航天器非火工分離裝置的設計及性能評價

張東 任東鴻 張登宇 張志峰 吳會強

航天器非火工分離裝置的設計及性能評價

張東 任東鴻 張登宇 張志峰 吳會強

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076）

在航天領(lǐng)域，執(zhí)行分離任務的裝置根據(jù)觸發(fā)方式可分為火工和非火工兩大類，其中非火工分離裝置由于其可控、低沖擊、可重復測試和使用等特點，是未來航天分離設計的趨勢。本文介紹了一種新型非火工分離原理樣機，詳述了該裝置的工作原理，并對其主要性能進行了系統(tǒng)性的表征和分析。

解鎖裝置；非火工；航天器；分離設計

0 引言

近年來各國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展促使運載火箭技術(shù)日益成熟，國際前沿研究熱點逐漸由傳統(tǒng)課題轉(zhuǎn)向低成本運載技術(shù)[1]。在當今基于計算機的自動化控制技術(shù)已得到良好發(fā)展的背景下，復雜航天系統(tǒng)的時序控制精度和可靠性大幅提高，為可回收運載工具的發(fā)展提供技術(shù)基礎[2]；可以預見，可重復使用運載技術(shù)作為一種可行性已得到理論和實踐證明的低成本運載技術(shù)發(fā)展路徑，將掀起航天領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)迭代、引發(fā)新一輪航天科技發(fā)展競賽[1,2]。鑒于目前航天器回收技術(shù)正處于迅速發(fā)展時期，與可復用火箭相匹配的各類功能裝置的開發(fā)逐漸成為航天領(lǐng)域的重點[1-3]。作為航天工程中的關(guān)鍵部件，可復用火箭中分離裝置的性能和穩(wěn)定性將在較大程度上影響其運載能力及發(fā)射任務的成功率，值得引起重視[4]。為執(zhí)行有效載荷、助推器、整流罩等部件的分離任務，執(zhí)行裝置所需具備的基本能力包括可靠地鎖緊被連接部件、按預設時序?qū)崿F(xiàn)瞬時釋放[4]；要將分離裝置應用于低成本的可回收運載火箭，還應著眼于釋放沖擊可控、便于回收復用等特點的實現(xiàn)，及發(fā)展根據(jù)實際任務需求調(diào)整裝置現(xiàn)有性能和結(jié)構(gòu)的能力[5]。

在航天領(lǐng)域中，使用最早、最廣泛的分離裝置主要利用火工品作為驅(qū)動能量來源，以爆炸產(chǎn)生的沖擊切斷、拉斷或脹破連接部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用方便等優(yōu)點。然而，火工品的固有特點導致其工作時沖擊大，因此對航天器內(nèi)的脆性材料和器件影響較大，歷史上曾多次引起航天器失事等嚴重事故，而且不可重復測試和使用[4,6]。隨著航天任務對航天器內(nèi)元件的靈敏度要求的不斷提高，發(fā)展非火工裝置以完成分離、彈射等動作逐漸成為趨勢，可復用火箭技術(shù)的快速發(fā)展也對非火工分離裝置的研發(fā)提出了迫切的需求[7]。以可控、高功率的執(zhí)行裝置代替火工品，即可確保有效載荷獨立、不受干擾地進入軌道并執(zhí)行任務[8]。此外，以電能為統(tǒng)一的驅(qū)動能源發(fā)展各類小型化裝置，也將服務于新型航天器非火工分離裝置的發(fā)展構(gòu)想，為未來載人飛船、航天站等裝備的設計提供技術(shù)儲備。

本文詳細描述了一種新型非火工分離裝置的設計過程，并對該裝置的性能參數(shù)和應用前景進行了分析；基于該裝置的設計和表征工作，本文建立了以能量存儲和轉(zhuǎn)換為核心的執(zhí)行裝置設計思路和評價方法，以連接能力、功率密度、轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)為依據(jù)對各類現(xiàn)有非火工分離裝置的特點及應用前景進行了分析。文中所提思路適用于高功率、快響應裝置的設計工作，在航天器配套執(zhí)行裝置設計領(lǐng)域具有一定的普適性。

