火工裝置輕量化小型化研究

唐 杰，王金童，雷 雨，張 醒，張修科

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火工裝置輕量化小型化研究

唐 杰，王金童，雷 雨，張 醒，張修科

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海，201109）

為滿足航天器輕量化對(duì)火工裝置的需求，對(duì)火工裝置輕量化小型化開展研究，重點(diǎn)探討火工裝置輕量化小型化原則、輕量化小型化途徑以及實(shí)施輕量化小型化研制工作的基本流程。以某切割器為例，開展輕量化小型化研制，并進(jìn)行極限功能裕度和極限強(qiáng)度裕度試驗(yàn)。結(jié)果表明，優(yōu)化后的切割器重量和體積均減小50%，并且滿足功能要求。

火工裝置；航天；輕量化；小型化

近年來隨著我國航天領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，航天型號(hào)產(chǎn)品往深空探測(cè)、綜合探測(cè)、多星組網(wǎng)以及微小航天器方向發(fā)展，航天器輕量化要求不斷提高，對(duì)輕小型火工裝置的需求也不斷增加。本文針對(duì)目前輕量化小型化火工裝置的需求，重點(diǎn)探討火工裝置輕量化原則、輕量化小型化途徑以及實(shí)施輕量化小型化研制工作的基本流程，并討論輕量化小型化火工產(chǎn)品的發(fā)展方向。

1 輕量化小型化基本原則

1.1 功能、性能要求

火工裝置輕量化小型化研制的首要條件是保證需求的功能和性能完全滿足總體指標(biāo)要求，以犧牲產(chǎn)品功能和性能為代價(jià)的輕量化研制工作意義不大。如以成熟火工裝置為基線產(chǎn)品開展研制的，則需保證其功能和性能不低于原有基線產(chǎn)品的要求。

1.2 可靠性、環(huán)境適應(yīng)性

火工裝置應(yīng)用環(huán)節(jié)一般為單點(diǎn)失效環(huán)節(jié)，對(duì)可靠性要求較高。輕量化小型化研制工作的另一基本原則為確?；鸸ぱb置高可靠的特性，同時(shí)為了保證產(chǎn)品的生命力和適用范圍，特別是應(yīng)用于深空探測(cè)領(lǐng)域，輕量化火工裝置應(yīng)能具備較寬的環(huán)境適應(yīng)性[1]。

1.3 量化功能裕度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度裕度

火工裝置的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是確定功能裕度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度裕度，通過計(jì)算和試驗(yàn)的方法量化確定火工裝置在極限環(huán)境條件下的功能裕度和強(qiáng)度裕度是開展輕量化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。功能裕度保證產(chǎn)品正常工作的可靠性，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度裕度保證產(chǎn)品強(qiáng)度可靠性，根據(jù)量化的產(chǎn)品裕度，才能對(duì)火工裝置核心參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定合理的參數(shù)[2]。

1.4 繼承性設(shè)計(jì)

成熟定型火工裝置的各類試驗(yàn)驗(yàn)證較為充分，試驗(yàn)子樣較多。為了加快火工裝置輕量化小型化的研制進(jìn)度，提高研制工作效率，在火工品的核心模塊中應(yīng)注重對(duì)成熟定型產(chǎn)品的繼承性設(shè)計(jì)，這樣既能有效規(guī)避研制風(fēng)險(xiǎn)，又能繼承成熟產(chǎn)品子樣數(shù)和各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，提高產(chǎn)品可靠度，降低研制成本。

2 輕量化小型化基本途徑

輕量化小型化的途徑主要有如下4個(gè)方面：基本參數(shù)精確化、核心參數(shù)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)集成化、整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.1 基本參數(shù)精確化

基本參數(shù)是指火工裝置設(shè)計(jì)所依據(jù)的最基本的材料屈服極限、延伸率等力學(xué)物理性能，以及藥劑成分、發(fā)火能量、爆壓等性能參數(shù)。以往火工裝置設(shè)計(jì)時(shí)，上述性能和參數(shù)等均參考相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)。這樣做雖然在工程實(shí)施上較為便利，且易于質(zhì)量控制，但由于標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)為了滿足較寬的適用面，各個(gè)參數(shù)取值也相對(duì)保守。可以通過多子樣的試驗(yàn)和測(cè)量，得到實(shí)際使用材料的力學(xué)性能、藥劑的發(fā)火能量等參數(shù)的精確值，開展精確設(shè)計(jì)。

