爆燃動力裝置動作同步性研究

樊成飛，王耀華，王 強，陳志富，熊 偉

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京，210007）

爆燃動力裝置是應(yīng)用于國產(chǎn)某支線客機應(yīng)急逃生保障系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在國內(nèi)外屬首次將精確爆破技術(shù)應(yīng)用于民用航空救生領(lǐng)域[1]。爆燃動力裝置的主要作用是在飛機飛行過程中遇緊急情況、機組人員須棄機離機時，4組爆燃動力裝置協(xié)調(diào)配合，克服飛機飛行過程中作用于服務(wù)艙門上的氣動阻力，將服務(wù)艙門向機艙內(nèi)平行推移一定的距離，為機組人員提供無障礙通道。由于服務(wù)艙門向機艙內(nèi)運動過程中的飛行姿態(tài)和運動軌跡須嚴格控制，以保證服務(wù)艙門運動至適當?shù)木嚯x和位置，同時防止對機組人員造成傷害，故爆燃動力裝置的動作同步精度也要求較高。為此，對爆燃動力裝置的動作同步性開展研究。

1 爆燃動力裝置工作原理與結(jié)構(gòu)

爆燃動力裝置推門示意圖如圖1所示，爆燃動力裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 爆燃動力裝置推門示意圖Fig.1 The working principle of the detonation powerplant pushing door

圖2 爆燃動力裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The physical sketch of the detonation powerplant

2 爆燃動力裝置動作同步精度需求分析

由于飛機自身結(jié)構(gòu)特點，爆燃動力裝置只能安裝于飛機服務(wù)艙門與機艙門框間狹小的空間內(nèi)，其安裝位置和安裝空間受到嚴格限制，4組爆燃動力裝置的安裝位置及服務(wù)艙門受力點如圖3所示。

圖3 爆燃動力裝置安裝布局圖及艙門受力點分布圖Fig.3 The layout of detonation powerplant and stress points

根據(jù)飛機應(yīng)急逃生保障系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)指標，服務(wù)艙門運動過程中不得發(fā)生大于10°的偏轉(zhuǎn)，其運動距離為1 500mm，誤差小于10%。為此，依據(jù)服務(wù)艙門的結(jié)構(gòu)特征、受力狀況，開展飛機服務(wù)艙門運動學(xué)仿真，分析計算爆燃動力裝置最小動作同步精度。

設(shè)服務(wù)艙門 4個作用點所受作用力最大誤差△F，不同步作用時間最大誤差△t。當服務(wù)艙門4個作用點在同一時刻受到大小相同的作用力時，服務(wù)艙門沿艙門表面法線方向做平移運動，不發(fā)生任何偏轉(zhuǎn)。但實際情況中，由于各組爆燃動力裝置的動作同步性誤差及做功能力誤差，服務(wù)艙門4個作用點的作用力大小存在一定的誤差，且非同時受力。根據(jù)爆燃動力裝置做功能力考核試驗及內(nèi)彈道分析結(jié)果可知，4個作用點的作用力大小存在最大5%的誤差。

當受力點1、3（或2、4）在t時刻受到F大小的作用力，受力點2、4（或1、3）在t+△t時刻受到F+△F大小的作用力情況下，服務(wù)艙門發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角度最大，最大偏轉(zhuǎn)角為θ。依據(jù)ADAMS運動學(xué)仿真結(jié)果[2]，不同步作用時間△t與服務(wù)艙門最大偏轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同步時間Δt與艙門最大偏轉(zhuǎn)角θ關(guān)系曲線Fig.4 The curve between unsynchronized time and the maximum deflection angle

由圖4可知，當爆燃動力裝置動作同步誤差小于300μs時，服務(wù)艙門發(fā)生小于 10°的偏轉(zhuǎn)，其飛行姿態(tài)及運動軌跡符合飛機應(yīng)急逃生保障系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)指標。

3 爆燃動力裝置動作同步精度影響因素分析

爆燃動力裝置的起爆過程為：當電點火器接收到脈沖電流信號時，電點火器發(fā)火并點燃藥筒中的火藥，火藥燃燒生成的高溫高壓燃氣推動藥筒、滑筒運動對外做功。其中脈沖電流為爆燃動力裝置的輸入信號，藥筒、滑筒位移為輸出信號。爆燃動力裝置起爆信號流圖如圖5所示。

4組爆燃動力裝置的輸入信號由同一起爆電路發(fā)出，4組爆燃動力裝置同時接收輸入信號。各電點火器接收到輸入信號后，經(jīng)點火延遲時間△t1后發(fā)火，噴射的高溫高壓火焰?zhèn)鞑ブ了幫不鹚幈砻?；火藥?jīng)延遲時間△t2后完全燃燒；最后火藥在燃燒速度v下，經(jīng)時間△t3后，全部燃燒完畢。

