某型飛機座艙蓋柔性切割技術(shù)應(yīng)用研究

劉謀華，萬里鵬，邵翔翔，吳兆洪，蔡 毅

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

爆炸切割是近年來發(fā)展起來的一種重要的爆破方法，廣泛應(yīng)用于宇航、軍事和民用等領(lǐng)域，因此在國內(nèi)外開展了廣泛的研究。在研究巖石爆炸切割、爆炸切割拆船、油井井下設(shè)施切割、航天分離切割等方面做了大量的工作。但對航空非定向有機玻璃的爆炸切割方面的應(yīng)用研究，在國內(nèi)較少。

為了保障飛行員在地面應(yīng)急不彈射的情況下能快速安全出艙，國內(nèi)外大部分飛機已采用地面應(yīng)急出艙設(shè)計，廣泛應(yīng)用的有應(yīng)急拋蓋、座艙蓋破裂等技術(shù)。某型飛機采用右側(cè)翻式艙蓋開啟，受結(jié)構(gòu)、重量、空間、成本等因素的限制，實現(xiàn)側(cè)翻拋蓋代價巨大，同時考慮到飛機迫降承受沖擊過載造成結(jié)構(gòu)或者艙蓋變形，艙蓋鎖打不開，有可能會造成座艙蓋拋放失敗，影響飛行員生命安全。因此最合適的是在飛機座艙蓋玻璃周緣敷設(shè)一根柔性切割索，以此破裂座艙蓋達到應(yīng)急出艙的目的。切割索最大的優(yōu)點是速度快和使用維護簡單方便。

相對于巖石切割、拆船切割等其他高切割能力柔性切割索，座艙蓋透明件切割需要考慮切割時對飛行員的影響和防護，因此，本文主要從切割效果、沖擊噪聲和對飛行員的防護方面開展柔性切割索的應(yīng)用研究。

1 柔性切割索應(yīng)用研究

柔性切割索切割飛機座艙蓋透明件，主要從透明件材質(zhì)、切割索設(shè)計（護套、材質(zhì)、裝藥量）、切割索安裝和布置、噪聲控制及艙內(nèi)防護、試驗驗證等方面進行研究。

1.1 切割機理

當柔性切割索被引爆后，切割索內(nèi)炸藥爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體，使切割索藥型罩的金屬材料熔化，由于切割索為對稱的倒“V”字結(jié)構(gòu)，切割索內(nèi)襯出現(xiàn)塌陷，在對稱面形成高速高溫連續(xù)金屬射流；高溫射流侵徹切割到玻璃中，從而形成一個較淺的切痕，后續(xù)的金屬射流沿著切痕繼續(xù)侵徹玻璃體，從而加深切痕，累積以上過程直至玻璃體被完全切割開。切割目標發(fā)生斷裂。在這個過程中，切割索藥型罩的金屬流體顆粒伴隨著爆炸沖擊波向四周飛散。爆炸切割過程見圖1。

1.2 座艙蓋玻璃

某型機座艙蓋玻璃采用8mm厚的YB-M-3航空非定向有機玻璃。YB-M-3有機玻璃板材主要成分是聚甲基丙稀酸甲酯，經(jīng)本體澆鑄聚合成，具有較大的拉伸強度，較好的成型加工工藝性能。YB-M-3有機玻璃的缺點是硬度小，容易劃傷；抗裂紋擴展能力較差；受到溫度、日光和溶劑等的作用時，性能會降低，其強度性能見表1。切割玻璃時，玻璃會產(chǎn)生碎片，需要考慮玻璃碎片的掉落范圍，保證人員安全。

圖1 爆炸切割過程

表1 YB-M-3有機玻璃材料強度性能

1.3 切割索設(shè)計

切割索結(jié)構(gòu)一般由炸藥、藥形罩(外殼)和防護套組成，見圖2所示。

圖2 切割索組成

1.3.1 藥型罩設(shè)計

藥形罩的材料要求塑性好，在爆炸切割過程中不氣化，且在廠房內(nèi)施工后不形成污染。一般可取的材料有紫銅、黃銅、軟鐵、鉛、鋁、銀、鎘等。對于同一種炸藥，鉛外殼微爆索切割深度相對較大，工藝性能較好，因此藥型罩選用鉛材料。切割索是面對稱的線性結(jié)構(gòu)，藥型罩呈倒“V”型結(jié)構(gòu)，切割索殼體與藥型罩為一體式設(shè)計，采用一次成型整體壓制工藝使切割索內(nèi)部為均勻、對稱裝藥，如圖3所示。

