火工分離推桿分離特性研究

于 兵，相升海，閆利偉，楊艷羽，梁永潮

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院， 沈陽 110159；2.遼寧北方華豐特種化工有限公司， 遼寧 撫順 113003)

火工分離推桿是航天器的關(guān)鍵組成部件，它是利用火藥燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體推動推桿作功完成衛(wèi)星釋放的一種火工分離裝置[1]。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，火工分離推桿在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。由于分離裝置在分離技術(shù)中具有特殊性，因而對于其性能的研究格外重要。

何春全[2]介紹了國內(nèi)外常用在導(dǎo)彈上的火工分離裝置，討論了各種分離裝置的特點，提出了火工分離裝置的發(fā)展方向。蓋玉先[3]對非火工包帶式星箭分離裝置的研究狀況進(jìn)行了綜述，按照包帶連接位置和解鎖方式的不同對其進(jìn)行了分類。美國EIC公司[4]利用一種通入低壓電流后粘性消失，可以實現(xiàn)釋放功能的材料，研制了一種被稱為“ElectRelease”的分離裝置。楊濤[5]利用有限元分析軟件ANSYS，對導(dǎo)彈套筒式級間分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析。Lee[6]通過AUTODYN 軟件對爆炸螺栓的性能進(jìn)行了分析。閆利偉[7]設(shè)計了一種削弱槽式爆炸螺栓，并進(jìn)行了試驗驗證。王軍評[8]以爆炸螺栓為對象，通過建立有限元模型，對點式火工分離裝置進(jìn)行了研究。Jung-Ryul Lee[9]對航天器上分離裝置啟動時產(chǎn)生的沖擊進(jìn)行了分析。孫丕忠[10]建立了活塞式火工分離裝置的模型，對分離裝置的設(shè)計因素進(jìn)行了研究。張雪原[11]以分離裝置冷試工作過程的模型為基礎(chǔ)，研究了預(yù)緊力對火工分離裝置工作過程的影響。

本文主要對火工分離推桿的分離特性進(jìn)行研究，利用黃金分割法確定該分離推桿工作過程中的次要功修正系數(shù)，并對火工分離推桿分離速度、分離時間隨藥室初始容積、裝藥量等因素的變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 火工分離推桿工作特性測試

火工分離推桿的主要性能參數(shù)包括推桿推力、速度和分離時間等，為了得到該類參數(shù)隨時間的變化規(guī)律，采用如圖1所示測試系統(tǒng)對分離推桿工作特性進(jìn)行測試。

圖1 火工分離推桿試驗測試原理示意圖

試驗前首先對推力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，然后開始測試工作。火工分離推桿工作時，推動小車(模擬衛(wèi)星)向右運動，通過使用置于導(dǎo)軌垂直方向3 m處的高速攝像機(jī)拍攝推桿的工作全過程，得出小車位置隨時間變化的曲線，而后處理出推桿運動速度隨時間變化的曲線。作用在推力傳感器上的推力，其產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)過信號放大器放大，再由數(shù)據(jù)采集器全程記錄隨時間變化的電壓值，這樣即可根據(jù)標(biāo)定值得到推力與時間關(guān)系曲線。

試驗測得的火工分離推桿推力-時間 (P-t) 曲線與速度-時間 (v-t) 曲線如圖2所示。

圖2 火工分離推桿試驗曲線

2 火工分離推桿模型

2.1 幾何模型

點火器點燃藥室內(nèi)的裝藥產(chǎn)生高溫高壓氣體膨脹作功，推動推桿軸向運動剪斷銷釘完成解鎖動作，燃?xì)饫^續(xù)推動推桿運動，從而完成分離推桿對衛(wèi)星的分離和釋放作用。火工分離推桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

2.2 內(nèi)彈道過程基本假設(shè)

火工分離推桿的工作過程是一個復(fù)雜的過程，為了簡化計算，作出如下假設(shè)：

藥室內(nèi)裝藥進(jìn)行完全燃燒，服從幾何燃燒定律，在燃燒過程中，裝藥的燃燒溫度不變，忽略點火壓力；

裝藥燃燒生成燃?xì)鉃橥耆珰怏w，服從理想氣體狀態(tài)方程，燃?xì)饬鲃訛榈褥亓鲃忧也豢紤]氣體余容；

在燃?xì)鈮簭?qiáng)作用下，銷釘應(yīng)力達(dá)到剪切強(qiáng)度瞬間推桿開始軸向一維運動[12]，推桿運動過程中所受阻力和燃?xì)鉄崃可⑹б源我π拚禂?shù)來處理。

2.3 內(nèi)彈道過程的劃分

根據(jù)藥室和推桿的不同狀態(tài)將內(nèi)彈道過程分為3個階段：

1) 前期：裝藥被點燃至推桿開始運動。該時期裝藥在藥室內(nèi)定容燃燒，推桿位移為0。

2) 第一時期：推桿開始運動至裝藥燃燒結(jié)束。該時期不斷有燃?xì)猱a(chǎn)生推動推桿運動，推桿后空間不斷增大。

3) 第二時期：裝藥燃燒結(jié)束時刻至推桿停止運動。該時期裝藥燃燒已完畢，無燃?xì)馍桑Ｓ嗳細(xì)馔苿油茥U運動。

2.4 數(shù)學(xué)方程

依據(jù)質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律等理論，建立了火工分離推桿工作過程內(nèi)彈道方程組。

