三種緩沖材料在某型爆炸螺栓降沖擊中的應用研究

張忠凱，夏冬星，楊安民，胡曉龍，張國興

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三種緩沖材料在某型爆炸螺栓降沖擊中的應用研究

張忠凱，夏冬星，楊安民，胡曉龍，張國興

（陜西應用物理化學研究所，陜西 西安，710061）

針對某型爆炸螺栓在總體使用時出現(xiàn)沖擊過高的問題，通過更改其連接方式及增加緩沖材料的方法進行了降沖擊設計，并對不同緩沖材料進行試驗研究。結果表明：在相同尺寸和一定的壓縮空間下，泡沫鋁的緩沖效果最明顯，測點位置處時域沖擊響應峰值分別由原來的7 335g和13 640g降到了707.9g和4 172g。

爆炸螺栓；沖擊響應；緩沖材料

爆炸螺栓由于體積小、能量密度高等優(yōu)點，常用作導彈、運載火箭等級間的連接與解鎖裝置，但同時由于它是利用火炸藥爆炸能驅動做功的裝置，在作用過程中會產(chǎn)生較大的沖擊載荷，如不采取防護措施，沖擊會造成對相連、相鄰設備的危害，特別是對電子設備、輕薄結構、脆性材料的破壞尤為明顯[1-2]。

近年來，隨著航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，火工裝置沖擊的低量級化愈發(fā)顯得重要。目前控制沖擊的方法主要有以下幾種：（1）調(diào)整裝藥量或燃氣的釋放速度，減小快速點火和燃燒產(chǎn)生的沖擊；（2）在裝置內(nèi)部設計緩沖結構，用塑性材料或彈性材料吸收能量；（3）減小預緊力或增加負載釋放的時間，來降低負載突然釋放產(chǎn)生的沖擊；（4）低沖擊分離裝置的研制。此外，還有一種方法是在分離裝置的安裝上采用減振和隔離措施，將高頻部分衰減掉[3-6]。

本文針對某型爆炸螺栓在試驗過程中出現(xiàn)沖擊過大的問題，采用更改其連接方式及增加緩沖材料的方法對其進行了降沖擊設計，對3種緩沖材料的緩沖效果進行了對比試驗，最終確定了適合的緩沖材料。

1 某型爆炸螺栓初始方案及沖擊測試

研制初期對某型爆炸螺栓軸向沖擊響應進行測試，實際連接方式如圖1所示，爆炸螺栓直接擰緊在艙段Ⅱ上，試驗裝置如圖2所示。試驗臺四周用定位銷定位，通過爆炸螺栓將對接板與支架連接。根據(jù)總體要求，在對接板上選取距爆炸螺栓中心位置100mm（測點1）和30mm（測點2）作為數(shù)據(jù)采集點。采用美國DYTRAN公司生產(chǎn)的3200B型沖擊加速度傳感器（參數(shù)如表1所示），安裝完畢后連接測試線，通過多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀記錄測點位置處時域的沖擊加速度，并采用Smallwood[7]提出的改進遞歸數(shù)字濾波方法編寫了Matlab程序，將時域沖擊加速度信號轉換為沖擊響應譜，測試結果如圖3~4所示。

圖1 爆炸螺栓連接簡圖

圖2 測試裝置示意圖

表1 加速度傳感器性能參數(shù)

Tab.1 Performance parameters of acceleration sensor

圖3 測點1處沖擊響應

圖4 測點2處沖擊響應

通過對試驗數(shù)據(jù)的判讀，發(fā)現(xiàn)測點位置處沖擊響應峰值過大，如表2所示。沖擊值過大，很容易造成彈上敏感部件性能的下降，因此，必須對爆炸螺栓進行降沖擊設計，盡可能減小沖擊帶來的危害。

表2 測點處沖擊響應峰值

2 降沖擊設計

對于爆炸螺栓等點式火工分離裝置，根據(jù)其工作原理及作用過程分析，其沖擊源的產(chǎn)生主要有火工品本身、預緊力釋放、機械零部件的碰撞等。當從火工分離裝置本身出發(fā)進行性能優(yōu)化以達到降低沖擊的目的時，由于涉及的參數(shù)較多，并不是方便快捷的方法。由文獻[8]可知，剪切式爆炸螺栓的預緊力釋放是主要的沖擊來源，約占57.51%，而螺栓預緊力又直接影響到結構的連接剛度，因此試圖通過減小預緊力來降低沖擊是不可取的。通過分析圖1，發(fā)現(xiàn)當艙段完成分離，螺栓頭仍舊連接在艙段Ⅱ上，此時螺栓頭上的沖擊（主要由預緊力釋放產(chǎn)生）將全部傳遞到艙段Ⅱ上，必然造成艙段Ⅱ上更大的沖擊。