2.2 核心參數(shù)優(yōu)化

火工裝置工作核心參數(shù)主要有裝藥量、藥劑組分、作動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)、初始容積、傳爆距離等，核心參數(shù)直接決定了火工裝置的工作壓力、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)長度、材料厚度等參數(shù)，而這些參數(shù)直接決定產(chǎn)品體積和重量。同時(shí)，火工裝置設(shè)計(jì)時(shí)核心參數(shù)直接關(guān)聯(lián)產(chǎn)品功能裕度和強(qiáng)度裕度。核心參數(shù)優(yōu)化就是優(yōu)化作動(dòng)結(jié)構(gòu)，確定合理的功能裕度和強(qiáng)度裕度，據(jù)此開展確定外圍參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，即保證在可靠性基礎(chǔ)上控制強(qiáng)度裕度[3]。

2.3 結(jié)構(gòu)集成化

火工裝置設(shè)計(jì)時(shí)為了加工和裝配方便，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多采用分體式結(jié)構(gòu)。為了控制起爆后的反壓對(duì)點(diǎn)火部分封接體的影響，內(nèi)部火工部分設(shè)計(jì)一般采用分級(jí)傳爆的形式，起爆器與主裝藥體分開，中間設(shè)計(jì)傳爆環(huán)節(jié)。上述設(shè)計(jì)解決了原有生產(chǎn)工藝的瓶頸問題，但客觀上增加了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)重量。近年來隨著加工水平的提高，耐高壓起爆器以及起爆和裝藥一體化的火工部組件的研制成功，使得較高壓力條件下工作的火工裝置采用集成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為可能。主要集成分為兩個(gè)方面：一方面是器件集成，火工部分起爆與裝藥結(jié)構(gòu)的集成，極大地減小結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)構(gòu)更為緊湊，降低結(jié)構(gòu)重量；另一方面是結(jié)構(gòu)的集成，盡量合并零組件，減少不必要的連接和組裝環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)[4]。

2.4 整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

火工裝置的產(chǎn)品重量主要是結(jié)構(gòu)體部分，結(jié)構(gòu)體重量的優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)輕量化最為直觀的實(shí)現(xiàn)途徑。該途徑主要針對(duì)原火工品研制過程對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度裕度評(píng)估不夠細(xì)致，在應(yīng)力水平較低的位置沒有開展優(yōu)化工作，提高整體效率。主要工作措施是：識(shí)別各種載荷工況，分析結(jié)構(gòu)件的整體應(yīng)力水平，根據(jù)強(qiáng)度和剛度要求，優(yōu)化結(jié)構(gòu)件的細(xì)節(jié)尺寸，提高設(shè)計(jì)的精細(xì)度，以此進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)[5]。

3 輕量化小型化研制基本流程

火工裝置輕量化小型化研制基本流程應(yīng)貫徹輕量化小型化的原則和途徑的要求，同時(shí)滿足一般產(chǎn)品研制流程的基本要求，用于指導(dǎo)輕量化火工裝置的研制工作。具體流程如圖1所示。

圖1 輕量化小型化火工裝置研制基本流程

4 火工裝置輕量化小型化研制實(shí)例

4.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

某成熟型號(hào)切割器已廣泛應(yīng)用在多個(gè)型號(hào)太陽電池陣壓緊和約束釋放機(jī)構(gòu)上，包含地面可靠性試驗(yàn)共起爆了2 000多發(fā)，其中上天飛行試驗(yàn)300多發(fā)，均取得成功。經(jīng)可靠性試驗(yàn)，其可靠度達(dá)到0.999 994（置信度0.95）。但該切割器質(zhì)量較重（205g），因此以該成熟型號(hào)切割器為基線產(chǎn)品開展輕量化小型化切割器研制，在滿足極限功能裕度（60%裝藥量低溫條件下發(fā)火能可靠切斷直徑Ф3.5mm的鈦桿）和極限強(qiáng)度裕度（在120%裝藥量高溫條件下發(fā)火殼體完好）的前提下，實(shí)現(xiàn)重量由205g減小至不大于100g的目標(biāo)[6]。

