某型火工解鎖裝置降沖擊設計與試驗驗證

王 萌，周志濤，林德貴，周徐斌，王文濤

（1.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240；2.空間機熱一體化技術實驗室，上海 200240；3.北京空間機電研究所，北京 100076）

某型火工解鎖裝置降沖擊設計與試驗驗證

王 萌1，2，周志濤1，林德貴1，2，周徐斌1，2，王文濤3

（1.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240；2.空間機熱一體化技術實驗室，上海 200240；3.北京空間機電研究所，北京 100076）

某型火工解鎖裝置主要用于星上大型載荷的連接和分離，針對其解鎖沖擊大的情況開展了降沖擊理論研究，完成了基于蜂窩緩沖原理的降沖擊改進設計。試驗驗證表明，改進前后的沖擊峰值由大于11 000g降低到1500g以下，降沖擊設計效果明顯。

火工解鎖裝置；解鎖螺栓；解鎖沖擊；蜂窩緩沖

0　引言

為有效隔離平臺熱變形、微振動對有效載荷工作的影響，同時保證有效載荷能夠承受發(fā)射過程的振動環(huán)境，衛(wèi)星上需要使用解鎖裝置［1-3］。火工解鎖裝置的解鎖靠火藥爆炸能實現(xiàn)，工作過程中會產(chǎn)生很大的沖擊載荷。根據(jù)國內(nèi)外航天器飛行故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，由火工爆炸沖擊直接或間接引起的故障屬高發(fā)事件，甚至會造成災難性后果［4］。隨著航天器各種敏感載荷、高集成度器件的使用，對平臺抗沖擊能力的要求越來越高。能否有效降低沖擊量級，已成為評價航天器平臺性能的重要指標。

某型火工解鎖裝置用于星上大型遙感載荷的連接。本文針對其在解鎖過程中所產(chǎn)生的過大沖擊問題，進行降沖擊設計，并通過試驗驗證設計效果。

1　解鎖裝置

1.1裝置構成

解鎖裝置由解鎖螺栓、緩沖墊、彈簧、微動開關組件、展開指示支架、解鎖點調(diào)節(jié)支架、壓緊螺母等組成（見圖1）。其中，解鎖螺栓型號為楔塊式火工鎖，主要由內(nèi)筒和外筒構成，內(nèi)筒與載荷連接，外筒與衛(wèi)星載荷艙底板連接。發(fā)出解鎖指令后，解鎖螺栓工作，使內(nèi)筒和外筒分離，釋放約束，實現(xiàn)解鎖。

圖1　解鎖裝置組成Fig.1　Components of the pyrotechnic release device

1.2存在不足

2012年7月，某衛(wèi)星進行解鎖試驗，解鎖螺栓工作正常，解鎖到位，所有約束點均順利解鎖。

在解鎖試驗中對解鎖點處的沖擊值進行了測試，沖擊響應曲線如圖2和圖3所示。通過試驗數(shù)據(jù)的判讀，發(fā)現(xiàn)解鎖點處沖擊峰值為11 348.9g，敏感單機位置沖擊峰值為284.6g。沖擊值過大，很容易造成星上敏感單機、敏感部件的性能下降甚至損壞，必須對解鎖裝置進行降沖擊改進設計。

圖2　解鎖點處的沖擊響應時域曲線Fig.2　Impact response curve in time domain at the release points

圖3　星上敏感單機位置的沖擊響應時域曲線Fig.3　Impact response curve in time domain near sensitive equipment

2　解鎖裝置降沖擊設計

2.1蜂窩壓潰吸能原理

鋁蜂窩結構作為一種多孔材料，具有良好的能量吸收能力、較高的比強度和比剛度，因此，被作為輕質(zhì)材料和能量吸收構件在航天領域得到大量應用［5-7］。

鋁蜂窩結構受力時有特殊的應力-應變關系［8］，如圖4所示。

圖4　鋁蜂窩應力-應變關系Fig.4　Stress-strain relation of aluminum cellular

根據(jù)其應力-應變關系，可將鋁蜂窩的壓縮過程分為3個區(qū)段。

1）蜂窩彈性變形區(qū)：負載從0到最大時的區(qū)域，在該區(qū)域，材料能夠在未發(fā)生塑性變形的情況下承受較大載荷。

2）蜂窩塑性壓潰區(qū)：位于圖4中的負載平緩區(qū)，此階段受力基本保持不變，蜂窩材料屈曲變形，各蜂窩孔壁發(fā)生周期性折疊，甚至壓塌。

3）蜂窩壓實區(qū)：蜂窩塑性區(qū)后負載出現(xiàn)劇烈上升，在該區(qū)段，蜂窩被壓實，呈現(xiàn)彈性金屬性質(zhì)，其物理特性可近似看作蜂窩材料的物理特性。

蜂窩塑性壓潰區(qū)，又稱為蜂窩材料吸能區(qū)，通過應力對應變的積分可計算出單位體積吸收的能量?？梢酝ㄟ^適量的預壓縮提高蜂窩的承載能力，這樣也有助于其吸能品質(zhì)的充分發(fā)揮。正因為蜂窩的這一特殊性質(zhì)，使其在航空航天領域得到廣泛的應用。

2.2解鎖裝置改進設計

根據(jù)蜂窩塑性壓潰吸能原理，對解鎖裝置進行改進，即采用蜂窩阻尼件代替原來的橡膠墊，實現(xiàn)對解鎖沖擊的緩沖［9-11］。

原解鎖方案：通過M30螺栓與星體固定連接，再用M12螺栓將載荷底腳壓緊，如圖5所示。解鎖時，M12螺栓組合體向上彈射分離，利用載荷底腳內(nèi)安裝的3mm厚的橡膠墊吸收組合體的部分動能，從而達到減小對載荷沖擊的目的。