經(jīng)過綜合分析，對圖1所示爆炸螺栓進行降沖擊設計，簡圖如圖5所示。

圖5 降沖擊方案簡圖

圖5中將艙段Ⅱ上的螺紋孔更改為圓光孔，用螺母緊固螺栓，分離后螺栓頭飛離艙段Ⅱ帶走一部分沖擊，同時，增加內(nèi)嵌有緩沖材料的保護罩，通過保護罩內(nèi)緩沖材料受沖擊后壓縮變形，吸收多余能量降低螺栓頭機械撞擊造成的二次沖擊。緩沖材料的選擇關鍵在于材料對能量的吸收和轉化。多孔材料由于具有密度小、剛度低、壓縮變形大等優(yōu)點，是一種理想的緩沖吸能結構，已在航空航天領域得到廣泛應用。對目前工程上常用的多孔材料性能進行分析，最終選擇泡沫鋁、金屬橡膠和鋼蜂窩作為爆炸螺栓的緩沖材料。

3 降沖擊方案試驗與結果分析

對降沖擊方案進行沖擊響應測試。由于增加了保護罩，測試時將傳感器2置于保護罩頂點中心處，傳感器1位置未變，如圖6所示。測試結果如圖7～9和表3~4所示。

圖6 降沖擊方案測試裝置示意圖

圖7 3種緩沖材料壓縮后實物圖

圖8 測點1處沖擊響應

沖擊試驗后測量得到：泡沫鋁的壓縮量為6.8mm，金屬橡膠的壓縮量為5.3mm，鋼蜂窩的壓縮量為4.3mm，即泡沫鋁的壓縮量最大，鋼蜂窩的壓縮量最小。由材料力學可知，在受到同樣沖擊載荷的作用下，材料的壓縮量越大，其剛度越小。結合試驗結果可得：3種規(guī)格緩沖材料中泡沫鋁的剛度最小，鋼蜂窩的剛度最大。由圖4（a）及圖8（a）～8（c）可以看出，3種材料對沖擊均起到了一定的緩沖作用，其中泡沫鋁緩沖效果最好，金屬橡膠次之，鋼蜂窩緩沖效果最差，但是差異不是特別明顯。由圖8（d）及表3也可以得到相同的結論，因此有必要對測點2處的響應做進一步分析。

表3 測點1處沖擊相應峰值

表4 測點2處沖擊相應峰值

Tab.4 Peak value of shock response at the measuring point 2

圖9 測點2處沖擊響應

由圖9（a）～9（c）可以看出，在相同尺寸條件下，泡沫鋁的緩沖效果最好，鋼蜂窩的緩沖效果最差。而圖9（d）頻域曲線上，當頻率小于400Hz時，泡沫鋁緩沖效果最差，當頻率大于400Hz時，泡沫鋁緩沖效果最好。結合表4測點2處峰值加速度，可以確定泡沫鋁對高頻的緩沖效果要好于金屬橡膠及鋼蜂窩。

綜上可知，3種材料對火工沖擊引起的高頻沖擊均起到了一定的緩沖作用，其中泡沫鋁的緩沖效果最好，金屬橡膠次之，鋼蜂窩最差。分析認為緩沖效果與緩沖材料及結構的剛度有一定關系，即：一定范圍內(nèi)，在滿足緩沖及承載要求的條件下，剛度越小，壓縮量越大，緩沖效果越好。

4 結論

（1）通過采用改變連接方式及增加緩沖材料的方式可有效降低火工沖擊引起的高頻沖擊；

（2）通過對比不同緩沖材料對沖擊的緩沖效果，可得出：在相同尺寸條件下，3種規(guī)格的緩沖材料中，泡沫鋁的緩沖效果最好，金屬橡膠次之，鋼蜂窩最差。本研究對今后爆炸螺栓降沖擊的設計具有一定借鑒意義。

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Study on the Application of Three Cushioning Materials to An Explosive Bolt for Impact Reduction

ZHANG Zhong-kai，XIA Dong-xing，YANG An-min，HU Xiao-long，ZHANG Guo-xing

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

In order to reduce the large impact of an explosive bolt, the reduction design was proposed, which include changing the connection mode and adding cushioning materials, and the tests of different materials’ cushioning property were carried out. The test results showed that, under the same size and certain compression space, the impact after adding foam aluminum is reduced from 7 335g and 13 640g to 707.9g and 4 172g in time domin, indicating that the foam aluminum’s cushioning property is the most obvious of the three materials.

Explosive bolt；Shock response；Cushioning material

1003-1480（2018）02-0025-04

TJ450.4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.02.007

2017-10-23

張忠凱（1987 -），男，在讀碩士研究生，主要從事先進火工技術研究。