典型航天火工装置降冲击技术研究

唐 科，胡振兴，曲展龙，吴会强

(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引言

火工分离装置是航天运载火箭的重要组成部分，作为典型的单点失效系统之一，直接影响航天运载火箭系统性能、安全性和可靠性，直接影响到飞行任务的成败。据对国内外资料的统计，历史上因分离装置引起的安全事故和飞行失败屡见不鲜。

1986年起，美国航天局总部委托Langley研究中心牵头汇总有关失效调查报告[1]。结果表明：在1963—1985年的23年中，共计出现过88起可能与爆炸冲击或振动有关的故障，超过63次是由爆炸冲击直接或间接引起的，占71%以上，且多是灾难性故障。爆炸冲击是航天运载火箭最复杂和严酷的力学环境之一，是影响飞行任务成败的重要因素。

火工冲击产生的冲击主要为高频瞬态冲击[2]，主要特点是高量级，近场冲击在4 000～100 000g之间；时间短，一般在20 ms以内；传播形式为应力波[3]。国内外学者在火工冲击方面开展了多方面的研究，在火工装置冲击源产生、传播路径、抑制方法、试验预示、试验方法等方面取得了丰富的研究成果[4]。1999年5月美国颁布了NASA-STD-7003爆炸冲击试验规范[5]，并于2011年12月升级为了NASA-STD-7003A[6]，系统地介绍了航天器爆炸冲击试验规范，阐述了爆炸冲击试验环境的特点、环境预示方法以及爆炸冲击的试验模拟技术等。国内也建立了GJB150.18A-2009冲击试验标准[7]，规定了军用装备冲击试验的相关要求。

在火工装置的爆炸冲击研究中，北京宇航系统工程研究所的冯丽娜等[8-10]围绕扁平管分离装置的膨胀特性开展了性能仿真和试验研究工作，研究了膨胀管的输出特性、削弱槽位置对膨胀管分离装置冲击的性能影响和爆炸膨胀能量测试方法，获得了一种较低冲击的膨胀管分离装置结构和一套爆炸能量显性化测试方法。南京航空航天大学的高庆等[11]对线式分离结构高应力释放下的高频冲击开展了研究，通过冲击环境的预示分析和试验验证，辨识了分离结构高应力释放下的高频瞬态冲击影响程度，摸清了地面和飞行过程中的高频瞬态冲击差异。王军评等[12]研究了爆炸螺栓冲击响应的主要影响因素，根据爆炸螺栓解锁和撞击的作动过程，建立了预紧状态下的爆炸螺栓数值模型，研究了预紧力、药量、撞击部位材料对结构冲击响应的影响。

在相关学者的研究基础上，本文围绕航天运载火箭用的某星箭解锁用反推式分离螺母装置和膨胀管-凹槽板线式分离装置开展降冲击设计和评价。

1 分离螺母装置降冲击研究

分离螺母装置其分离冲量低、冲击水平相对较低，通常用于对冲击水平要求高的环节，如星箭解锁环节。随着分离冲击要求越来越高，现有的分离螺母冲击水平也难以满足卫星需要，因此，需要对分离螺母装置进一步降低冲击水平。分离螺母装置主要由分离螺母、捕获器、对接螺栓组成，具有连接、轴向承载、分离和捕获等功能。分离螺母分为直推式和反推式两种状态，由分瓣螺母、支承环、壳体、密封圈等组成，见图1[13]。

(a) 反推式

(b) 直推式图1 分离螺母结构图Fig.1 Structure drawing of separation nut

从国外的研究结果来看，美国HI-SHEAR公司两型产品的冲击源分析见表1，从表中可以看出，对于SN9400来说，预紧力释放产生的冲击最大，占总冲击的60%；而对于SN9500来说，机构碰撞所产生的冲击最大，占总冲击的50%，这是由于SN9500采取了预紧力缓释机构，从而使得总冲击大幅度降低[14]。两种分离螺母结构见图2。

