火工驱动开盖装置研究

袁 森,陈国光,李 帅,董晓芬

(1.中北大学机电工程学院,山西 太原 030051)

(2.中北大学环境与安全工程学院,山西 太原 030051)

近十多年才出现的水下预置武器系统,对新时代水下对抗体系的发展极其重要。俄罗斯、美国、印度等大国都正在积极开发水下预置武器系统[1-3]。预置武器主要是以隐蔽的方式提前安装于水下[4-5]。如美国近年来开展的海德拉(Hydra)计划、俄罗斯的赛艇计划都将预置武器纳入了未来装备规划[6-7]。随着现代战争的发展和科技进步,对武器系统的可靠性、安全性和高效性提出了更严格的要求。特别是在复杂的作战环境下,武器系统必须具备高精度和快速反应能力。对于预置武器在复杂的作战环境下如何快速打开盖子进行发射成为研究的重点,并受到广泛关注。

火工驱动系统采用的特种火工药剂具有较高的可靠性和安全性,能够确保子武器系统在复杂环境下正常使用。为此,本文设计了一款火工驱动开盖系统,将火工品和机械结构结合起来实现快速开盖的功能。

1 火工驱动开盖装置设计

1.1 开盖装置结构组成及功能

开盖装置组成部件如图1所示,主要由起爆盒、分离机构、作动机构及控制系统等组成。

图1 开盖装置组成示意图

开盖装置作动状态示意图如图2所示。其主要功能如下:当控制系统发送“点火”指令后,起爆盒接收到开启指令,200 ms之后爆炸螺栓与前盖脱离,进入待发状态;之后弹射筒和推冲器同时作用于前盖,弹射筒推动滑块沿导轨向上滑动,带动连杆作用于前盖连接板,前盖绕转轴转动,当前盖翻转大于90°时,前盖会脱离筒体,完成开盖过程[8]。

图2 开盖装置作动状态示意图

1.2 开盖分离机构设计

开盖分离机构主要由爆炸螺栓、收紧套筒和柱销组成,且对称安装在导弹舱内壁。爆炸螺栓的作用是在接到动作信号后,与分离机构分离实现开盖解锁。柱销用于连接武器舱前盖和收紧套筒。收紧套筒两端预留有螺纹接口,可与转接杆相连接,主要用于前盖与发射筒的收紧。开盖分离机构模型如图3所示。

图3 开盖分离机构模型

开盖分离机构中的爆炸螺栓主要由壳体、电爆管、隔板体和剪切塞等组成,结构如图4所示。爆炸螺栓主要部件功能见表1。本文设计的爆炸螺栓是无污染爆炸螺栓,内部设计为隔板式闭气结构,作用后无飞溅物。其工作原理是接收到分离信号后,隔板点火器产生强大的爆炸压力使剪切塞运动,当剪切塞的推顶力大于螺栓本体薄弱环节的抗拉强度时,螺栓断裂分离。

表1 爆炸螺栓各部件功能

图4 爆炸螺栓结构示意图

1.3 开盖作动机构设计

开盖作动机构主要由推冲器、弹射筒、导轨、滑块、连杆等组成。推冲器和弹射筒用于提供前盖开启动力,当接收到开启指令,弹射筒和推冲器动作,弹射筒推动滑块沿导轨向上滑动,带动连杆作用于前盖连接板,前盖绕轴转动。作动机构模型如图5所示。

图5 作动机构模型图

在开盖装置的作动机构中,推冲器和弹射筒属于火工品[9],它们的基本结构类似,仅装药量不同,结构如图6所示。

图6 推冲器和弹射筒结构示意图

推冲器和弹射筒各部件功能见表2,工作原理:电起爆器起爆后点燃装药壳体内的装药,起到爆轰作用,推动活塞前进一段行程,达到开盖的目的。

表2 推冲器和弹射筒各部件功能

2 火工品装药设计及校核

2.1 推冲器装药量设计及校核

设定推冲器推力为15 kN,则推冲器内部压力F满足:

(1)

式中:S为压力作用于活塞端面的面积;P为压强,经计算为14.7 MPa。根据诺贝尔-阿贝尔方程,在密闭容腔内,燃烧室的压力服从以下方程:

(2)

式中:P1为燃烧室峰值压强,Pa;f为火药力,取1.01×105kJ/kg;α为火药余容,取0.95 dm3/kg;V为药室体积,取2.23×10-6m3;w为装药量,kg。根据计算,装药量最终确定为3.5 g。

图7 推冲器及弹射筒薄弱断裂面

2.2 弹射筒装药量设计及校核

根据诺贝尔-阿贝尔方程,在密闭容腔内,燃烧室的压力同样服从公式(2),f取1.01×105kJ/kg,α取0.95 dm3/kg,V取π×0.0112×0.011 m3,装药质量w经计算为3.5×10-3kg。