1) 前期

燃燒速度r的計算：裝藥燃燒服從燃速指數(shù)方程

r=aPn

(1)

式(1)中：a為經(jīng)驗常數(shù)，與火藥性能、燃?xì)鈮簭?qiáng)、裝藥初溫等有關(guān)；P為燃?xì)鈮簭?qiáng)；n為燃速壓強(qiáng)指數(shù)。

裝藥燃去體積Vr的計算：裝藥選用幾何形狀為單孔圓柱形2/1樟火藥，如圖4所示。圖中L、D、d分別為樟火藥長度、外徑、內(nèi)徑，e為火藥燃去肉厚，則：

圖4 2/1樟火藥示意圖

Vr=Vy-π(L-2e)[(D/2-e)2-(d/2+e)2]

(2)

式(2)中，Vy為裝藥原始體積。

推桿開始運動瞬間裝藥燃去百分比：

ψ0=(1/Δ-1/ρp)/(f/τ-1/ρp)

(3)

式(3)中：Δ=ω/V0，Δ為裝填密度；ω為裝藥質(zhì)量；V0為藥室初始自由容積；ρp為裝藥密度；f為火藥力；τ為銷釘剪斷應(yīng)力。

氣體狀態(tài)方程：

P=fωψ/[V0-ω(1-ψ)/ρp]

(4)

式(4)中：ψ為裝藥燃燒過程中燃去百分比。

2) 第一時期

推桿運動方程：火工分離推桿工作過程中滿足牛頓第二定律

ag=PSg/(φm)

(5)

式(5)中：ag為推桿加速度；Sg為推桿橫截面積；φ為火工分離推桿次要功修正系數(shù)；m為被推物體(衛(wèi)星)質(zhì)量。

氣體狀態(tài)方程：

P=f(ωψ0+ωe)/Vex

(6)

式(6)中：ωe為第一時期推桿運動過程中裝藥生成的燃?xì)赓|(zhì)量；Vex=Ve+Vx，Vex為推桿后空間體積；Ve為藥室自由容積；Vx=Sgx，Vx為因推桿運動而增加的容積，x為推桿位移。

3) 第二時期

等熵方程：該時期無燃?xì)馍桑Ｓ鄽怏w膨脹作功推動推桿繼續(xù)運動

(7)

式(7)中：P2為第二時期藥室燃?xì)鈮簭?qiáng)；V2為推桿繼續(xù)運動過程中桿后空間體積；P1為第一時期結(jié)束時藥室燃?xì)鈮簭?qiáng)。

2.5 次要功修正系數(shù)的確定

由于火工分離推桿的工作過程類似于槍炮擊發(fā)時彈丸在膛內(nèi)的運動過程，根據(jù)內(nèi)彈道過程基本假設(shè)，仿真計算時以次要功修正系數(shù)來處理火工分離推桿工作過程中的能量損失。結(jié)合槍炮內(nèi)彈道學(xué)[13]中次要功修正系數(shù)的選取經(jīng)驗，初步確定火工分離推桿次要功修正系數(shù)在[1,1.4] 范圍內(nèi)，而后采用黃金分割法在該區(qū)間內(nèi)合理地選擇計算點，使用較少的計算量來縮小范圍，直到次要功修正系數(shù)達(dá)到允許誤差為止。

采用MATLAB軟件對式 (1)～式(7) 聯(lián)立方程組進(jìn)行編程計算，可以得到速度隨時間變化的曲線，確定次要功修正系數(shù)所采用參數(shù)值見表1。

表1 仿真計算時各參數(shù)值

圖5給出了仿真計算時在[1,1.4] 區(qū)間內(nèi)選取不同次要功修正系數(shù)得到的火工分離推桿速度-時間曲線和由試驗得到的速度-時間曲線。由圖5可知，當(dāng)火工分離推桿次要功修正系數(shù)φ=1.058時，仿真得到的速度-時間曲線與試驗得到的速度-時間曲線較為吻合。由此可確定，針對該火工分離推桿仿真計算時，次要功修正系數(shù)為1.058。

圖5 不同次要功修正系數(shù)選取條件下和試驗情況下火工分離推桿速度-時間曲線

2.6 對比驗證

火工分離推桿仿真計算得到的推力-時間曲線與試驗測試得到的推力-時間曲線，如圖6所示。

圖6 火工分離推桿仿真推力與實測推力曲線

從圖6可以看出：兩種方式得到的推力-時間曲線變化趨勢大致相同，二者峰值推力相差不大。當(dāng)t=0.06 s時，仿真計算推力值與實測推力值的相對誤差最大，為9.1%，兩者得到的推力值基本相符。由此說明，該火工分離推桿分離特性研究的仿真計算方法具有一定的準(zhǔn)確性，可從理論角度預(yù)測火工分離推桿的性能及作用過程。

