸螺栓仿真设计研究

夏冬星，杨安民，赵冬亚，马 骏

（陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061）

为满足某型抛盖装置的分离速度和高承载要求，设计了一种弹射型爆炸螺栓，对其作用过程进行了分析和数学建模，利用MatLab编制内弹道仿真程序进行了输出参数求解。经验证表明该设计合理，模型准确地反映该型爆炸螺栓作用过程中各参数间的关系。本研究为同类爆炸螺栓、火工装置设计提供了参考。

弹射型爆炸螺栓；数学模型；内弹道；分离速度

目前一些导弹型号上级间连接分离、发射箱盖连接分离、滑块分离等对爆炸螺栓提出了更高的要求，既要满足较高承载又能推动一定质量负载以较高的速度分离，为满足此需求笔者设计了一种弹射型爆炸螺栓，该爆炸螺栓兼有一般爆炸螺栓和分离作动器的两种功能。

在弹射型爆炸螺栓设计时，除应计算完成可靠分离的装药量外，还应确定合适的作用行程、活塞直径，分析分离负载差异对分离速度的影响等。这给产品结构设计、输出参数计算等方面带来一定的难度。传统爆炸螺栓研制过程中多采用经验设计-试验-修正的方式，在设计初期多是凭借经验，以手工粗略计算为主，一旦出现经验误差，需要对前期设计修改或重新设计，造成研制成本增加、周期变长。本文对该类爆炸螺栓的仿真设计方法进行了研究，根据该设计方法可准确地确定各个关键设计参数，大大减少验证试验量，提高了设计一次成功率。

1 结构形式及主要技术参数

1.1 结构形式

该弹射型爆炸螺栓（以下简称爆炸螺栓）主要由发火元件（隔板装药组件和电起爆器）、压环、活塞、密封圈、挡圈、缓冲套、螺栓本体等组成，其结构及外形见图1。

图1 弹射型爆炸螺栓结构

1.2 主要设计参数

爆炸螺栓既要求具有一定的承载能力，同时还要能推动规定负载以一定速度分离，即兼有一般爆炸螺栓及分离作动器的两种功能，其主要技术参数包括：（a）承载能力，单位N，设为；（b）分离负载质量，单位kg，设为；（c）负载分离速度，单位m/s，设为；（d）作用行程，单位m，设为。

2 作用过程运动分析及数学模型建立

2.1 作用原理

爆炸螺栓发火元件作用后产生高压燃气推动活塞运动，将预断面剪断使分离体解锁，活塞在高压燃气推动下继续向前运动，在活塞运动至设计行程结束时，负载分离速度达到最大值，实现预定分离功能。

2.2 数学模型建立

参照内弹道理论，在爆炸螺栓作用过程中，通过火药的燃烧，将火药的化学能转换为燃气的热能，而火药燃气的热能通过对外做功与热损失的方式转换为其他形式的能量。还有相当一部分没有转换，以很高的温度与压力的状态保持在作用后的爆炸螺栓内部。根据火炮经验数据[1]，火药的总能量有57.7%转化为其他能量，而其中只有约32%转化为负载的动能，活塞及负载克服摩擦阻力所消耗的能量约占2.17%，火药及火药气体的运动能量约占3.14%，爆炸螺栓和固定试验工装的后坐运动能量约占0.12%，热损失20.17%，未利用的火药潜能42.26%。根据以上分析，可以得到爆炸螺栓的主要设计参数和作用过程数学模型。

2.2.1 承载力及启动压力确定

（a）承载力计算：承载力反映了爆炸螺栓承载性能，在进行爆炸螺栓内弹道计算时决定了挤进压力的大小。按照式（1）计算承载力，或者已知承载力要求计算承载预断面的结构尺寸1和。

π×1××τ≥1（1）

式（1）中：1为承载面拉断载荷，一般按要求值的1.5倍设计[2]；τ为材料抗剪切强度；1为预断面直径，根据螺栓内部结构尺寸设计；为预断面厚度。

（b）启动压力：在爆炸螺栓未分离前主装药为定容燃烧阶段，则火药定容燃烧情况下气体状态方程式[3]为：

式（2）中：P为一定质量的火药在定容腔内产生的最大压力，装药产生的压力大于此值时爆炸螺栓将分离，单位Pa，对应的是爆炸螺栓预断面被剪切断所需的压力，即内弹道计算中的挤进压力，P=/，为活塞面积；为火药力，单位kJ/kg；为火药余容，单位dm3/kg；为定容腔内火药的装填密度，单位kg/m3，即/0，为装药量，0为爆炸螺栓内部初始容腔。以上计算反映了承载力与完成剪切分离预断面所需装药量的关系。

2.2.2 作用过程运动分析

爆炸螺栓作用过程可分为3个阶段：第1阶段为从主装药被点火药点燃到爆炸螺栓开始分离的过程，该过程相当于定容燃烧，主装药持续燃烧，爆炸螺栓内部压力不断增大，直至作用在活塞上的燃气压力等于爆炸螺栓承载力；第2阶段为当爆炸螺栓预断面被剪断后，活塞继续向前运动，但阻力突然下降，随着主装药继续燃烧而不断补充高温燃气，并急速膨胀做功，使得爆炸螺栓的活塞连同负载沿轴方向向前直线运动。该过程为变容腔燃烧过程，直至主装药燃烧结束；第3阶段为爆炸螺栓主装药燃烧完后，高压燃气继续膨胀做功过程，该过程终止条件是活塞运动到位，达到预定行程。