1 分離裝置設計和裝配

在航天任務中，連接-分離裝置主要用于實現(xiàn)兩項功能：在發(fā)射和入軌過程中通過螺栓、捆扎等方式為運載工具和各類載荷提供足夠強度的可靠連接，及到達指定位置后按任務要求實現(xiàn)釋放功能。排除火工品的使用，分離時可利用如固-液相變體積膨脹、低熔點材料受熱熔斷、記憶合金受熱變形、電機驅(qū)動觸發(fā)釋放裝置等多種方式將連接材斷開，這些種類的裝置都可以實現(xiàn)低沖擊的解鎖過程，其中記憶合金解鎖分離方案已成功應用于微型衛(wèi)星的發(fā)射。總體而言，基于上述各種原理設計的分離裝置都可以實現(xiàn)微沖擊的解鎖過程，但由于其能量輸出能力顯著低于火工分離，因此尚未達到取代火工分離裝置所需的承載性能指標。

業(yè)界對應用于空間運載工具的分離裝置所提要求已早有共識，即在保證可靠、快響應、微沖擊前提下提供足夠的承載能力，同時盡可能地實現(xiàn)小尺寸和輕質(zhì)量[4]。目前，相關(guān)工作的主要局限性在于設計時僅將其執(zhí)行部分視為孤立系統(tǒng)，而未對分離裝置整體的能量存儲和轉(zhuǎn)換過程進行分析和有效規(guī)劃，進而導致難以對特定方案的輸出能力進行定量預估、難以在裝置驅(qū)動原理方面做實質(zhì)創(chuàng)新，也不利于各類連接材料性能的充分發(fā)揮。為了促進新型非火工分離裝置的開發(fā)和應用，可首先對關(guān)鍵性能或指標角度提出要求，然后根據(jù)能量存儲和轉(zhuǎn)換的基本原理估算所需能量、根據(jù)計算結(jié)果選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)。下文即以一種高功率電力驅(qū)動分離裝置的設計和裝配工作為例對該思路進行詳細說明。

圖1 分離裝置簡化示意圖 a)火工分離；b)螺栓緩釋分離

連接-分離裝置的承載能力由連接件提供，而分離過程可簡要概括為以執(zhí)行器向連接件施加足夠的力或力矩、斷開連接而實現(xiàn)分離。如果執(zhí)行器以火工能量驅(qū)動，由化學能轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的機械能足以直接沖斷高強度合金，實現(xiàn)高承載連接件的瞬時斷開，如圖1(a)所示；非火工分離裝置以遠低于火工品的能量觸發(fā)解鎖裝置，對裝置局部施加能量使其破壞，如圖1(b)所示。無論以火工或非火工能量驅(qū)動，分離動作的執(zhí)行過程都可由包含連接件和執(zhí)行器兩個關(guān)鍵要素的模型描述，在這一模型中對各類解鎖裝置的各類設計可統(tǒng)一簡化為對連接件各向異性的利用。基于模型，為促進非火工裝置性能提升、同時盡可能滿足航天應用的小型化要求，需發(fā)展的關(guān)鍵能力可歸納為兩個方面：其一，提供高功率機械能輸出（力或力矩）的能力；其二，對連接材料或組件進行各向異性設計的能力。

航天系統(tǒng)中缺乏動能的直接來源和有效存儲手段，分離所需能量來源于儲能裝置提供的化學能、電能、勢能等，通過與能源相匹配的執(zhí)行器實現(xiàn)轉(zhuǎn)換過程。限于常規(guī)電能儲存裝置及執(zhí)行器的較低功率密度，傳統(tǒng)電力驅(qū)動方式難以滿足分離裝置的小型化要求，其成功應用于航天分離裝置仍有待于高性能電容器技術(shù)的成熟和新型電動執(zhí)行器的開發(fā)。本文所述工作主要采用已成熟的勢能存儲技術(shù)，以氣瓶為儲能裝置、氣動剪刃為執(zhí)行器裝配原理樣機驗證模型在分離裝置設計中的有效性，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該原理樣機展示的分離裝置結(jié)構(gòu)簡單，具體應用時僅需布置儲能裝置、執(zhí)行器及必要的固定措施，氣動剪刃即可以受控方式在短時間將存儲的勢能轉(zhuǎn)換為動能，切斷連接材料。