圖3 藥型罩示意圖

1.3.2 切割索炸藥的選擇及裝藥量設(shè)計

1.3.2.1 切割索炸藥的選擇

在一般的爆炸切割中，為了提高切割效果，炸藥切割力越大越好。切割航空有機玻璃這種高分子材料并不需要太大的切割力，且為了易于控制切割深度，選擇了3種鈍化炸藥，分別為六硝基芪 (HNSII)、奧克托金(HMX)、黑索今(RDX)3種鈍化炸藥。在充分考慮切割效果及生產(chǎn)安全性的基礎(chǔ)上，選用HNSII作為切割索炸藥，HNSII具有熱感度低的特性，化學(xué)穩(wěn)定性好。

1.3.2.2 切割索裝藥量設(shè)計

根據(jù)飛機座艙的特殊性，對座艙蓋玻璃進行切割時，切割索裝藥量設(shè)計原則是滿足切割技術(shù)指標的前提下，盡量減少裝藥量，降低沖擊波、爆轟產(chǎn)物和噪音對座艙內(nèi)人員及操作人員的傷害。

經(jīng)過數(shù)據(jù)模擬，有機玻璃破壞深度與裝藥量基本呈線性關(guān)系，關(guān)系如式(1)[1]。

式中：h為有機玻璃破壞深度，單位mm；a為裝藥量(炸藥填裝線密度，單位g/m)。

有機玻璃厚度為8mm，考慮1.2的安全系數(shù)，因此切割索裝藥量為1g/m。

1.3.3 安全防護套設(shè)計

在切割索切割玻璃過程中，切割索藥型罩的金屬流體顆粒伴隨著爆炸沖擊波向四周飛散。為避免爆炸沖擊及飛散物對飛行員的損傷，同時保護切割索更好地耐受自然環(huán)境和飛機的機械環(huán)境，會設(shè)計切割索保護套或者類似結(jié)構(gòu)。根據(jù)爆炸的特點以及防護裝置材料所要求的彈性和韌性，選擇純橡膠材料作為防護套[2]。

1.3.4 切割索的布置和安裝

YB-M-3有機玻璃板材主要成分是聚甲基丙稀酸甲酯，對有機溶劑很敏感，會產(chǎn)生腐蝕銀紋。采用3M膠將切割索粘貼在座艙蓋玻璃上，工藝簡單，具有較高的粘貼強度和抗老化性能，不腐蝕玻璃，同時便于控制安裝炸高，確定最佳裝藥量。切割索盡可能粘貼在玻璃邊緣位置，盡量減少對飛行員視野的影響。

1.4 元件試驗

根據(jù)1.3的切割索設(shè)計結(jié)果，生產(chǎn)了切割索試驗件，同時生產(chǎn)了8mm厚平板玻璃元件，經(jīng)過邊框夾持。將切割索粘貼在玻璃邊緣，進行元件切割試驗，試驗結(jié)果如圖4所示，元件完全切割開，切割面平整。

圖4 元件切割試驗

1.5 爆炸沖擊對人員的損傷安全極限

1.5.1 聽覺損傷安全極限

采用爆炸切割清理彈射通道時，爆炸沖擊波可能對飛行員的聽覺產(chǎn)生損傷。爆炸切割清理彈射通道時，爆炸沖擊波對人員的聽覺損傷安全極限計算方法見式（2）[3]，計算結(jié)果單位為 dB。

式（2）中：TA為超壓持續(xù)時間，取 0.5 ms；N 為爆炸次數(shù)，可根據(jù)清理彈射通道時爆炸切割的次數(shù)確定。由于飛行員在彈射時佩戴保護頭盔，可以在式（2）計算的基礎(chǔ)上增加20dB[4]。

