爆炸螺栓捕獲器設(shè)計(jì)及捕獲可靠性研究

劉秀春，劉 寧，張 飛，周人歌，劉震宇

（北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京，100076）

0 引 言

頭體分離是導(dǎo)彈飛行中最為關(guān)鍵的時(shí)序動(dòng)作之一，該動(dòng)作一般由分離火工裝置實(shí)現(xiàn)。分離火工裝置需具備3項(xiàng)功能：分離之前，確保頭體可靠連接；分離時(shí)，保證頭體可靠的分離；分離之后，確保不產(chǎn)生影響再入飛行的危害[1]。

一體化的低沖擊捕獲器將上述3項(xiàng)功能集成，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈頭體之間的對(duì)接，但針對(duì)大質(zhì)量機(jī)動(dòng)再入飛行器和高載荷條件，低沖擊捕獲器還難以勝任，仍需采用爆炸螺栓。爆炸螺栓是較早應(yīng)用于導(dǎo)彈的一種火工分離裝置。爆炸螺栓利用所裝炸藥產(chǎn)生的拉伸、剪切力學(xué)效應(yīng)，使指定的部位斷裂來完成解鎖功能[1,2]。

爆炸螺栓無法限制分離后再入飛行器一側(cè)螺桿的運(yùn)動(dòng)，螺桿可能發(fā)生回彈，返回并再次插入彈體一側(cè)的對(duì)接孔。必須對(duì)其加以可靠約束，否則會(huì)形成隨機(jī)運(yùn)動(dòng)[3]，在頭體之間產(chǎn)生干擾，影響再入飛行器起控。為此，再入飛行器一側(cè)需要設(shè)計(jì)爆炸螺栓捕獲器，阻止螺桿回彈。捕獲可靠性是捕獲器設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，需要通過的合理試驗(yàn)及其結(jié)果分析來回答。

1 捕獲器設(shè)計(jì)

1.1 捕獲對(duì)象

爆炸螺栓外形及主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，該規(guī)格的爆炸螺栓是導(dǎo)彈頭體對(duì)接常用爆炸螺栓中尺寸最大的。爆炸螺栓工作時(shí)，剪切銷在裝藥作用下切斷，直徑30 mm、總長(zhǎng)140 mm的螺桿向前沖出，完成頭體之間的解鎖。

爆炸螺栓沖量統(tǒng)計(jì)平均值為35.30 N·s，標(biāo)準(zhǔn)差為3.43 N·s。

圖1 爆炸螺栓 Fig.1 Explosive Bolt

1.2 工作原理

在再入飛行器后端框內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)盒形結(jié)構(gòu)，捕獲器安裝在該盒形結(jié)構(gòu)內(nèi)。捕獲器的核心零部件包括螺母、螺桿、舌片卡簧和緩沖塊，螺桿和螺母組成被捕獲體，如圖2所示。

圖2 捕獲器組成 Fig.2 Capture Device

捕獲器工作過程見圖3，爆炸螺栓起爆解鎖后，被捕獲體在爆炸沖擊作用下，向前運(yùn)動(dòng)；螺母前端導(dǎo)向楔面撞擊擠壓舌片卡簧，舌片在擠壓力的作用下發(fā)生彈性變形；被捕獲體穿過舌片，撞擊緩沖塊，緩沖塊吸收動(dòng)能，減小對(duì)再入飛行器的沖擊；被捕獲體反彈，向后運(yùn)動(dòng)，直至螺母的臺(tái)階面被舌片反向止動(dòng)。

圖3 捕獲過程 Fig.3 Capturing Process

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

捕獲裝置結(jié)構(gòu)組成如圖4所示，主要由緩沖塊、角片、舌片卡簧、蓋板、螺母等組成。

圖4 捕獲器結(jié)構(gòu)模型 Fig.4 Capture Device Structure Model

如圖4所示，零部件均安裝于再入飛行器后端框內(nèi)側(cè)盒形結(jié)構(gòu)內(nèi)，緩沖墊采用金屬蜂窩結(jié)構(gòu)，利用自身形變吸收沖擊動(dòng)能，舌片卡簧是捕獲裝置的核心部件，采用彈簧鋼材料；主體為U形，如圖5所示，兩側(cè)有舌片狀凸起。角片用于固定緩沖塊，并能在撞擊時(shí)增加緩沖塊受力面積。螺柱用于對(duì)螺母進(jìn)行限位，并保證螺母有一定的游隙；蓋板用于封閉捕獲裝置，防止分離產(chǎn)物外溢。

圖5 舌片卡簧 Fig.5 Clip Spring

2 沖擊仿真

利用 LS-DYNA軟件，對(duì)爆炸螺栓分離捕獲過程進(jìn)行仿真。重點(diǎn)驗(yàn)證捕獲器原理的可行性，計(jì)算舌片卡簧在被捕獲體沖擊擠壓及回彈作用下，是否發(fā)生斷裂。不考慮緩沖塊的吸能、減速效果。仿真模型中，各零部件材料力學(xué)性能見表1。