設(shè)各組爆燃動力裝置加工精度、裝配精度及配合間隙均達到理想狀況。由爆燃動力裝置起爆信號流圖及爆燃過程分析可知，影響爆燃動力裝置動作同步精度的影響因素有：（1）△t1與電點火器的點火性能密切相關(guān)。同一型號的電點火器，其點火延遲時間存在程度不同的誤差。（2）△t2與電點火器火焰射流所攜帶的能量及火藥自身性能有關(guān)。同一型號的不同電點火器火焰射流所攜帶的能量存在不同程度的差別，同時，火藥的點燃性能隨其密度和使用環(huán)境條件等的變化而發(fā)生不同程度的變化。（3）△t3與裝藥密度及藥量密切相關(guān)。火藥壓藥工藝（包括壓藥壓力、壓藥速率、保壓時間等因素）對裝藥密度及裝藥量有顯著影響。

設(shè)Δ為爆燃動力裝置動作不同步誤差，則有：

式（1）中：1Δ、2Δ、3Δ分別為由△t1、△t2、△t3引起的不同步誤差。

4 動作同步性能優(yōu)化技術(shù)

針對影響爆燃動力裝置動作同步精度的影響因素，提出相應(yīng)的改進措施：（1）研制適用于航空領(lǐng)域的高精度電點火器，降低電點火器不同步誤差；（2）改進火藥壓藥工藝，提高裝藥密度均勻一致性；（3）改善火藥安定性，減少由于飛行環(huán)境的多變而造成的火藥變性、失效及火藥反應(yīng)延遲時間誤差。

4.1 提高點火精度

由于飛機飛行過程中可能遇到雷擊、電磁干擾、高頻振動、高低溫環(huán)境沖擊，同時為確保爆燃動力裝置的動作同步性，電點火器作為爆燃動力裝置的觸發(fā)元件，除需具有高精度特性外，還需具有鈍感、可靠、安全等特點。

半導(dǎo)體橋火工品是采用半導(dǎo)體元件、集成電路技術(shù)與火工藥劑一體的新一代火工品，具有瞬發(fā)性高、可靠性高、安全性高、精度高等優(yōu)點。半導(dǎo)體橋火工品利用半導(dǎo)體橋做發(fā)火元件，當半導(dǎo)體橋通以脈沖電流時，半導(dǎo)體橋受熱迅速汽化形成高溫等離子體，高溫等離子體迅速擴散使敏感火藥受熱發(fā)火[3-4]。研制的高精度鈍感電點火器如圖6所示。為確定電點火器的點火同步精度，對其進行點火同步性能考核試驗[5]，試驗裝置如圖7所示。

圖6 電點火器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic of the electric ignitor structure

圖7 電點火器同步性能試驗裝置Fig.7 The electric ignitor synchronization performance test device

壓力傳感器與電點火器相對位置與爆燃動力裝置中藥筒與電點火器的相對位置相同。電容器充電完畢后，打開起爆器開關(guān)，通過電容放電的方式為電點火器中的半導(dǎo)體橋輸入能量，半導(dǎo)體橋迅速汽化生成高溫等離子體，依次點燃起爆藥LTNR、Pb(N3)2、火藥D、火藥C、火藥B、火藥A，不斷增強點火能量。使用數(shù)字存貯示波器記錄電點火器兩端的電壓信號，即脈沖電流輸入信號；應(yīng)用光電二極管采集電點火器發(fā)火瞬間產(chǎn)生的光信號，經(jīng)信號調(diào)解器傳遞至數(shù)字存貯示波器；同時，應(yīng)用壓電式壓力傳感器記錄電點火器發(fā)火引起的密閉室氣壓變化，經(jīng)電荷放大器傳遞至數(shù)字存貯示波器。因此，從數(shù)字存貯示波器接收到電壓信號，到光電二極管接收到光信號的時間間隔為電點火器發(fā)火延遲時間從光電二極管接收到光信號到壓電式壓力傳感器接收到壓力信號的時間間隔為電點火器火焰?zhèn)鞑r間從數(shù)字存貯示波器接收到電壓信號到壓電式壓力傳感器接收到壓力信號的時間間隔為電點火器點火延遲時間1tΔ，則：

示波器曲線如圖8所示，圖8中A為電點火器作用時的光信號；B為電點火器兩端的電壓信號；C為電點火器產(chǎn)生的燃氣氣壓,。

圖8 示波器曲線Fig. 8 The oscilloscope trace

應(yīng)用高速攝影儀記錄電點火器發(fā)火過程，如圖9所示，表明電點火器點火延遲時間小于166μs。多組電點火器點火性能考核試驗數(shù)據(jù)如表1所示。高速攝影結(jié)果與電點火器同步性能考核試驗所得數(shù)據(jù)基本吻合，證明了電點火器同步性能考核試驗的合理性和試驗數(shù)據(jù)的可靠性。

表1 電點火器同步性能試驗數(shù)據(jù)Tab.1 The electric ignitor synchronization performance test data

表1試驗結(jié)果表明，電點火器的點火延遲時間、點火延遲時間誤差、點火壓力、點火壓力誤差等性能指標符合預(yù)期效果。

圖9 電點火器發(fā)火過程高速攝影結(jié)果Fig. 9 High-speed photography results of electric ignitor

