姜新才，黄 猛，周 杨，陈 勇，先明春，2

(1.四川航天川南火工技术有限公司，泸州 646000；
2.南京理工大学化工学院，南京 210000)

航天火工分离装置是一种连接与分离机构，主要应用于火箭、卫星、导弹的级间分离、舱段分离与星箭分离等场合。该类装置通常用于连接特定待分离部件，当接到分离指令时，通过引爆内部装药将预定分离部位打开以实现可靠分离。现阶段常用的航天火工分离装置主要包括爆炸螺栓、拔销器、切割器、分离螺母等。火工分离装置具有高可靠性、高同步性和大承载能力等诸多优点，因而在各航天型号中得到了广泛应用。

在实现分离功能时，航天火工分离装置的火工药剂的化学能会转化为各零组件的动能，产生火工冲击。火工冲击指安装在结构上的火工装置动作所导致的装备局部强作用机械瞬态响应[1]。一般包括星箭分离、组合体的分离解锁、太阳翼和天线展开产生的冲击环境等，具有瞬态、高频和高能量级的特点。通常情况下，火工冲击载荷对主结构的影响较小，但是却能够对含有冲击敏感的元器件和脆性材料的仪器设备造成损伤，从而导致任务失败或带来灾难性的事故。美国国家航空航天局(NASA)曾经统计分析了从1963—1985年间的所有飞行故障，从中分离出88次可能与爆炸冲击或振动有关的故障，经分析，其中超过63次是由爆炸冲击直接或间接引起，占71.6%[2]。因此需采取一定的措施降低分离产生的冲击响应。近年来随着航天型号对火工分离带来的冲击要求逐步提高，对低冲击火工分离装置的应用需求逐渐增多。

为了支撑低冲击火工分离装置的设计开发，本文以某低冲击火工分离装置的优化设计作为典型，对其分离过程涉及各个环节的降冲击优化开展深入研究，并开展了相关的试验验证，最终成功将其分离冲击降低到1 000g以下。

某低冲击火工分离装置的原理验证试验反映，其结构方案能够满足基本分离解锁功能，但分离过程测得最大冲击响应加速度结果约为1 800g(冲击响应曲线如图1所示)，超出不大于1 000g的指标要求。因此，有必要在原方案的基础上，分析产生冲击的关键影响因素，开展进一步优化设计，降低其分离冲击，减小对外部结构的干扰。

图1 某低冲击分离火工装置冲击响应曲线

2.1 火工分离冲击的产生及抑制措施

对火工冲击产生的来源、各来源作用特征，以及国内外分离装置研究现状等进行了对比分析，目前广泛认可的火工冲击载荷的来源由3个部分组成[3-4]：

1)含能材料(火药、炸药)爆炸引起冲击波、应力波的传播；

2)承载结构突然断裂(解锁)，预载荷产生的应变能释放，形成应力波传播和结构谐振效应；

3)爆炸分离物以一定速度和冲量撞击结构特定部位(如缓冲块、捕获器等)，形成应力波和(或)结构谐振。

冲击载荷产生后，在结构中以波的形式传播，根据介质结构的构型和材料的不同，其传递和衰减的特性也随之变化，并且冲击响应会随着传递距离的增加，响应不断衰减。

因而，在抑制火工冲击载荷方面，主要从两个方面进行：

1)低冲击分离装置的研制：从源头(火工品)上降低冲击源输出冲击载荷的量级。低冲击分离装置改进设计的主要途径是通过降低装药量、增加预紧力释放时间或者是添加一些吸能材料吸收或隔离机械撞击的能量，从而降低冲击载荷。

2)缓冲技术：在冲击传递路径上通过隔离、附加连接环节、吸能装置等手段增加冲击载荷的衰减量，达到降低冲击的效果。

2.2 降冲击优化设计思路

通过分析低冲击分离装置的结构特征，为实现火工分离装置的降冲击优化设计，在冲击产生源上通过选用缓释主装药从源头降低冲击的产生；
在结构设计上通过设计燃气整流结构、优化解锁结构从结构本体降低冲击载荷；
在冲击的阻断方面通过转换点火方式将气流方向进行转换和增加缓冲垫等对冲击进行阻断吸收。同时，针对优化后的火工分离装置产生的冲击响应进行解耦分析，获得冲击响应组成及其贡献，为同类装置的冲击抑制提供借鉴方法。研究思路框图如图2所示。

