電爆閥用火工品輸出燃?xì)饽M裝置設(shè)計及試驗

陳 棟，徐 勇，鄧?yán)ば?/p>

?

電爆閥用火工品輸出燃?xì)饽M裝置設(shè)計及試驗

陳 棟，徐 勇，鄧?yán)ば?/p>

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽，621999）

針對某電爆閥研制需求，設(shè)計了電爆閥用火工品輸出燃?xì)饽M裝置并開展了試驗研究。結(jié)果表明，電爆閥用火工品輸出燃?xì)饽M裝置設(shè)計合理，與電爆閥用火工品輸出壓力歷程較為接近，可滿足某電爆閥研制需要。

電爆閥；火工品；輸出燃?xì)?；模擬裝置；壓力

電爆閥利用火工品輸出高壓燃?xì)庾鳛閯恿υ赐瓿砷y門啟閉功能，因其高可靠性、小體積、長時貯存穩(wěn)定性等特點在航空航天、國防和工業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。電爆閥設(shè)計的重點是研究火工品輸出高壓燃?xì)饽芰颗c電爆閥閥體啟閉所需能量之間的關(guān)系，然而由于電爆閥用火工品輸出重復(fù)性較差（約20%~30%），并且采用常規(guī)試驗設(shè)備難以實現(xiàn)上述能量的準(zhǔn)確測試，導(dǎo)致目前電爆閥研制只能憑經(jīng)驗，沿用“設(shè)計-試驗-修改”的程序，面臨可靠性試驗周期長、成本高、可靠性不易保證等問題。

近年來，針對電爆閥及類似火工裝置研制，中國空間技術(shù)研究院總體專業(yè)技術(shù)部和美國Los Alamos實驗室均研制出火工品輸出燃?xì)饽M裝置（以下簡稱火工品輸出模擬裝置），借助于該裝置實現(xiàn)了電爆閥閥體啟閉能量影響參數(shù)的精細(xì)化定量研究，大大降低了試驗周期及經(jīng)費[1-2]。

本文基于某電爆閥研制需求，設(shè)計了電爆閥用火工品輸出模擬裝置，并對火工品輸出模擬裝置開展了試驗研究。

1 火工品輸出模擬裝置設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)某電爆閥研制需求，電爆閥用火工品在1mL定容腔中輸出壓力指標(biāo)為：壓力峰值約110MPa、壓力達(dá)到峰值時間約為2ms。根據(jù)上述指標(biāo)，火工品輸出模擬裝置研制的難點在于高壓氣體的快速釋放。參考火工品輸出模擬裝置及動態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置技術(shù)現(xiàn)狀，最終確定采用爆破片組件預(yù)壓、扳機閥開啟、爆破片組件爆破的技術(shù)方案。

研制的火工品輸出模擬裝置主要由增壓泵、高壓管路、壓力傳感器、電控扳機閥、預(yù)壓管路、爆破片組件、手動閥、氮氣瓶及空氣壓縮機等組成，如圖1所示。

圖1 火工品輸出模擬裝置結(jié)構(gòu)及組成示意

1.2 關(guān)鍵組件選型

增壓泵主要用于對象氣體（氮氣輸出氣體）的快速增壓，要求最高增壓壓力不低于200MPa。增壓泵采用2級增壓設(shè)計，第1級增壓泵以空氣壓縮機為驅(qū)動源，為氣-液增壓方式，采用德國MAXIMATOR產(chǎn)品，型號為MO37，入口壓力為0.5~0.6MPa，出口壓力為15~22MPa；第2級增壓以第1級增壓泵輸出液壓為驅(qū)動，為液-氣增壓方式，同樣采用德國MAXIMATOR產(chǎn)品，型號為MGU-2000-F，入口壓力為11~15MPa，出口壓力最大為200MPa。其中，空氣壓縮機型號為AS5.5，出口壓力為0.8MPa。

電控扳機閥主要用于蓄積高壓氣體的高壓管路與預(yù)壓管路快速開啟及隔斷，要求其具有較好的隔斷密封性能及快速開啟能力。采用德國MAXIMATOR產(chǎn)品，型號為36V4H071-YHNC，在最大工作壓力下泄漏率不大于1×10-8Pa·m3/s，閥門開啟及關(guān)閉時間在1.5s左右。高壓管路及預(yù)壓管路均選用德國MAXI MATOR產(chǎn)品，型號分別為6STU9H-316、65TU4H- 316，內(nèi)徑均約為Φ4.7mm。為控制管路氣體混合后的壓降水平，高壓管路及預(yù)壓管路長度分別設(shè)計為約300mm、70mm。高壓傳感器工作壓力范圍為0~200 MPa，精度為±0.25%fs。

1.3 爆破片組件設(shè)計

爆破片組件主要用于爆破后快速釋放高壓氣體，主要設(shè)計要求為爆破壓力達(dá)到規(guī)定值且精度不低于±3%，并且與連接試驗件的管路及機械接口匹配（爆破后氣路直徑最大為Φ6mm）。

由于無匹配的市售產(chǎn)品，爆破片組件為與相關(guān)廠家共同研制，爆破片組件的爆破壓力規(guī)格含50MPa、75MPa、100MPa、125MPa及150MPa。

1.4 火工品輸出模擬裝置工作流程設(shè)計

空氣壓縮機驅(qū)動增壓泵壓縮氣瓶輸出氣體，初始時，電控扳機閥為開啟狀態(tài)，壓縮氣體在高壓管路和預(yù)壓管路中蓄積；當(dāng)壓力傳感器指示值約為爆破片組件爆破壓力的80%時，電控扳機閥關(guān)閉，壓縮氣體繼續(xù)在高壓管路中蓄積，直至壓力傳感器顯示值約為爆破片組件爆破壓力的120%時，電控扳機閥開啟，爆破片組件爆破輸出瞬發(fā)高壓氣體。需要時，手動閥開啟用于快速釋放高壓管路、預(yù)壓管路中的壓縮氣體。