應(yīng)用小樣本法檢驗電點火器的點火可靠性，結(jié)果表明，在置信度不小于95%的前提下，電點火器發(fā)火可靠度大于0.999。

4.2 改進壓藥工藝

火藥裝藥是爆燃動力裝置的核心組成部分，直接影響爆燃動力裝置的輸出性能。壓藥工藝是影響裝藥質(zhì)量的關(guān)鍵因素，有效而精確地控制壓藥壓力、加壓速率、保壓時間是保證火藥密度一致性、燃燒速度穩(wěn)定性的重要工藝手段。

針對壓藥過程中強烈的非線性和緩慢的時變特性，以及傳統(tǒng)控制方法難以滿足壓藥壓力的實時控制要求，采用仿人智能控制技術(shù)，以提高火藥密度均勻一致性及爆燃動力裝置輸出性能的一致性[6-7]。HZY-600A型自動壓藥機與應(yīng)用仿人智能控制技術(shù)的壓藥機裝藥密度對比數(shù)據(jù)如表2所示，由表2可見裝藥密度均勻一致性有了顯著提高。

表2 裝藥密度結(jié)果對比Tab.2 The contrast between different charge density

4.3 改善火藥安定性

客機試飛過程中，飛行環(huán)境復(fù)雜多變，可能使得爆燃動力裝置裝藥因吸濕受腐蝕而造成點燃性降低、燃速衰減、能量減低，甚至失去燃燒性。因此，爆燃動力裝置裝藥除需具有適當?shù)母卸群屯?、足夠的安全性外，還需具有極好的安定性。

某型耐水高能點火藥具有良好的防潮防水性能，且火焰感度高、燃燒輸出猛烈、點火能力強。爆燃動力裝置藥筒內(nèi)火藥采用某型耐水藥和主裝藥相結(jié)合的裝藥方式，既提高了主裝藥的燃燒敏感度，又防止主裝藥因受潮而變質(zhì)、失效，提高了火藥的安定性，保證了爆燃動力裝置起爆的可靠性。依次對某型耐水藥開展吸潮試驗、浸水試驗、鹽霧試驗、高低溫低氣壓試驗，應(yīng)用電點火器對某型耐水藥進行點火可靠性試驗。試驗證明，某型耐水藥點火可靠性指標，滿足飛機國際適航標準要求。

5 爆燃動力裝置動作同步性試驗驗證

為考核多組爆燃動力裝置的動作同步性，檢驗服務(wù)艙門被多組爆燃動力裝置作用后的飛行姿態(tài)和運動軌跡，需開展爆燃動力裝置動作同步性試驗驗證。

以模擬艙門飛行過程中的偏轉(zhuǎn)角度和艙門飛行距離為驗證指標，開展服務(wù)艙門推門模擬試驗。服務(wù)艙門推門模擬試驗原理框圖如圖10所示，包括密閉艙、模擬艙門、模擬門框、調(diào)壓裝置、壓力測試儀、試驗觀測設(shè)備等。模擬門框、模擬艙門與飛機原型艙門、門框結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，不影響艙門的飛行姿態(tài)和運動軌跡。

圖10 推門模擬試驗原理框圖Fig.10 Diagram of the simulating pushing airliner door experimental

密閉艙、模擬艙門、模擬門框組成密封性能良好的密封室，利用調(diào)壓裝置和壓力測試儀調(diào)整密閉艙內(nèi)的氣壓值，以使艙門所受到的內(nèi)外壓差與飛機實際飛行過程中機艙內(nèi)外所受壓差相等。爆燃動力裝置安裝于模擬門框與服務(wù)艙門之間的適當位置，起爆爆燃動力裝置后，高速攝影儀等觀測儀一起記錄了模擬艙門的飛行姿態(tài)和運動軌跡。如圖11所示。

圖11 爆燃動力裝置推門模擬試驗Fig.11 The simulating pushing airliner door experiment

反復(fù)多次推門模擬試驗表明，模擬艙門飛行過程中的偏轉(zhuǎn)角均小于8.3°，符合設(shè)計要求。

6 結(jié)論

（1）通過服務(wù)艙門運動學(xué)仿真，確定了爆燃動力裝置最小動作同步精度；（2）電點火器點火延遲時間、裝藥密度均勻一致性、火藥反應(yīng)延時誤差是影響爆燃動力裝置動作同步精度的主要影響因素；（3）研制的半導(dǎo)體橋電點火器點火可靠，點火精度滿足爆燃動力裝置最小動作同步精度的要求；（4）應(yīng)用仿人智能控制技術(shù)改進了壓藥工藝，提高了火藥藥劑質(zhì)量，保證了爆燃動力裝置火藥裝藥密度的均勻一致性；（5）采用新型耐水藥提高了爆燃動力裝置火藥的安定性，有利于爆燃動力裝置動作同步精度的提高；（6）爆燃動力裝置推門模擬試驗證明，爆燃動力裝置動作同步精度符合某國產(chǎn)支線客機應(yīng)急逃生保障系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)指標。

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