圖2 非火工分離裝置原理樣機結(jié)構(gòu)

考慮到連接件在不同溫度環(huán)境下的機械性質(zhì)變化，本工作所制非火工分離裝置也提供以高頻線圈感應加熱方式進行熱控管理的可選方案，將連接材料局部迅速加熱以降低剪切所需動能。該方案僅在航天器穩(wěn)定運行后、分離動作執(zhí)行時短暫地導致材料性能變化，而不對加速過載時的承載能力造成影響。附加了感應線圈的裝置簡化示意見圖2，其能源由40節(jié)碳基電容電池串聯(lián)組成，輸出功率20kW、容量約0.4kWh，總重量約10 kg。由外置電源供能的感應線圈于剪切動作執(zhí)行前數(shù)秒啟動，并在2-3秒內(nèi)將連接材加熱至1000 °C，隨后執(zhí)行剪切。為了進行反復實驗，在樣機中模擬連接材料經(jīng)加熱和激光測溫后由自動送料裝置精確控制剪切位置，而在實際應用中可僅將線圈固定布置于連接件而省去冗雜的附加結(jié)構(gòu)。

圖3 樣機感應線圈布置及運行情況

2 分離裝置的性能評價

為驗證樣機的機械能輸出能力，所述分離裝置樣機裝配完成后首先以不同直徑的結(jié)構(gòu)鋼棒材為模擬連接件，對剪切力和時間分別進行了測試。為實現(xiàn)低成本、簡化設計和裝配工作、同時保證性能評估結(jié)果的精確性，樣機所用模擬連接件由均質(zhì)材料制成，對連接件的各向異性設計及其效果可通過理論計算得出。通過多次重復實驗證實，該非火工分離裝置對直徑22 mm模擬連接材的切斷成功率達100 %，且每次分離動作時長基本相同。設計裝置在采用未經(jīng)任何加工強化的普通鋼棒材為連接件時承載能力即可超過10T，解鎖沖擊約500g，執(zhí)行分離動作的全程由高速攝像機精確記錄。為詳細分析該連接件的切斷過程，圖4列出了每隔16毫秒裝置的運行截圖，并以百分比形式標出剪刃行程、分別以紅色和黑色正圓標識剪刃外緣；圖5以時間為橫坐標、分別以剪刃的相對位移（移動距離與剪刃外緣直徑之比）和相對速率（相對位移的變化率）為縱坐標做曲線。通過對切斷過程的觀察可知，由于壓縮氣體作用力、連接材料反作用力的共同作用，剪刃在短時間內(nèi)加速運動、做功于連接件，其整體行程表現(xiàn)出明顯的非線性；樣機剪斷模擬連接件的總時長不超過176毫秒、剪刃行程81.40 %時連接件已完全斷開。

圖4 模擬連接件剪斷過程（記時單位：毫秒）

圖5 分離過程分析

不同于位移測定結(jié)果的高精確性和可重復性，剪切過程中對連接件受力的直接測量結(jié)果無法準確反應沖擊力隨時間變化情況，且單次測試中所得沖擊力最大值相較于多次重復測試的平均值的浮動可接近10%。為了對分離過程進行進一步詳細分析，本工作多次測試并記錄了連接件受力的最大值，通過高斯分布（Gaussian distribution）利用概率值推斷沖擊力的分布參數(shù)，再根據(jù)所得均數(shù)和剪切過程中的加速度變化情況反推出分離過程中沖擊力的實時變化情況，計算過程和結(jié)果分別示于圖6(a)和(b)。隨圖附表中x為根據(jù)高斯方程擬合所得的位置參數(shù)，即最大沖擊力的均數(shù)；為尺度參數(shù)。根據(jù)該結(jié)果，剪刃行程和速率的急劇增大是沖擊力增高的主要原因，由壓縮氣體做功、預緊力釋放等原因產(chǎn)生的能量隨剪斷進程釋放，導致連接件橫向受力的增加。