当运动行程较短时，可能出现活塞已经运行到位，主装药仍未燃烧完，则爆炸螺栓作用过程只有第1、第2阶段。从以上分析可以看出，弹射型爆炸螺栓作用过程与弹丸在枪炮膛内射击过程[1]相似，因此可借用内弹道理论对爆炸螺栓作用过程进行数学建模。

2.2.3 运动过程模型

爆炸螺栓完成第1阶段定容燃烧，活塞在高温高压燃气作用下剪断承载预断面后，进入作用过程的第2阶段，此阶段为变容腔燃烧过程，即在主装药继续燃烧的同时，活塞向前运动使容腔增大，第3阶段为燃气膨胀做功过程，此时主装药已经燃烧完（=1），高压燃气推动活塞继续向前运动使容腔增大，直至活塞运动到位。由此可借用经典内弹道方程组[1]建立作用过程第2、3阶段的数学模型，见式（3）。

式（3）中：为已燃火药百分比；为相对燃烧厚度；、为药型特征量，与装药种类有关；I为压力全冲量；为燃速指数系数；为次要功计算系数，取1.0～1.2，无量纲值；为活塞截面积；为容腔内部压力；为活塞行程；l表示装药燃烧后对应的药室缩径长度；为火药力；＝-1，为绝热指数；为负载质量；为装药量。对上述模型进行处理，使量纲为1，以行程为自变量，利用MatLab编制內弹道求解程序，结合ode45函数解微分方程，可求出作用过程中各个时刻的压力、速度、时间等参数的数值解，最终得出——，——等曲线。

3 实例验证

以某型弹射型爆炸螺栓为例进行各参数计算，该爆炸螺栓作用行程28mm，负载质量3kg，要求分离速度在（25±1.6）m/s，按以上模型对该产品的参数进行了设计及计算。

已知爆炸螺栓结构和装填条件为：活塞截面积＝0.034 6dm2；药室容积0＝1.99×10-3dm3；活塞全行程长l＝0.28dm；负载质量＝3kg；挤进压力（轴向拉伸破坏载荷对应的压力）0＝187.76MPa；装药量＝0.59×10-3kg；主装药采用2/1樟单基发射药，特征量[4]如下：2e1=0.215mm、2=1.05mm、平均孔径0=0.11mm、密度ρ=1.62kg/dm3、火药力=1 033.4 kJ/kg、余容=0.937dm3/kg。该火药形状特征量为=1.204 8，=-0.17，·=-0.204 8，与此相应的压力全冲量和次要功计算系数分别取为I=119.44kPa•s，＝1.1，火药气体的比热比取1.237 1。

第1阶段（定容燃烧阶段）初始参数值计算：

第2、3阶段以为自变量，将初始参数值带入内弹道求解程序，计算出给定条件下的分离速度和时间等值。采用图2所示测速装置对该爆炸螺栓推动3kg负载时的分离速度和到位时间进行测试，仿真计算结果与实测结果对比见表1和图3。

图2 测速装置

Fig.2 Velocity testing device

表1 计算值与实测值对比

Tab.1 Comparison of calculated values and measured values

图3 速度曲线对比

图3可以看出计算速度和实测速度值均能较好地拟合，误差较小，到位时间也比较接近，由于实测时的到位时间包括电雷管+导爆索+隔板组件的作用时间，约100μs左右，而计算的时间是从主装药已燃去部分、爆炸螺栓开始分离计数的，因此，计算数据能较好地反映出爆炸螺栓推动规定负载运动情况。

内部压力——曲线、输出推力——曲线、作用行程——曲线、分离速度——曲线，分别见图4。

图4 弹射型爆炸螺栓分离过程参数曲线

由上述计算结果和实测数据可以得出，该类装药的弹射型爆炸螺栓在分离后很短时间内主装药就完全燃烧结束，内部压力达到峰值，随着运动行程的增加压力降低，负载运动速度持续增加，至行程结束时速度达到最大，行程末端速度增加量较小。

4 结论

本文通过对弹射型爆炸螺栓的作用过程进行分析，借助内弹道计算理论对作用过程建立了数学模型，采用MatLab编制了数值求解程序，运用该方法对某爆炸螺栓进行了设计及试验研究，并对数学模型的合理性及计算方法的正确性进行了验证。研究表明该模型同样适用于火药驱动的作动器及火工装置，在设计研究时将装药和结构参数带入内弹道程序既可求出预期的速度、推力等，也可在已知输出推力、速度的条件下求解装药及行程等。

[1] 金志明.枪炮内弹道学[M].北京:北京理工大学出版社, 2004.

[2] 王凯民,温玉全,等.军用火工品设计技术[M].北京:国防工业出版社, 2006.

[3] 刘继华.火药物理化学性能[M].北京:北京理工大学出版社, 1997.

[4] 高滨.火工分离装置的性能研究[D].长沙:国防科学技术大学, 2005.

The Simulation Study on Some Ejection Explosive Bolt

XIA Dong-xing, YANG An-min, ZHAO Dong-ya, MA Jun

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

In order to meet the separating rate and high bearing capacity requirements of a certain cover throwing device, an ejection explosive bolt was designed, its action process was analyzed and mathematical model was established, an interior ballistic calculation program was compiled by MATLAB to solve the output parameters. The verification shows that the design is reasonable, and the model accurately reflects the relationship between various parameters in the action process of the explosive bolt. This study provides a reference for the design of similar explosive bolts and pyrotechnic devices.

Ejection explosive bolt；Mathematical model；Interior ballistic；Separating rate

1003-1480（2018）05-0005-04

TJ450.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.05.002

2018-06-13

夏冬星（1979-），男，高级工程师，主要从事火工系统和火工装置研制。