2.3 爆炸螺栓装药设计及校核

在GJB/Z 377A—94规定下进行变药量的升降法试验,得到感度参数分布为:感度均值参数μ=583.3,感度方差σ=0.791,可靠度(置信区间)R=0.999(r=0.90)对应的最大发火率(响应概率)P0为0.999 75,将以上参数代入式(3),可得到装药量的估计值。

(3)

经计算,m=586.6 mg,在此基础上,取裕度1.2计算,主装药量设计值为700±20 mg。

由于单个收紧套筒承载能力需大于等于20 kN,因此爆炸螺栓在收紧套筒内需承受拉压力。此外还应具有一定的抗扭能力,爆炸螺栓采用3.5倍安全裕度,即单个爆炸螺栓承载能力需大于等于70 kN。

分离机构螺栓拉断断裂面如图8所示,根据材料手册,本体所用1Cr11Ni2W2Mo V耐热钢棒的抗拉强度极限σb1=880 MPa。由机械强度理论可知,许用剪切应力[σ]为:

图8 螺栓拉断断裂面

[σ]=σb1/n

(4)

式中:n为材料安全系数,n=1.25～1.50。

剪切面积S3为:

S3=2πr3L

(5)

式中:r3为剪切面半径,m;L为剪切面轴向长度,m。将r3=0.007 m、L=0.003 m代入式(5)中,求得S3=0.000 131 9 m2。由强度理论可知,螺栓被拉断所需的最小力Fmin为许用剪切应力和剪切面积的乘积:

Fmin=P3S3≥[σ]·S3

(6)

式中:P3为螺栓拉断截面受到的压强,Pa。

经计算,螺栓最大拉断力为111.5 kN。经拉断力试验验证,实际拉断力为105 kN,满足设计要求。

3 箱体开盖过程的仿真分析

3.1 仿真模型的建立

对开盖作动机构进行简化,把对推冲器和弹射筒的力用ADAMS软件中STEP函数代替[10]。STEP函数定义为F=STEP(x,x0,h0,x1,h1),其含义为:

(7)

式中:x为变量,x0和x1为变量x的初始值和终止值,h0和h1为对应于x0和x1的函数值,h表示由STEP函数自动拟合给出的值。根据相关技术指标,弹射筒的力用STEP(time,0,20000,0.01,0)表示,推冲器的力用STEP(time,0,15000,0.01,0)表示。模型如图9所示。

图9 仿真模型简化图

为了保证仿真正常进行,需要对其施加相关约束,主要有地面和筒底的接触约束、盖子和筒壁的约束,在ADAMS中主要用特殊约束力——接触力(Contact)来表示各种类型的接触约束。接触类型为实体对实体,其接触参数设置见表3。表中:k为刚度系数,c为阻尼系数,e为力指数,d为渗透深度,vs为静摩擦转换速度,vd为动摩擦转换速度,mus为静摩擦系数,mud为动摩擦系数。

表3 接触参数设置

3.2 仿真结果分析

在ADAMS软件中设置仿真终止时间为2 s,仿真步长为1 000步。设置地面标记点,测量仿真过程中前盖的角度及角速度随时间变化情况,如图10、11所示。从图中可看出,开盖装置可以在1 s内完成开盖,能及时完成发射任务。开盖过程中,在推冲器和弹射筒的作用下使得其打开盖子的角速度比较大,使得其稳定性不足,有让筒倾倒的危险。由于受到空气阻力和地面摩擦阻力的作用,筒盖晃动在1.5 s左右才逐渐趋于平稳。图11中曲线出现抖动的原因是开盖过程中筒晃动所致。相较于传统电机驱动开盖技术启动速度慢、占用体积大的缺点,其能更好地完成发射任务。

图10 前盖角度变化曲线

图11 前盖角速度变化曲线

3.3 试验过程设计

各受试及参试设备在地面安装到位、调试完毕后,开始执行如图12所示的试验流程。

图12 试验流程

3.4 地面试验结果分析

验证开盖机构结构及电气设计的合理性后,对开盖机构主要技术指标进行考核,顺利完成既定的开盖动作,开启时间为0.4 s。从试验高速影像及仿真结果截取的部分图像如图13所示,仿真和试验的相同时序前盖打开所对应的角度大致相同。

图13 仿真与试验时序图对照

4 结束语

试验证明火工驱动开盖装置可在0.4 s完成开盖动作,相比传统电机在开盖装置中的应用,火工驱动的快速开盖特性使得该装置在军事领域具有巨大的潜力,有望取代传统的电机开盖方式,但在试验过程中发现该装置仍面临一定挑战。例如该方案的安全性、可靠性还需要做进一步的研究,以确保在使用过程中不会发生意外或故障。本文的试验及仿真仅验证了在地面隐蔽开盖的可行性,而对于更加复杂的水下试验环境,需要进行更加精确的设计研究来完善该装置。