圖6 連接件受力情況

根據(jù)經(jīng)驗，在已知剪切件尺寸、材料等條件時，剪切機所施加的最大剪力可通過如下公式計算得出[9]：max=maxmax，式中max為被剪連接件的最大原始斷面面積，通過圓形面積公式確定；max為被剪連接件在剪切溫度下的單位剪切阻力（根據(jù)鋼種依照圖表確定）；為考慮磨損、間隙增大等使剪切力提高的系數(shù)，對本工作所制分離裝置所屬的小型剪切機取=1.3。連接件強度極限、公稱剪切能力、行程總機械能（根據(jù)剪切力和行程估算）及功率等表征分離裝置能力的主要指標通過計算得出并列于表中，如表1所示。

表1 分離裝置能力

本工作所制分離裝置以壓縮氣體為能量來源，所用鋼制氣瓶體積約3000 cm3。根據(jù)表1中對剪切過程的能量和功率估算，分離過程輸出能量密度約0.18 J/cm3、功率密度不足1 W/cm3；即使以低至30 %的能量轉(zhuǎn)換效率反推，該儲能裝置也僅有約0.6 J/cm3的能量密度和3.3 W/cm3的功率密度，這一數(shù)據(jù)不僅遠低于市售電池、電容器等電能存儲裝置，也低于工業(yè)常用的高壓氣瓶。即使在儲能裝置性能較差的情況下，該樣機仍以主要工作部分約10 kg的重量實現(xiàn)了較高的承載能力和快響應、低沖擊的分離，驗證了設計方案的可行性。連接件在分離動作執(zhí)行前被加熱至高溫的舉措有效降低了測試時剪力和裝置的工作功率、在一定程度上起到了降沖擊的作用，但同時導致了總能耗極大程度的增加（約40 kJ），即需要更大、更重的儲能裝置。無論采用何種材料制備連接件，加熱所需能耗均與升溫幅度成正比，斜率與材料的密度和比熱容直接相關(guān)；據(jù)此推斷，額外設置加熱裝置的方案適用于高抗拉、低密度、低比熱的連接材料，此外還應注意充分利用部分材料在特定溫度區(qū)間的性質(zhì)突變（即相變）。即使在不降低裝置性能的前提下舍棄加熱方案，所需公稱剪切能力177.9 kN、平均功率約22 kW、總能耗僅不足4 kJ，仍屬于小型剪切機范疇，在現(xiàn)有基礎上開展改進工作的可行性仍較高。

如前所述，本工作中非火工分離裝置的原理樣機測試所用模擬連接件為均質(zhì)，僅以圓柱形棒材和圓弧外緣剪刃完成參數(shù)測試工作。在儲能和驅(qū)動原理不變的前提下，對連接件進行各向異性設計可進一步降低分離過程所需的剪切力和功率，以達到更高程度的小型化和輕量化。具體的方法包括采用抗拉性能突出的材料（如纖維增強合金），通過合理的處理工藝達到取向強化效果，同時借鑒廣泛應用的斜刃剪、滾切剪、鋸切等軋鋼機械的設計思路，通過合理調(diào)節(jié)參數(shù)以達到良好的剪切效果。如果以廣泛應用的冷軋板為基礎材料制備連接件，估計其抗拉強度可得到約20 ～ 50 %的提升，同時保證剪切抗力的增加幅度低于抗拉強度；采用纖維增強復合材料也可取得相近的效果。在與上述連接件匹配的剪刃設計中，斜刃剪是最為簡單易行的方案之一。如圖8所示，鋼鐵工業(yè)廣泛應用的斜刃剪切機傾角通常不超過15°，而本工作所涉分離任務不必考慮鋼板的質(zhì)量問題，可采取較大的剪切角、甚至通過采用弧形剪刃以改變剪切行程，以改善圖6(b)中剪切最后階段沖擊力顯著增高的情況。