4.2 輕量化小型化設(shè)計(jì)

小型切割器是在成熟產(chǎn)品基礎(chǔ)上開展輕量化小型化設(shè)計(jì)，為充分繼承基線切割器的設(shè)計(jì)狀態(tài)，設(shè)計(jì)遵循以下設(shè)計(jì)原則：不改變切刀行程以及切刀、鈦桿、刀砧切割處狀態(tài)；不降低切割器殼體內(nèi)壓承載裕度；不改變切刀、刀砧、本體等零部件材料；小型切割器需滿足極限環(huán)境條件下能可靠工作的要求。

在以上4個(gè)原則下，結(jié)合切割器實(shí)際情況，除基本參數(shù)精確化由于研制進(jìn)度而未開展外，主要從核心參數(shù)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)集成化、整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化3個(gè)方面開展輕量化小型化設(shè)計(jì)。

4.2.1 核心參數(shù)優(yōu)化

基線切割器雷管主裝藥是太安，其熔點(diǎn)為142℃。根據(jù)歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)，太安在高溫120℃情況下已開始分解，導(dǎo)致雷管輸出能量不足，影響切割性能。針對(duì)基線切割器切割性能裕度較大、高溫環(huán)境適應(yīng)性較差等特點(diǎn)，在不影響切割性能的前提下選用黑索今作為雷管主裝藥，黑索今熔點(diǎn)為203℃，能有效地提高切割器的高溫環(huán)境適應(yīng)性，并且減少藥量，性能對(duì)比見表1。

4.2.2 結(jié)構(gòu)集成化

基線切割器起爆器接頭與本體采用螺接的方式連接，此次小型切割器設(shè)計(jì)中，將起爆器接頭與殼體設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)殼體一體化設(shè)計(jì)，有效避免螺紋連接處強(qiáng)度的削弱，減少產(chǎn)品零件，省去安裝連接環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)減重，見圖2。

表1 太安與黑索今性能對(duì)比

Tab.1 Performance of PETN and RDX

圖2 外形對(duì)比示意圖

Fig.2 Outline comparison diagram before and after integration

4.2.3 整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)基線切割器雷管質(zhì)量較大的特點(diǎn)，在不影響切割性能的前提下縮小雷管體積。雷管結(jié)構(gòu)形式采用火焰雷管的成熟結(jié)構(gòu)，與基線切割器雷管結(jié)構(gòu)基本一致、裝藥序列一致，然而雷管體積大幅減小，直徑由Φ7.1mm減小至Φ5.1mm，減小28%。由于雷管體積縮小，殼體內(nèi)腔、切刀、刀砧的直徑相應(yīng)減小。同時(shí)，切刀、刀砧以及螺塞長度也進(jìn)行了減小，殼體長度相應(yīng)做出調(diào)整，由原125mm縮短為90mm，減小28%。

根據(jù)產(chǎn)品受力分析，切割器主爆轟區(qū)結(jié)構(gòu)需承受最大爆破壓力。要滿足強(qiáng)度要求，需采用較厚的鋁合金材料，需要增加殼體重量。為了實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，經(jīng)優(yōu)化分析，在雷管工作區(qū)，采用剛度較好的鋼材，雷管工作后，能起到較好的約束作用，增強(qiáng)殼體強(qiáng)度。經(jīng)強(qiáng)度分析，主爆轟區(qū)強(qiáng)度剩余系數(shù)1.2，非主爆轟區(qū)強(qiáng)度剩余系數(shù)1.1。

經(jīng)過上述優(yōu)化設(shè)計(jì)，小型切割器設(shè)計(jì)重量低至約96g，外形尺寸減為約25mm×50mm×90mm，相比基線切割器205g的重量和28mm×62mm×125mm的外形尺寸有較大幅度的下降，實(shí)現(xiàn)了輕量化小型化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

切割器輕量化前后對(duì)比見圖3。對(duì)優(yōu)化后的小型切割器進(jìn)行了摸底試驗(yàn)，包括小藥量（60%）低溫發(fā)火試驗(yàn)、大藥量（120%）高溫發(fā)火試驗(yàn)等，考核產(chǎn)品功能性能，發(fā)火試驗(yàn)如圖4所示，試驗(yàn)情況見表2，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 摸底試驗(yàn)情況

