樣品容器火工解鎖沖擊試驗研究

于杭健，張正峰

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樣品容器火工解鎖沖擊試驗研究

于杭健，張正峰

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

某航天器的樣品容器在火工解鎖過程中，出現了解鎖后向前沖擊移動的現象。為充分掌握樣品容器在軌火工解鎖過程中沖擊影響情況，開展了解鎖沖擊分析及試驗驗證。根據動量守恒定律，推算了樣品容器在軌火工解鎖的理論沖擊移動距離，并開展了3次地面驗證試驗。計算結果和試驗結果均表明，樣品容器的沖擊移動距離小于12mm的指標要求，因此不會影響在軌樣品轉移任務的順利實施。

樣品容器；解鎖；沖擊；試驗研究

0 引言

在航天器設計過程中，對于需要一次性鎖緊和釋放的產品經常采用火工品裝置進行連接固定，如火工切割器、分離螺母、爆炸螺栓等。火工品裝置具有結構形式簡單、連接可靠等優點，可以有效地滿足鎖緊與釋放的功能要求[1-3]。

某航天器樣品容器在設計時采用了火工切割器連接方式，以滿足樣品容器鎖緊與釋放的要求[4]。在地面試驗中發現，樣品容器在火工品裝置解鎖后發生了沖擊移動現象，即樣品容器在解鎖后沖開棘爪束縛而出現了位移。

本文根據動量守恒定律，從理論上分析了樣品容器在轉移操作中的沖擊移動距離；同時在地面開展了3次樣品容器火工品裝置的爆炸解鎖試驗，以掌握其在解鎖過程中沖擊移動情況，并分析沖擊移動距離對樣品在軌轉移任務的影響。

1 火工品裝置連接及解鎖沖擊現象

樣品容器火工品裝置主要由固定支架、壓緊桿、火工切割器、緩沖組件等組成[5]。固定支架主要起著對壓緊桿、火工切割器的固定作用；壓緊桿主要用于樣品容器的連接和固定；火工切割器主要用于切斷壓緊桿，釋放樣品容器；緩沖組件采用蜂窩結構形式，主要用于減緩解鎖過程中對樣品容器的沖擊。樣品容器與火工品裝置的連接如圖1所示。

圖1 樣品容器與火工品裝置連接示意

火工切割器利用爆炸能量將壓緊桿切斷，同時將壓縮能轉化為動能，推動樣品容器運動。在摩擦阻力及轉移阻力（棘爪）作用下，樣品容器移動一段距離后停止運動。在地面1重力下，沖擊移動距離與樣品容器質量、摩擦阻力、轉移阻力相關，在摩擦系數一定情況下，樣品容器質量越大，則摩擦阻力越大，而沖擊移動距離越短；轉移阻力與機構彈簧力相關：轉移機構伸出后存在轉移阻力，收回則無轉移阻力。在軌飛行過程中，由于處于失重狀態，摩擦阻力變小，而轉移阻力不變。

在進行無摩擦阻力（樣品容器處于豎直狀態）解鎖驗證試驗中，樣品容器的質量為3.6kg，3次試驗樣品容器獲得的分離速度分別為0.251、0.203、0.212m/s。在樣品容器處于水平狀態的試驗過程中，樣品容器的質量為2kg，也進行了3次火工品解鎖試驗：第1次樣品容器的沖擊移動距離為23mm，第2次為22mm，第3次為32mm（轉移機構未展開狀態，即無棘爪阻力）。第1次試驗和第2次試驗中，樣品容器受到的總阻力為10N，其中摩擦阻力5N、轉移阻力5N；第3次試驗樣品容器僅受到5N的摩擦阻力。

通過對以上試驗數據的分析計算，根據動量守恒定律，則可得樣品容器在解鎖時刻的沖擊速度。樣品容器總的沖擊移動距離總計算如下：

， (2)

f=0?c×/， (3)

， (5)

總=1+2。 (6)

式中：為樣品容器動能，J；為樣品容器質量，kg；0為樣品容器初始速度，m/s；為樣品容器降落到導軌的時間，s；H為樣品容器落到導軌的距離，m；f為樣品容器懸空段最后速度，m/s；c為棘爪阻力，N；f為摩擦阻力，N；1為懸空前進距離，m；2為導軌段前進距離，m。

根據動量守恒定律，以3.6kg樣品容器、分離速度分別為0.203和0.251m/s進行推算，則可得2kg 樣品容器的速度分別為0.36和0.45m/s，在摩擦阻力和轉移阻力同時存在的情況下沖擊移動距離分別為17和26mm；在無轉移阻力的情況下沖擊移動距離分別為31和47mm。

按照此方法對樣品轉移過程進行分析，樣品容器質量按8kg計，對在軌解鎖釋放過程進行理論分析計算，得到沖擊移動距離為10.1和6.5mm，均沒有超過12mm的最大容許沖擊移動距離。樣品容器在軌解鎖釋放過程中移動距離為

=/(f+c)。 (7)