圖7 各向異性連接件的剪刃匹配設計示例a)線型剪刃；b)弧形剪刃

進一步地，為追求更高程度的輕量化和小型化，突破由氣體勢能轉(zhuǎn)化提供分離所需機械能量方式能量密度、功率密度和效率極限，需對高功率機械裝置設計技術(shù)和高性能儲能裝置的集成技術(shù)開展攻關(guān)。在各種形式的能量中，電能存儲技術(shù)和裝置相對成熟，根據(jù)能量形式的不同分為電池、介質(zhì)電容器、超級電容器三類，如圖6所示。根據(jù)應用從其中需求選擇恰當?shù)难b置，以受控的方式（即適于目標裝置的能量密度和功率密度范圍，如圖7所示）釋放所存儲的能量，完全滿足分離裝置的設計需求。在現(xiàn)階段航天分離裝置設計工作中，對電能利用的主要限制在于缺乏以電能為源提供高功率、快響應機械能量的小型直線電機。短期內(nèi)，將電力儲能應用于以直接剪切為原理的分離裝置需借助飛輪等輔助機械儲能裝置或?qū)憫獣r間要求做一定程度妥協(xié)；長期來看，針對新型電機開展專項研發(fā)工作是高能電驅(qū)裝置取得突破性進展的必要條件。

圖8 電能儲存裝置 a)超級電容器；b)介質(zhì)電容器；c)電池

圖9 各類電能存儲裝置功率密度與能量密度概況

3 結(jié)論

本文所述為一種以剪斷連接件為基本原理的新型非火工分離裝置原理樣機的裝配，在采用低成本材料和部件的前提下以總重約10kg的主要工作部件（包括氣瓶和氣動剪刃）完成了22mm均質(zhì)連接棒材的剪斷，承載能力達到10T、解鎖沖擊約500g、分離時間不超過176ms，實現(xiàn)了高承載、低沖擊、快響應的分離過程。通過對新型非火工分離裝置的裝配過程和性能參數(shù)進行分析，本文建立了以能量存儲和轉(zhuǎn)換為核心的裝置設計和評價方法，提出了在航天分離裝置發(fā)展的中“提供高功率機械能輸出能力”和“對連接材料或組件進行各向異性設計能力”兩個關(guān)鍵要素，并指出了非火工分離裝置發(fā)展方向。

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Design and Performance Evaluation of Non-Pyrotechnic Separation Mechanism for Spacecraft

ZHANG Dong REN Dong-hong ZHANG Deng-yu ZHANG Zhi-feng WU Hui-qiang

(Beijing Institute of Aerospace System Engineering, Beijing, 100076, China)

In the aerospace field, the mechanisms that perform separation tasks can be divided into two categories,the pyrotechnics and non-pyrotechnics,according to triggering method. among them,the non-pyrotechnic separation mechanisms are the future trends in aerospace separation design, due to their characteristics of controllability ,low impact ,repeatable testing and using,etc, in this paper, a new type of non-fire separation mechanism principle protype was introduced, and details the working principle of the mechanism, and systematically characterizes and analyzes its main performance.

Separation mechanism; Non-pyrotechnic;Spacecraft;Separation design

V417+.4

A

1006-3919(2022)03-0014-06

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2022.03.003

2021-08-13；

2022-5-18

科技部國家重點研發(fā)計劃（2021YFB3801700）;重點實驗室基金（6142911180512）

張東（1983—），男，碩士，高級工程師，研究方向：運載火箭結(jié)構(gòu)設計；（100076）北京9200信箱10分箱13號.