2 火工品輸出模擬裝置試驗研究

為驗證火工品輸出模擬裝置的輸出性能，設(shè)計了與其接口匹配的定容腔并開展了試驗?；鸸て份敵瞿M裝置與定容腔測壓結(jié)構(gòu)連接示意圖如圖2所示。

圖2 火工品輸出模擬裝置與定容腔測壓結(jié)構(gòu)連接示意圖

圖2中定容腔容積為1mL，容腔直徑為Φ6mm?；鸸て份敵瞿M裝置的輸出性能由布置在定容腔側(cè)面及底端的動壓傳感器測試，動壓傳感器選用Kistler 6215B型，其壓力測量范圍為0~600MPa、上升時間為1μs、輸出線性度為±1%，動壓傳感器后續(xù)信號處理單元的頻率測量范圍設(shè)置為100kHz，采樣頻率設(shè)置為1MHz。

試驗中，火工品輸出模擬裝置對象氣體采用氮氣，爆破片組件采用爆破壓力規(guī)格分別為50MPa、75MPa、100MPa、125MPa及150MPa，數(shù)量各1件，按照1.4節(jié)工作流程開展試驗。

不同規(guī)格爆破片組件的火工品輸出模擬裝置在定容腔中的輸出壓力歷程如圖3所示。

圖3 火工品輸出模擬裝置在定容腔輸出壓力測試曲線

由圖3可以看出，除圖3（b）側(cè)面動壓傳感器壓力測試曲線毛刺更多外，底端與側(cè)面動壓傳感器測得的壓力歷程曲線變化趨勢基本一致。采用50MPa、75MPa及100MPa規(guī)格的爆破片組件時，火工品輸出模擬裝置在定容腔中輸出壓力初始時迅速上升，隨后壓力在恒值附近波動并歷時約220μs，隨后壓力線性升高，在約700μs時定容腔中壓力基本達(dá)到平衡。平衡時壓力值與爆破片組件的爆破壓力接近，該壓力歷程與典型火工品輸出壓力歷程較為接近。采用125MPa及150MPa規(guī)格的爆破片組件時，火工品輸出模擬裝置在定容腔中輸出壓力初始時上升速度更快，并在約1ms時達(dá)到壓力峰值（小幅超過爆破片組件的爆破壓力值），隨后壓力出現(xiàn)大幅波動且最大幅值差約80MPa，對于動作時間小于1ms的電爆閥，上述壓力波動不會對其火工品輸出模擬效果產(chǎn)生影響。采用不同規(guī)格爆破片組件，火工品輸出模擬裝置的輸出壓力上升至爆破片組件爆破壓力的時間均約為1ms。

為了比較火工品輸出模擬裝置與某電爆閥用火工品的輸出性能，對數(shù)發(fā)某電爆閥用火工品在同樣容積的定容腔中開展了輸出性能測試，將其均值與火工品輸出模擬裝置采用100MPa爆破片組件的輸出壓力測試結(jié)果進(jìn)行對比，如圖4所示。由圖4可以看出，火工品輸出模擬裝置的輸出壓力歷程沒有明顯的峰值，在約1ms時基本達(dá)到平衡值，而某電爆閥用火工品的輸出壓力歷程在約2ms時達(dá)到壓力峰值，隨后壓力逐漸降低。相比之下，兩種輸出動力源的輸出壓力歷程較為接近，表明利用火工品輸出模擬裝置模擬某電爆閥用火工品的輸出是可行的。

圖4 火工品輸出模擬裝置與某火工品定容腔輸出壓力曲線的對比

3 結(jié)論

（1）根據(jù)某電爆閥研制需求，針對高壓氣體快速釋放，采用爆破片組件預(yù)壓、電控扳機閥開啟、爆破片組件爆破的技術(shù)方案，完成火工品輸出模擬裝置設(shè)計。（2）通過試驗研究，了解了火工品輸出模擬裝置采用各規(guī)格爆破片組件的輸出性能，對比火工品輸出模擬裝置與某電爆閥用火工品輸出壓力歷程，表明利用火工品輸出模擬裝置模擬某電爆閥用火工品輸出是可行的。

[1] 姜云濤, 夏成明. 利用高壓快速氣源替代火工品爆燃?xì)膺M(jìn)行火工機構(gòu)試驗的方法[J]. 航天器工程, 2002,11(4):38-42.

[2] J M.Tafoya, J I.Tafoya, M A.Inbody. pyrovalve function testing using gas gun actuation[R].AIAA 2007-5140,2007.

Design and Test on Deflagrable Gas Output Simulating Device for Explosively Actuated Valve

CHEN Dong，XU Yong，DENG Kun-xiu

（Institute of System Engineering CAEP，Mianyang，621999）

According to the development requirements of the explosively actuated valve, deflagrable gas output simulating device was designed and tested. The results show that the device design is reasonable. Compared with gas outputs of the initiating explosive device for explosively actuated valve, the result is relatively similar, which mean the device can fulfill the development requirements of the explosively actuated valve.

Explosively actuated valve；Initiating explosive device；Deflagrable gas output；Simulating device；Pressure

1003-1480（2017）03-0027-03

TJ450.6

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.03.007

2017-01-23

陳棟（1986-），男，工程師，主要從事電爆閥設(shè)計及研究。