3 分離過程中各因素對推桿分離特性的影響

對于火工分離推桿而言，分離速度和分離時間是衡量其分離性能好壞的重要指標(biāo)。基于上述仿真計算方法，研究藥室初始容積、裝藥量等因素對火工分離推桿分離特性的影響規(guī)律。

3.1 藥室初始容積對推桿分離特性的影響

圖7給出了工作過程推桿速度u、分離速度usep、分離時間t與藥室初始容積V0變化的關(guān)系曲線。

圖7 工作過程推桿速度、分離速度、分離時間與藥室初始容積變化的關(guān)系曲線

圖7(a) 對橫坐標(biāo)進(jìn)行了以推桿行程Lg為基準(zhǔn)的無量綱處理，x為推桿位移；對縱坐標(biāo)進(jìn)行了以裝藥體積Vy為基準(zhǔn)的無量綱處理。圖7(b) 、圖7(c) 對橫坐標(biāo)進(jìn)行了以裝藥體積Vy為基準(zhǔn)的無量綱處理。

由圖7(a)可知，工作過程中推桿速度u不斷增大，藥室初始容積越小，速度增大的速率越快。圖7(b)表示，在裝藥量不變的前提下，推桿分離速度usep與藥室初始容積V0呈現(xiàn)近似線性的負(fù)相關(guān)關(guān)系。圖 7(c)表示，在裝藥量不變的前提下，分離時間t與藥室初始容積V0呈現(xiàn)非線性的正相關(guān)關(guān)系。

3.2 裝藥量對推桿分離特性的影響

圖8給出了工作過程推桿速度u、分離速度usep、分離時間t與裝藥量ω變化的關(guān)系曲線。

圖8(a)對橫坐標(biāo)進(jìn)行了以推桿行程Lg為基準(zhǔn)的無量綱處理，x為推桿位移；對縱坐標(biāo)進(jìn)行了以衛(wèi)星質(zhì)量m為基準(zhǔn)的無量綱處理。圖8(b)、圖8(c)對橫坐標(biāo)進(jìn)行了以衛(wèi)星質(zhì)量m為基準(zhǔn)的無量綱處理。

由圖8(a)可知：工作過程中推桿速度u不斷增大，裝藥量越多，速度增大的速率越快。圖8(b) 表示，在藥室初始容積不變的前提下，推桿分離速度usep與裝藥量ω呈現(xiàn)近似線性的正相關(guān)關(guān)系。圖8(c) 表示，在藥室初始容積不變的前提下，分離時間t與裝藥量ω呈現(xiàn)非線性的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖8 工作過程推桿速度、分離速度、分離時間與裝藥量變化的關(guān)系曲線

3.3 裝藥肉厚對推桿分離特性的影響

圖9給出了工作過程推桿速度u與裝藥肉厚e變化的關(guān)系曲線。

圖9 工作過程推桿速度與裝藥肉厚變化的關(guān)系曲線

圖9對橫坐標(biāo)進(jìn)行了以推桿行程Lg為基準(zhǔn)的無量綱處理，x為推桿位移；對縱坐標(biāo)進(jìn)行了以樟火藥外徑D為基準(zhǔn)的無量綱處理。

由圖9可知：工作過程中推桿速度u不斷增大，在藥室初始容積和裝藥量不變的前提下，隨著裝藥肉厚的增大，推桿分離速度幾乎保持不變。由此可見，裝藥肉厚的改變對火工分離推桿分離特性影響不大。

3.4 綜合因素對推桿分離特性的影響

上述分析表明：藥室初始容積和裝藥量對推桿分離特性影響較為顯著，圖10給出了推桿分離速度和分離時間與綜合上述兩種因素情況下變化的關(guān)系曲線。

圖10對橫坐標(biāo)進(jìn)行了以裝藥體積Vy為基準(zhǔn)的無量綱處理；對縱坐標(biāo)進(jìn)行了以衛(wèi)星質(zhì)量m為基準(zhǔn)的無量綱處理。

由圖10(a)可知：藥室初始容積越小，裝藥量越多，推桿分離速度越大；由圖10(b)可知：藥室初始容積越小，裝藥量越多，分離時間越少。

圖10 推桿分離速度、分離時間與綜合藥室初始容積、裝藥量兩種因素情況下變化的關(guān)系曲線

4 結(jié)論

該火工分離推桿仿真計算時次要功修正系數(shù)φ=1.058。

推桿分離速度與藥室初始容積呈現(xiàn)近似線性的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與裝藥量呈現(xiàn)近似線性的正相關(guān)關(guān)系。分離時間與藥室初始容積呈現(xiàn)非線性的正相關(guān)關(guān)系，與裝藥量呈現(xiàn)非線性的負(fù)相關(guān)關(guān)系。裝藥肉厚的改變對火工分離推桿分離特性影響不大。

在保證藥室能夠為裝藥提供足夠裝填空間供其充分燃燒的條件下，藥室初始容積越小，裝藥量越大，火工分離推桿分離特性越好。