图2 降冲击优化设计思路

2.3 降冲击优化分析

2.3.1 冲击产生源

根据火工冲击产生来源及控制机理，选择合适的冲击来源对于降低火工系统的冲击载荷更为有效。点火器作为低冲击火工分离装置的动力来源，其输出性能决定装置冲击响应的幅值大小，而点火器输出性能又主要取决于主装药剂性能。通过对比不同主装药状态的爆压特性及冲击响应测试，确定无硫黑火药(YH19A)最适合作为低冲击火工分离装置的主装药剂。

2.3.1.1 主装药剂燃烧特性研究

火工药剂的燃烧是一种极为复杂的物理化学过程，本文结合火工药剂的实际应用，采用定容爆压测试的方式进行药剂的燃烧特性研究，通过试验对比不同主装药的燃烧特性[5]。具体为：分别将硼/硝酸钾烟火药(YH18)、羧斯钡(QB08)、铝--高氯酸钾烟火药(YH01)及无硫黑火药(YH19A)(依次标记为A,B,C,D状态)等4种药剂作为点火器的主装药(4种药剂分别根据各自的火药力大小选取不同装药量，保持爆压相互接近)，于10 mL测压弹中进行爆压测试。发火试验照片如图3所示，典型测试曲线如图4所示，测试结果统计如表1所示，建压时间柱状图如图5所示。

表1 不同药剂定容爆压测试数据统计表

图3 测试P-t曲线的发火试验照片

图4 药剂定容爆压测试典型曲线

图5 不同药剂建压时间对比图(平均值)

从测试结果可以看出，4种药剂从开始建压至峰值压力所需时间，无硫黑火药(YH19A)最为缓慢，换算为输出峰压上升速率，硼/硝酸钾烟火药(YH18)、羧斯钡(QB08)、铝--高氯酸钾烟火药(YH01)从开始建压至峰值压力的上升速率分别为3.94，8.58，7.60 MPa/ms，分别是无硫黑火药(YH19A)的1.3倍、2.8倍、2.5倍。试验结果显示，无硫黑火药(YH19A)上升速率最为缓慢，说明药剂的燃烧平缓，能量持续缓慢释放，分析其瞬间产生的冲击应较小。

2.3.1.2 主装药剂冲击测试试验研究

针对上述A～D这4种不同主装药的点火器，配备低冲击分离装置进行常温冲击响应测试试验，测试X,Y,Z这3个方向的冲击。测试照片如图6所示，试验时装置活塞被约束不分离。测试结果统计如表2所示，轴向冲击对比最大值(平均值)如图7所示。

图6 冲击测试实物照片

表2 不同药剂冲击测试数据统计表

图7 不同药剂轴向冲击对比图(平均值)

试验结果显示,不同类型点火器其对分离装置的冲击载荷均沿轴向最大，后续可通过改变点火方向进行冲击缓冲；
采用无硫黑火药(YH19A)产生的冲击最小，其最大冲击相比硼/硝酸钾烟火药(YH18)、羧斯钡(QB08)、铝--高氯酸钾烟火药(YH01)药剂分别减少16%、30%和23%，冲击减缓明显，这是由于无硫黑火药(YH19A)燃烧较为缓慢，这也与理论分析一致，故采用无硫黑火药(YH19A)作为低冲击火工分离装置的主装药剂有利于降低冲击响应。

2.3.2 结构设计

目前，成熟的低冲击分离火工装置大多采用分瓣螺母的预解锁结构，该结构通过分瓣螺母与螺栓之间的螺纹旋合实现连接承载功能，通过解除对分瓣螺母的约束使其径向张开实现对螺栓的释放、解锁。

在火工装置解锁时，预紧力迅速释放，因预紧力产生的结构变形能瞬间转化为动能，将引起结构冲击和振动响应，拧紧力矩大小与加速的响应峰值呈线性关系[6]。为了使预紧力缓慢释放，美国SN9500系列分离螺母在分瓣螺母解除径向约束前，利用转子带动分瓣螺母转动释放挤压应力，从而降低了冲击响应[7]。本项目在分离火工装置分瓣螺母与箍套间设计旋转活塞，将燃气的动力转换为旋转解锁力，使螺栓头先拧松再解锁，降低预紧力释放带来的冲击效应。预紧力缓慢释放设计方案如图8所示。