通過分析解鎖試驗的沖擊測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)原解鎖方案的沖擊量級大、頻率范圍廣。這主要是由于橡膠作為一種高阻尼材料，能夠降低運動部件的速度，延長能量釋放時間，但對抗高速、大能量沖擊的能力較差。

圖5　原解鎖方案Fig.5　The original release solution

優(yōu)化后的解鎖方案：解鎖螺栓穿過星體的φ30mm光孔，再用M12的螺栓將載荷底腳與星體壓緊，如圖6所示。解鎖時，M12螺栓組合體與解鎖螺栓本體向上彈射分離，利用載荷底腳內(nèi)10mm厚的鋁蜂窩阻尼件被壓潰吸收大部分瞬時沖擊能量，從而達到減小對載荷沖擊的目的。

圖6　優(yōu)化后解鎖方案Fig.6　The optimized release solution

2.3蜂窩緩沖墊設計

由于解鎖裝置整體尺寸較小，能夠用于安裝蜂窩緩沖墊的空間有限，為了提高單位面積蜂窩壓潰時的吸能密度，蜂窩芯的選用原則是邊長小而壁厚大。最終選用的蜂窩芯邊長約 0.9mm、鋁箔厚度0.03mm，蜂窩阻尼件尺寸見圖7。蜂窩高度為10mm，上下各粘貼厚度為0.5mm和1.5mm的鋁墊片，以保證蜂窩在受力和壓潰過程中的變形均勻。

圖7　蜂窩緩沖墊外形Fig.7　The shape of cellular cushion

3　蜂窩緩沖墊性能測試

為獲取蜂窩緩沖墊的力學特性，通過拉伸試驗機對蜂窩緩沖墊進行壓縮測試，蜂窩的壓潰曲線如圖8所示。

圖8　蜂窩緩沖墊的壓縮試驗曲線Fig.8　The compression test curve of cellular cushion

由圖8可以看出：蜂窩緩沖墊壓縮1.5mm后壓力較高，表明已跨過彈性變形區(qū)；之后，為壓力平緩段；當壓縮量超過4mm后，壓力迅速增大，表明蜂窩已經(jīng)進入壓實階段；當壓縮量達到7mm時，蜂窩停止壓縮。壓縮試驗后對蜂窩緩沖墊的厚度進行測試，其厚度穩(wěn)定在3mm左右，能夠滿足解鎖裝置可靠分離的要求。

根據(jù)蜂窩緩沖墊的特性，為保證其吸收能量的穩(wěn)定性，應在使用前對蜂窩進行預壓縮，跨過蜂窩的彈性變形區(qū)，預壓量控制在 1.5mm，以保證蜂窩緩沖墊的啟動力在2000 N左右。

根據(jù)HJG1-48A解鎖螺栓的設計狀態(tài)，點火過程中，內(nèi)筒會在分離方向產(chǎn)生11.94 MPa的工作壓力；據(jù)此，可計算出蜂窩緩沖墊所承受的力為F火=P×S=11.94 MPa×（0.016 2-0.012 2） m2=4199 N。

根據(jù)蜂窩緩沖墊的壓潰曲線，壓力平緩段的壓力穩(wěn)定在2000 N左右，解鎖螺栓分離力完全能夠?qū)⒎涓C緩沖墊壓潰并充分吸能。

4　驗證試驗

2014年9月，對經(jīng)過優(yōu)化的解鎖裝置進行了解鎖沖擊驗證試驗。通過對試驗過程沖擊響應測量（見圖9）的分析，發(fā)現(xiàn)改進后解鎖點附近沖擊峰值由11 348.9g降低為1 312.7g，降沖擊效果非常明顯，滿足解鎖試驗的要求。

圖9　改進后解鎖驗證試驗Fig.9　Verification test for the optimized release solution

5　結束語

本文采用蜂窩緩沖墊對火工解鎖裝置進行了降沖擊改進設計，經(jīng)測試試驗和驗證試驗表明，降沖擊效果非常明顯，提高了火工解鎖裝置的適用范圍。

隨著航天技術的不斷進步，火工裝置使用過程中的沖擊控制會更加嚴格，降沖擊設計和應用的需求會更加迫切。蜂窩緩沖作為沖擊緩沖的一種手段，具有可靠性高、降沖擊效果好、成本低廉的優(yōu)點，但也存在啟動能量大、緩沖效果不穩(wěn)定的缺點。后續(xù)應用中應重視其缺點，盡量減小對系統(tǒng)性能的影響。

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（編輯：肖福根）

Design and verification test of a pyrotechnic release device for impact reduction

Wang Meng1，2， Zhou Zhitao1， Lin Degui1，2， Zhou Xubin1，2， Wang Wentao3
（1.Shanghai Institute of Satellite Engineering， Shanghai 200240， China；2.Laboratory of Space Mechanical and Thermal Integrative Technology， Shanghai 200240， China；3.Beijing Institute of Space Electromechanical Technology， Beijing 100076， China）

A certain pyrotechnic release device is mainly used to realize the connection and separation of large loads.To reduce the large release impact， theoretical researches are carried out and an improved design based on the cellular buffer principle is proposed.Through the verification test， the impact after the improvement is reduced from above 11 000g to below 1500g， showing that the impact reduction is remarkable.

pyrotechnic release device； unlocking bolt； release impact； cellular buffer

V421.7

B

1673-1379（2015）06-0630-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.06.012

王 萌（1984—），男，碩士學位，主要從事衛(wèi)星結構與機構設計工作。E-mail： wm_sise@qq.com。

2015-04-16；

2015-11-04

上海市科委優(yōu)秀技術帶頭人計劃課題項目（編號：14XD142300）