為驗證理論計算分析的正確性，開展了樣品容器火工品裝置解鎖沖擊試驗。

2 試驗驗證

開展8kg樣品容器火工品裝置解鎖沖擊試驗，主要目的是為了獲取其沖擊移動距離，并分析火工品裝置解鎖沖擊對在軌樣品轉移的影響。

2.1 試驗方案

2.1.1 試驗系統組成

樣品容器解鎖沖擊試驗采用滑輪吊掛方式用以抵消樣品容器因重力作用而引起的摩擦阻力。參試設備包括樣品容器、火工品裝置、滑輪吊掛子系統、轉移阻力機構件、結構安裝工裝、結構支撐工裝、火工切割器起爆設備、高速攝像子系統等。樣品容器解鎖沖擊試驗系統如圖2所示。

圖2 樣品容器解鎖沖擊試驗系統

2.1.2 試驗實施流程

樣品容器解鎖沖擊試驗流程如圖3所示。

圖3 解鎖沖擊試驗流程

解鎖沖擊試驗主要過程如下：

1）完成吊掛子系統搭建，將樣品容器的質量配置到4.0kg，保證其質心位于中心軸線上，同時將另一側的配重砝碼按相同的質量加掛，配置后測試，保證滑輪轉動流暢，實測得到阻力約為1.3N。

2）連接火工品裝置和樣品容器，再通過結構安裝工裝將其固定，并將吊掛纜繩引出，最后將樣品容器安裝底座與鎖柄機構進行連接。

3）將上述完成配置并連接好的裝置再與結構支撐工裝連接固定，同時將轉移阻力機構件按照星上真實狀態設置到位，實測得到轉移阻力約為5N。

4）在滑輪吊掛子系統上配置相應的平衡砝碼，通過鋼絲繩與樣品容器連接，樣品容器與平衡砝碼的質量共計8.0kg，保證滑輪吊掛子系統靈活運動。

5）接好火工品的點火電纜，調試好高速攝像子系統，并完成火工品裝置的狀態檢測。

6）火工品裝置點火，樣品容器在沖擊力作用下向下運動，試驗全過程由高速攝像子系統拍攝；解鎖后測量樣品容器頂面距鎖柄機構頂面的距離，以獲取樣品容器沖擊移動距離。火工品裝置起爆前后樣品容器狀態如圖4所示。

7）每次試驗完成后進行狀態恢復。重復以上動作，共進行3次試驗。

(a) 火工切割器起爆前狀態 (b) 火工切割器起爆后狀態

2.2 試驗結果分析

3次試驗結果如下：第1次試驗，樣品容器向下移動2.455mm；第2次2.756mm；第3次4.520mm。

根據以上試驗數據，在樣品容器及配重共計8.0kg、運動阻力為6.3N的情況下進行計算，獲得樣品容器在解鎖過程中的理論沖擊移動距離應介于5.1～8.0mm之間。發現沖擊移動距離的試驗結果皆小于理論計算值，分析其原因有二：一是吊掛子系統吸收了部分能量，二是摩擦阻力測量存在誤差，導致樣品容器移動距離減少。

根據實際在軌狀態，不考慮滑輪吊掛子系統1.3N的摩擦阻力，樣品容器解鎖過程中的理論沖擊移動距離應該介于6.5～10.1mm之間，但沒有超過12mm的最大容許沖擊移動距離，可保證在軌樣品轉移任務的順利實施。樣品容器爆炸解鎖后沖擊移動距離見表1。

表1 樣品容器電爆解鎖后移動距離

注：地面試驗中（含水平和豎直狀態）均采用測力計測量摩擦阻力，受測力計及試驗系統所限，測量均存在一定誤差。棘爪阻力為理論設計值，而實際產品所提供的阻力與彈簧相關，二者存在差異。

3 結束語

針對樣品容器火工品裝置解鎖后沖擊移動距離問題，開展了理論計算分析和試驗驗證，根據這些數據對樣品容器在軌解鎖的沖擊移動距離進行了推算，結果表明皆小于要求的12mm最大容許沖擊距離。由此可見，火工品裝置的解鎖不會影響在軌樣品轉移任務的順利實施。

[1] 褚桂柏, 馬世俊. 宇航技術概論[M]. 北京: 航空工業出版社, 2002: 224-225

[2] 袁家軍, 于登云, 白光明, 等. 衛星結構分析與設計[M].北京: 中國宇航出版社, 2004: 438-439

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（編輯：肖福根）

Experimental study of unlock impact for sample vessel

YU Hangjian, ZHANG Zhengfeng

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

During electric storm unlocking of the sample vessel of a certain spacecraft, the sample vessel jumped the traces suddenly. To understand the impact influence of the vessel jumping the traces in orbit, the phenomenon analysis and the experimental verification of the unlocking impact are carried out. According to the conservation of momentum, the impact distance of the sample vessel jumping the traces in orbit is calculated. And the unlocking shock test is carried out three times to verify the calculations. Both the calculation and test results show that the distance of the sample vessel jumping the traces in orbit is less than 12mm, thus the sample transferring in orbit can be performed successfully.

sample vessel; unlock; impact; experimental study

V416.2

A

1673-1379-2017(04)-0382-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.007

于杭健（1984—），男，從事航天器總體設計工作。E-mail: yhj1105@163.com。

2017-03-29；

2017-06-28

國家重大科技專項工程