图8 预紧力缓释方案示意图

同时，在分瓣螺母与箍套的解锁结构处，将垂直的解锁角调整为与解锁角度和螺纹牙形角匹配的解锁角，并在过渡处增加倒角，降低解锁时分瓣螺母与箍套的撞击。

此外，在燃气作用于火工装置动作零件前增加燃气整流装置，燃气整流装置位于燃气通道末端，可阻挡燃气轴向冲击直接作用在运动零部件上，并在周向上均布有数个径向的通气孔，从而使轴向流动的高温高压燃气沿径向均匀流动，减缓到达运动零部件的燃气速度并使燃气能量更加均匀。

2.3.3 冲击阻断、吸收

低冲击分离火工装置工作时，火工药剂燃烧产生的高温高压燃气会驱动活塞等运动零件高速运动，而运动零件在运动到位后与壳体或其他结构件之间的撞击会产生较大的冲击；
同时，低冲击分离火工装置安装在箭体/舱体上时，相互之间的刚性接触也使得低冲击分离火工装置工作产生的冲击顺利地传递到箭体/舱体结构上。

为了对该部分冲击进行阻断吸收，可采用柔性吸能法，通过在运动零件到位行程内设置柔性缓冲材料做成的缓冲装置，形成一个低通滤波器，低频柔性材料的大变形能够吸收运动零件对壳体或其他结构件的撞击能量，降低冲击响应[8]；
同时，可通过改变点火方式阻断轴向上的冲击，使得各个方向上的冲击响应均衡分布。

2.3.3.1 缓冲材质选择及力学特性测试

(1)缓冲材质能量能量耗散系数

能够起到缓冲与减振效果的常用材料有发泡硅胶、硅橡胶及金属橡胶等，其中金属橡胶具有耐高温、抗辐射、长寿命等特点，可用于长寿命空间飞行器上[9]。实物图如图9所示。

图9 不同材质缓冲垫实物照片

项目针对上述材质制作的缓冲垫采取静态压缩试验方式进行力学性能测试，其载荷--位移曲线测试结果如图10～12所示。

图10 发泡硅胶载荷--位移曲线

从3种材料的载荷--位移曲线图可以看出：3种材料的载荷--位移曲线均呈现非线性变化，且加载曲线与卸载曲线不重合，这说明材料在加载过程中耗散了能量，将其作为缓冲材料理论上是可行的；
且不同材质曲线有所差异，说明其减缓能量的能力有区别，即能量耗散系数不同。

图11 硅橡胶载荷--位移曲线

图12 金属橡胶载荷--位移曲线

能量耗散系数是衡量材料阻尼减振特性的重要参数，能量耗散系数越大，材料的阻尼性能越好，反之就越差。由下列公式计算3种材料的能量耗散系数,表示一个循环损耗的能量，为迟滞回线(图中卸载曲线与横轴)所围成的面积；
W是最大变形势能，为加载曲线与横轴所围成的面积

根据曲线计算3种材料的能量耗散参数统计如表3所示，能量耗散系数对比图如图13所示。

图13 不同材质的耗散系数对比图

表3 缓冲材质能量耗散参数统计表

从试验结果可知，发泡硅胶的能量耗散系数最大，分别约为硅橡胶、金属橡胶的2.5倍、1.4倍，说明发泡硅胶的阻尼性能最好，金属橡胶次之，硅橡胶最小，理论上将发泡硅胶作为缓冲材质用于降低冲击载荷效果最佳，这也由后续试验所验证。

(2)缓冲材质降冲击对比测试

根据以上测试，硅橡胶阻尼性相对最差，故仅就金属橡胶、发泡硅胶两种材质进行降冲击对比测试。测试时，将两种材质的缓冲垫装入相同状态的低冲击火工分离装置，在相同条件下测试其冲击响应。测试结果统计如表4所示，轴向冲击对比图(平均值)如图14所示。

图14 不同缓冲材料冲击测试结果柱状图(平均值)

从测试结果可以看出，3个方向中均为纵向冲击最大，而径向、切向冲击相当；
两种缓冲材质降冲击效果有明显差异，发泡硅胶降缓冲程度较金属橡胶高约34%，这也与理论分析相符合。选择发泡硅胶作为产品降冲击材质更合理有效。后续相关研究均采用此方案。

2.3.3.2 改变点火方式

根据文献资料及厂内分离装置设计经验，通过改变点火方式能够对降冲击起到有利作用，研究过程中对比了径向及轴向两种点火方式，并针对两种不同点火方式进行了试验研究，试验结果表明径向点火方式能够有效降低产品冲击。

两种点火方式冲击测试照片如图15所示，两种点火方式的冲击测试数据统计结果如表5所示，不同点火方式冲击对比图(平均值)如图16所示。

(a)轴向点火

表5 不同点火方式冲击测试结果

图16 不同点火方式冲击测试对比图(平均值)