表1 两型分离螺母冲击源分析Tab.1 Analysis of shock source of two type separation nut

(a)SN9400

(b) SN9500 图2 两种分离螺母结构图Fig.2 Structure drawing of two separate nuts

综上所述，针对反推式的分离螺母，可以从火工冲击、预紧力释放、机构碰撞等方面开展分离螺母装置降冲击技术研究。尽管预紧力对冲击贡献较大，但由于它牵涉结构的连接刚度，一般不能通过降低预紧力来达到降冲击的目的。若通过增加预紧力释放时间来达到降冲击目的，会使机构更加复杂。因此，对于现有的分离螺母装置而言，只能从优化零组件结构形式上进行降冲击设计。

1)进气管座燃气通道改进。改进前燃气通道如图3(a)所示，两个点火器产生的高温高压气体直接通过进气道作用在分离螺母内部零件上，导致燃气对圆筒组合产生较大的轴向冲击。改进后把燃气通道改为直角，使燃气在进气管座内部发生转弯，削减燃气对圆筒组合的轴向冲击，达到减小冲击的作用，如图3(b)所示。

(a)改进前 (b)改进后 图3 进气管座对比Fig.3 Gas channel structure comparison

2)撞击吸能结构改进。更改前，支承环运动，撞击进气管座，依靠弹簧缓冲。为了进一步降低冲击，采用蜂窝缓冲材料，通过变形吸能，降低支撑环的速度，并吸收能量，如图4所示。

(a)改进前

(b)改进后图4 吸能结构对比Fig.4 Comparison of energy absorbing structures

为了保证能够有较大的压缩率，对比了单层蜂窝和组合双层蜂窝缓冲材料的压缩特性。组合双层蜂窝压缩时，存在两个平台段，压缩强度和平稳段应力水平显著增大，具有更好的吸能效果，如图5所示。通过空气炮试验，在标准的冲击测试平板上，弹丸以30 m/s速度撞击蜂窝试验件，铝蜂窝材料可以显著地降低冲击载荷各频率段的冲击值[15]，多层叠加蜂窝相对单层蜂窝具有更好的缓冲效果。蜂窝性能评价测试如图6所示。

(a)单层蜂窝

(b)双层组合蜂窝图5 蜂窝材料静压缩曲线对比Fig.5 Comparison of static compression curves of honeycomb materials

(a)试验平台

(b)测试结果图6 蜂窝性能评价测试Fig.6 Honeycomb performance evaluation test

3)连接螺栓优化。为了进一步减小分离螺母解锁过程中通过两个固定螺栓传递到结构上的撞击冲击，在压环与分离螺母之间以及压环的固定螺钉下增加减振橡胶垫。通过设计限位的台阶螺钉，利用螺纹根部的台阶面与被连接结构定位，便于控制力矩和控制橡胶垫变形量，实现浮动压环设计，如图7所示。通过发火试验对比，增加浮动压环结构后，该设计方式使8 kHz内冲击谱最大值降低了43%，4 kHz内冲击谱最大值降低了31%。该设计方案表明浮动式压环设计方案具有优良的降冲击效果。

（4）实验操作与交流：围占2格的图形，先在钉子板上围图形，并把围出的图形画下来，再和同伴说一说，这些图形是占2格吗？如何说明？

(a)普通连接结构

(b)浮动压环结构图7 连接螺栓减振结构Fig.7 Connecting bolt damping structure

为了对降冲效果进行评价，设计了600 mm×600 mm的标准平板，见图8，通过悬挂的方式，进行冲击试验[16]。通过在标准平板上开展数值模拟，并开展高低常温的发火试验测试，获得了整个运动过程中产生的振动冲击。

(a)试验平台

(b)测点位置图8 冲击测试平台Fig.8 Shock test platform

爆炸冲击仿真分析和试验结果对比见图9，对于同一测点，Z向冲击比其他两个方向大，对称位置的点值基本相同。由于参数缺失，仿真结果普遍高于试验结果。通过采取结构上的降冲击措施，分离螺母装置的频域爆炸分离冲击从4 540g降低到了1 097g，峰值频域也发生了改变，冲击尤其是高频冲击被有效抑制，取得了良好的降冲击效果，见图10。

图9 8 kHz下冲击数据对比Fig.9 Comparison of shock data at 8 kHz

图10 改进前后冲击测试结果对比Fig.10 Comparison of impact test results before and after improvement

2 膨胀管-凹槽板分离装置降冲击研究

对膨胀管-凹槽板分离装置冲击特性开展研究，建立了计算模型，模型上的冲击测点位置见图11。连接到标准的线性测试平台后[16]，冲击测试平台的测点分布位置见图12。计算所用到的主要材料参数见表2、表3。