1.5.2 非聽覺損傷安全極限

爆炸切割清理彈射通道時，爆炸沖擊波可能同時對飛行員的非聽覺產(chǎn)生損傷，非聽覺損傷安全極限計算方法見式（3）[5]，計算結(jié)果單位為 kPa。

式（3）中：Tc 為超壓持續(xù)時間，取 0.5ms；N 為爆炸次數(shù)，可根據(jù)清理彈射通道時爆炸切割的次數(shù)確定。由于飛行員在彈射時穿戴飛行服、代償服等服裝，可以在式（3）計算的基礎(chǔ)上乘以1.3～1.5系數(shù)。為保持同1.1部分相同的標準，按式（3）計算后再按式（4）進行單位換算。

式（4）中：P0為參考聲壓級，取 20μPa。

1.5.3 損傷安全極限確定

在按式（2）計算的結(jié)果上增加20dB；將按式（3）計算的結(jié)果乘以1.5的系數(shù)，按式（4）換算，兩者取最小值，即可得到爆炸沖擊對人員的損傷安全極限[4]。

根據(jù)以上的計算方法，并結(jié)合工程經(jīng)驗，爆炸切割應(yīng)急出艙通道時，爆炸沖擊波對飛行員的損傷安全極限為190dB。

2 試驗及結(jié)果分析

2.1 試驗及結(jié)果

通過地面聯(lián)合試驗檢驗切割索對座艙蓋透明件的切割效果及爆炸切割過程中飛行員位置的噪音、沖擊波超壓和爆轟產(chǎn)物飛濺情況，并測試其試驗值。

將切割索緊貼在前、后座艙蓋玻璃四周，后艙玻璃先炸，延時0.4s后，前艙玻璃后炸。起爆切割索后，檢測切割索對玻璃的切割效果，測試點噪音、沖擊波超壓數(shù)值。

在前后座艙內(nèi)假人的左、右耳附近位置以及胸部位置各布置1只噪聲傳感器，當座艙蓋破裂系統(tǒng)工作時，噪聲傳感器測得的電壓信號輸入到動態(tài)信號分析儀內(nèi)，通過一系列分析得到噪聲的聲壓信號，從而得到艙蓋破裂系統(tǒng)工作時的沖擊噪聲壓力-時間曲線（Pa-t曲線），按GJB349.28-90第2.3條和 GJB1158-91第3.4條的定義，從曲線中得到持續(xù)時間T，再按GJB2A-96第5.1條的要求和GJB1158-91第5.1條的要求得到該持續(xù)時間下的噪聲安全限值，與實測噪聲進行對比。測試原理框圖見圖5。

本次噪聲測試采樣率設(shè)置為204.8 kHz，噪聲測試結(jié)果見表2，所有安全限值均是未加防護狀態(tài)下的限值。

圖5 噪聲測試原理框圖

表2 噪聲測試結(jié)果

2.2 試驗分析

后艙左耳（1#）和前艙右耳（5#）噪聲傳感器敏感面被切割索橡膠碎片打到，導(dǎo)致測試信號過載，故未分析。

考慮到飛行員戴有頭盔和穿有防護服裝，玻璃破裂過程中艙內(nèi)產(chǎn)生的脈沖噪聲及沖擊波最大超壓峰值未超出GJB 2A-1996和GJB 1158-1991規(guī)定的安全限值；

從圖6可以看出，座艙蓋玻璃被完全切割開，切割面平整，通過推開玻璃，飛行員可快速出艙或者地面人員可以快速營救飛行員。

圖6 地面聯(lián)合試驗切割效果

2.3 優(yōu)化措施

噪聲傳感器敏感面被切割索橡膠碎片打到，說明切割索切割玻璃時，產(chǎn)生的反作用力會克服3M膠粘貼力，將橡膠碎片擊打在飛行員身上，因此在切割索邊上安裝一個擋板 （見圖7），擋板安裝在艙蓋骨架上，既可以擋住橡膠碎片，也能減小沖擊噪聲壓力。

圖7 優(yōu)化方案

3 結(jié)論

1）采用的柔性切割索應(yīng)用在飛機座艙蓋上，切割非定向有機玻璃的效果良好，能夠在保證飛行員安全的條件下實現(xiàn)地面快速應(yīng)急出艙。

2）通過地面試驗及噪音、沖擊波超壓試驗驗證，玻璃破裂過程中艙內(nèi)產(chǎn)生的脈沖噪聲及沖擊波最大超壓峰值未超出GJB 2A-1996和GJB 1158-1991規(guī)定的安全限值。

3）切割索粘貼在非定向有機玻璃上，安裝方便，易于操作，不會腐蝕玻璃。