试验结果显示，同状态下，改变点火方式会对冲击产生明显差别，径向点火方式相较于轴向点火方式对于纵向冲击的减缓较为明显，约高46%，选用径向点火方式对于实现低冲击目标更为有效，同时点火方式的改变对径向、切向的冲击响应影响不大。后续选用径向点火方式。

2.4 低冲击火工分离装置优化方案

结合前文所述各环节的降冲击设计，确定某低冲击火工分离装置分离主装药设计、结构设计、到位缓冲设计以及点火方式的优化措施(各参数优化设计结果如表6所示)，形成优化后的低冲击火工分离装置样机，示意图如图17所示。

表6 各参数优化设计

图17 低冲击火工分离装置示意图

对优化后的低冲击火工分离装置进行发火试验，测试其冲击响应，同时测试装置分离过程中的内部压力变化。测试试验照片如图18所示，测试的多参量时域曲线如图19所示。

图18 多参量测试照片

图19 低冲击火工分离装置分离过程中多参量时域曲线

根据上文论述，火工装置动作时产生的冲击响应由以下3种类型的冲击源构成：

1)火工药剂作用引起冲击波和应力波在钢体结构中的传播；

2)火工装置内运动部件以一定速度撞击刚性结构表面，形成应力波和结构谐振响应；

3)火工装置上预紧力突然卸载产生的应变能突然释放，形成应力波传播和结构谐振响应。

火工冲击响应实际是多种冲击源耦合在一起的产物。为量化本产品结构各冲击源所占比例，根据作用过程中的多参量时域曲线，采用时序区分法来辨识各冲击源所激起的冲击响应。

通过图19的多参量时域曲线进行不同冲击源在时序上的区分。点火器开始作用时刻便有冲击产生，在药剂燃烧完成并作用后压力便迅速上升，在12.1 ms时压力达到最大值0.46 MPa，此时大活塞开始作用，燃烧室内的容积相应增大，压力随之下降，并伴随着挡圈解锁过程，并在t=12.9 ms 时刻完成挡圈解锁过程，随后预紧力卸载完成后推动活塞继续运动，压力持续下降，此时活塞撞击缓冲垫并经历回弹后压力趋缓(容腔变化较小)，加速度稳定而缓慢衰减。综合上述分析，图19中区域Ⅰ为火工药剂爆燃作用激起的冲击响应，区域Ⅱ为预紧力释放激起的响应，区域Ⅲ为活塞撞击激起的冲击响应。

为综合评价各冲击源的影响，并量化得到各冲击源所占比例，利用以下公式对冲击曲线进行数值分析计算，得到各冲击源在整个时序中的平均值[10]

式中，Esm为每一个冲击源在整个频率/时间范围内冲击响应的相对平均值，单位为g；
Es(f)为在不同频率/时间上特定的冲击源的冲击响应绝对值，单位为g；
fl为最低分析频率/时间；
fh为最高分析频率/时间；
N为样本数。

根据上式及图19图谱，对冲击曲线数值进行计算，得出分离装置冲击源解耦分析结果，见表7，冲击源占比如图20所示。

表7 低冲击分离装置(含缓冲)冲击源解耦分析结果

图20 冲击响应源占比饼图

低冲击分离装置(含缓冲)冲击解耦分析的结果表明，该分离装置作用过程中火药爆燃引起的冲击响应贡献最大，达到55.8%；
预紧力释放对总的冲击响应的贡献次之，达到41.4%；
而活塞撞击激起的冲击响应贡献率最小，为2.8%，此部分冲击所占比例较小是增加缓冲装置后冲击被大幅度吸收所致。

结合火工分离冲击的产生及抑制机理，从主装药类型、结构设计、缓冲部件及点火方式等各个环节对某低冲击火工分离装置进行了降冲击优化设计，并进行了试验验证。试验结果表明，优化设计措施能够显著降低火工分离装置发火后的冲击响应，最终满足分离冲击不大于1 000g的指标要求，并得出结论如下：

1)在冲击产生源上，采用无硫黑火药作为低冲击火工分离装置的主装药剂能够有效降低冲击响应；

2)在结构设计上，对结构进行优化及采用燃气整流装置有利于降低冲击响应；

3)在冲击的阻断吸收上，采用发泡硅胶缓冲垫吸收活塞撞击能量，将点火方式由轴向点火改为径向点火，能够有效降低冲击响应。

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