图11 膨胀管分离装置冲击计算模型Fig.11 Shock calculation model of Super ZIP

图12 测点分布图Fig.12 Distribution map of measuring points

表2 炸药RDX的JWL状态方程参数Tab.2 Parameters of JWL equation of state for explosive RDX

表3 扁平管材料参数Tab.3 Flat tube material parameters

仿真计算和试验对比结果见图13。仿真分析结果普遍大于试验测试结果。经分析，由于仿真分析选取的为节点加速度，真实试验测试为测点区域的均值，无法测试到具体某点的加速度。因此，仿真分析的结果大部分大于试验结果，但在量级和趋势上相近，仿真结果对于定性分析是可信的。

图13 测试和仿真结果对比Fig.13 Comparison of test and simulation results

通过仿真分析，辨识双凹槽板-膨胀管分离装置在解锁过程中涉及的冲击源，包括火工品爆炸及凹槽板断裂、扁平管与分离板以及上下端框之间的碰撞等环节[17]。

1)扁平管膨胀撞击端框过程。起爆后扁平管膨胀，以一定速度撞击分离端框，提取扁平管上沿速度，如图14所示。从图中可以看出扁平管撞击的速度达到200 m/s，这个高速撞击会向端框中传入一个冲击波，这是膨胀管分离的一个重要冲击源。

图14 撞击过程及速度Fig.14 Impact process and velocity

图15 分离端框轴向应力云图Fig.15 Axial stress nephogram of separation end frame

图16 分离端框轴向应力Fig.16 Axial stress of separation end frame

为了进一步研究上述两部分冲击源的占比，建立了两种拉偏模型，如图17所示。其中(a)图仅考虑凹槽板断裂的冲击影响，(b)图仅考虑扁平管碰撞端框的影响，分析结果见表4。凹槽板的振动对整个分离过程的冲击贡献约为39%，扁平管碰撞端框对整个分离过程的冲击贡献约为61%。

(a)仅考虑凹槽板断裂

(b)仅考虑扁平管碰撞图17 冲击源占比分析模型Fig.17 Analysis model of shock source proportion

表4 分析结果Tab.4 Analysis results

为了进一步研究膨胀管-凹槽板分离装置降冲击措施，按照增加减冲击框、增加隔振板、在扁平管与上下端框之间增加隔振结构3种措施进行仿真分析，见图18，并和无任何降冲措施的状态进行对比，见图19。可知增加减冲击框、在扁平管与上下端框之间隔振具有较好的降冲击效果。

(a)加减冲击框状态

(b)加隔振板状态

(c)在扁平管与上下端框之间隔振结构(长城式改进结构)图18 结构降冲击措施Fig.18 Structural shock reduction measures

图19 8 kHz内谱冲击仿真结果对比Fig.19 Comparison of shock simulation results at 8 kHz

进一步提取增加减冲击框和长城式分离结构的冲击谱曲线,将其进行对比,见图20，在不同测点的Y向，均有一定的降冲击效果。

(a)6-Y

(b)7-Y

(c)8-Y

(d)9-Y图20 加速度曲线对比Fig.20 Acceleration curve comparison

3 结论

本文以典型的分离螺母点式分离装置和膨胀管-凹槽板线式分离装置为例，开展了冲击激励源的全面分析，并利用仿真预示和试验的方法，获得了两种典型分离装置的降冲击途径和效果，可以得到以下结论和建议：

1)针对分离螺母装置，冲击源主要是从火工品工作、预紧力释放、机构碰撞3方面产生。通过对现有分离螺母装置采取进气通道改进，能进一步降低火工品工作冲击；通过对内部撞击吸能结构和连接螺栓进行优化，能够进一步降低机构碰撞产生的冲击。通过上述措施，在保证预紧力不变的前提下，分离冲击综合降低了75%以上。

2)通过对膨胀管-凹槽板分离装置的降冲击技术进行了研究，获得了双面凹槽板-膨胀管分离装置的主要冲击源是扁平管对分离端框的碰撞(61%)和分离板断裂过程中的预紧力释放及分离板的振动(39%)产生，增加减振框和在扁平管与上下端框之间采取隔振措施能起到一定的降冲击效果。