表1 力學(xué)性能 Tab.1 Mechanical Properties

爆炸螺栓理論沖量35.30 N·s，取1.2倍安全系數(shù)，同時(shí)考慮1.2倍的火工品作動(dòng)裝置輸入能量裕度[4]，仿真沖量按50 N·s，沖擊仿真過程見圖6。被捕獲體首先沖擊擠壓舌片，舌片變形，穿過舌片后，繼續(xù)沖擊角片；角片發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，結(jié)構(gòu)破壞；被捕獲體繼續(xù)撞擊到殼體；撞擊后被捕獲體反彈，之后被舌片止動(dòng)，完成捕獲；仿真結(jié)果表明捕獲過程與設(shè)計(jì)原理預(yù)期一致。

圖6 捕獲過程仿真 Fig.6 Capturing Process Simulation

舌片邊緣在沖擊作用下，局部受力超過材料強(qiáng)度極限，少量單元發(fā)生侵蝕破壞，如圖7所示。

圖7 舌片卡簧形變 Fig.7 Clip Spring Deformation

3 捕獲可靠性評(píng)估

捕獲可靠性是捕獲器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，采用加嚴(yán)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。加嚴(yán)試驗(yàn)的思想是將產(chǎn)品放到惡劣的環(huán)境下，降低其可靠度，用經(jīng)典方法推斷額定環(huán)境下的產(chǎn)品可靠度[5]。通過降低或提高被捕獲體的速度，加嚴(yán)捕獲條件，獲得可靠捕獲的上、下邊界速度，并最終評(píng)估捕獲可靠性。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

若采用真實(shí)爆炸螺栓進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，成本過高，同時(shí)爆炸螺栓的分離速度存在較大的離散型，且不便于調(diào)節(jié)。因此捕獲可靠性試驗(yàn)，利用空氣炮加速彈丸，撞擊螺桿，以使被捕獲體獲得要求的速度。試驗(yàn)裝置如8所示，其中空氣炮又包括氣泵、炮管、彈丸及其控制設(shè)備等。首先啟動(dòng)氣泵對(duì)空氣進(jìn)行增壓，當(dāng)壓力達(dá)到需要值時(shí)，關(guān)閉氣泵。打開閥門，在高壓空氣的作用下，彈丸頂端從炮管快速飛出撞擊被捕獲體。被捕獲體獲得初速度，進(jìn)入捕獲裝置，完成捕獲；彈丸后端被炮管止口阻擋，防止二次裝置捕獲器。

圖8 試驗(yàn)裝置 Fig.8 Testing Device

測(cè)速原理如圖9所示，利用激光傳感器測(cè)量彈丸先后經(jīng)過2個(gè)激光束的時(shí)間，以及2組激光傳感器的間距，計(jì)算得出彈丸速度。

圖9 測(cè)速原理 Fig.9 Velocity Measuring Schematic

過高或過低的速度都有可能導(dǎo)致捕獲失敗，爆炸螺栓能夠被捕獲的臨界速度是評(píng)估可靠性的關(guān)鍵。根據(jù)空氣炮加速能力和激光傳感器測(cè)速精度，經(jīng)過裝置調(diào)試，將捕獲試驗(yàn)的低速邊界確定為17 m/s，高速邊界確定為 70 m/s。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

共進(jìn)行20次低速邊界試驗(yàn)，均成功捕獲，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 低速邊界試驗(yàn)結(jié)果 Tab.2 Result of Low Speed Boundary Test

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，速度均值μ為17.17 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差σ為0.84 m/s，根據(jù)3σ原則得到可靠捕獲下邊界速度為19.81 m/s。

共進(jìn)行20次高速邊界試驗(yàn)，均成功捕獲，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，速度均值μ為70.41 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差σ為0.90 m/s，根據(jù)3σ原則得到可靠捕獲的上邊界速度為 67.71 m/s。

表3 高速邊界試驗(yàn)結(jié)果 Tab.3 Result of High Speed Boundary Test

3.3 評(píng)估結(jié)果

火工分離裝置關(guān)鍵性能參數(shù)一般符合正態(tài)分布[6]。根據(jù)爆炸螺栓沖量統(tǒng)計(jì)值，平均值為35.3 N·s，標(biāo)準(zhǔn)差為3.43 N·s，實(shí)際測(cè)量分離螺桿及游動(dòng)螺母組合體的質(zhì)量和為0.715 kg，可以得出沖擊速度的均值和方差分別為：μ=49.371 m/s，σ=4.797 m/s。

捕獲可靠性計(jì)算公式[7]如下：

式中0Φ(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布累積分布函數(shù)；xu為能可靠捕獲的上邊界速度，此處為67.71 m/s；xd為能可靠捕獲的下邊界速度，此處為19.8 m/s；μ為沖擊速度均值，此處為49.371 m/s；σ是沖擊速度標(biāo)準(zhǔn)差，此處為4.797 m/s。

計(jì)算得到R=0.9999，即單個(gè)捕獲器的捕獲可靠度為0.9999。

4 結(jié)束語

爆炸螺栓捕獲器利用舌片卡簧正向通過、反向止動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)捕獲；仿真表明原理可行；利用空氣炮模擬分離沖擊過程，開展了高速、低速邊界捕獲試驗(yàn)，對(duì)捕獲可靠性進(jìn)行了評(píng)估，單個(gè)捕獲器的捕獲可靠度達(dá)到0.9999。