Tab.2 Dignostic test

圖3 切割器輕量化前后對(duì)比

圖4 發(fā)火試驗(yàn)

Fig.4 Firing test

從表2試驗(yàn)情況可知：60%小藥量、低溫環(huán)境下，切割器能有效切斷鈦桿；120%大藥量、高溫環(huán)境下切割器殼體未見結(jié)構(gòu)破壞，證明設(shè)計(jì)裝藥量合理可行；切割器工作后殼體未見明顯變形，切割器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。因此，小型切割器滿足極限功能裕度（60%裝藥量低溫條件下發(fā)火可靠切斷鈦桿）和極限強(qiáng)度裕度（在120%裝藥量高溫條件下發(fā)火殼體完好）要求。產(chǎn)品滿足功能性能要求，實(shí)現(xiàn)了輕量化小型化設(shè)計(jì)。

4.4 狀態(tài)確定

小型切割器通過上述驗(yàn)證試驗(yàn)后，開展了鑒定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。并通過可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)，其可靠度為0.999 994（置信度0.9），與基線切割器一致，因此小型切割器設(shè)計(jì)狀態(tài)確定[7]。

4.5 小結(jié)

針對(duì)基線切割器體積較大、質(zhì)量較重等不足，開展輕量化小型化設(shè)計(jì)，在不降低其可靠度（0.999 994（置信度0.95））的前提下，切割器的重量和體積均下降50%，實(shí)現(xiàn)了火工裝置輕量化小型化的目標(biāo)。

5 結(jié)語

火工裝置輕量化小型化的發(fā)展，需要新材料、先進(jìn)仿真分析、新型火工集成及其它先進(jìn)小型化火工新技術(shù)的支撐，上述新技術(shù)也推動(dòng)火工裝置革命性的發(fā)展。目前國內(nèi)火工裝置研制過程中對(duì)新材料、先進(jìn)仿真分析以及新型火工基礎(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用還處于起步階段，火工裝置輕量化研究的基礎(chǔ)支撐技術(shù)還有待進(jìn)一步深入研究，新技術(shù)在火工裝置輕量化小型化中的應(yīng)用研究同樣需要得到關(guān)注。

本文針對(duì)火工裝置輕量化小型化的研制需求，開展了一些探索性的工作，提出了航天火工裝置輕量化小型化的研究思路和建議，希望能夠?qū)鸸ぱb置輕量化小型化發(fā)展產(chǎn)生有益影響。

[1] 張醒,等.空間使用環(huán)境對(duì)火工裝置性能的影響[J].火工品,2013(5):1-4.

[2] 王凱民,溫玉全,編著.軍用火工品設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[3] 劉竹生,王小軍,朱學(xué)昌,等.編著.航天火工裝置[M].北京:中國宇航出版社,2012.

[4] 夏建才.火工品制造[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2009.

[5] 導(dǎo)彈強(qiáng)度計(jì)算手冊(cè)[M].北京:國防工業(yè)出版社，1978.

[6] GJB 1307A-2004航天火工裝置通用規(guī)范[S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),2004.

[7] GJB 376-1987 火工品可靠性評(píng)估方法[S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),1987.

Study on Lightweight and Miniaturization of Initiating Explosive Device

TANG Jie，WANG Jin-tong，LEI Yu，ZHANG Xing，ZHANG Xiu-ke

(Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai，201109)

To meet with the lightweight and miniaturization requirement for initiating explosive device in spacecraft, the principles, methods and implementation of lightweight and miniaturization were put forward. Take some cutter as an example, the design of lightweight and miniaturization was carried out, and the tests of limit function margin and limit strength margin have been done. The results showed that the mass and volume of cutter was decreased about 50% after improvement, and the function of cutter can meet with the requirements.

Initiating explosive device；Aerospace；Lightweight；Miniaturization

1003-1480（2016）05-0017-04

TJ450.2

A

2016-09-17

唐杰(1980-)，男，高級(jí)工程師，主要從事箭體結(jié)構(gòu)和星箭連接解鎖機(jī)構(gòu)方向研究。