線式分離裝置產(chǎn)品化研究和實(shí)踐

/北京宇航系統(tǒng)工程研究所

航天運(yùn)載器火工分離裝置分離解鎖過程的成敗直接關(guān)系到航天運(yùn)載器飛行任務(wù)的成敗,因而一直倍受重視?；鸸し蛛x裝置解鎖分離方法主要有點(diǎn)式分離和線式分離2種。相比點(diǎn)式分離裝置,線式分離裝置具有起爆裝置數(shù)量少、電源消耗低、可靠性高、分離同步性好、分離面密封性高、連接面結(jié)構(gòu)剛度連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)。

由于線式分離裝置具有點(diǎn)式分離裝置不可比擬的優(yōu)勢,近10多年來在北京宇航系統(tǒng)工程研究所之類的設(shè)計(jì)單位應(yīng)用的越來越多,其分離材料繁雜多樣,分離面參數(shù)設(shè)計(jì)也五花八門、大同小異。目前,用于航天運(yùn)載器僅研究所型號(hào)配套的線式分離裝置中的柔性導(dǎo)爆索分離裝置產(chǎn)品已達(dá)24種,對(duì)配套單位的設(shè)計(jì)能力、生產(chǎn)組織能力、質(zhì)量管控能力均提出了新的挑戰(zhàn)。分離裝置結(jié)構(gòu)件和火工品研制工作量大、試驗(yàn)周期長、訂貨批次多、生產(chǎn)數(shù)量大,并且呈逐年增長趨勢。在現(xiàn)在的資源條件下,已無法滿足型號(hào)進(jìn)度需求,產(chǎn)品交付進(jìn)度已經(jīng)成為型號(hào)研制的短板。此外,由于產(chǎn)品眾多,每個(gè)設(shè)計(jì)人員均需要負(fù)責(zé)約2～3種分離裝置的設(shè)計(jì),占用了設(shè)計(jì)人員的大量精力,導(dǎo)致對(duì)新技術(shù)的研發(fā)和投入明顯不足,嚴(yán)重阻礙了型號(hào)研制和技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展。

針對(duì)上述存在的問題,采用產(chǎn)品壓縮、優(yōu)化方式,逐步開展線式分離裝置產(chǎn)品化工作,形式合理優(yōu)化的產(chǎn)品貨架是解決該問題的良好途徑。通過梳理、整合以往的使用品種,選取材料供貨和性能穩(wěn)定、生產(chǎn)和安裝工藝性好、加工效率高、成本相對(duì)低的產(chǎn)品進(jìn)行排列組合。減少了產(chǎn)品狀態(tài)、規(guī)范了設(shè)計(jì)參數(shù)、縮減了研制經(jīng)費(fèi),同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

圖1 線式分離裝置分類示意

一、工作與實(shí)踐

目前常用的線式分離裝置有柔性導(dǎo)爆索分離裝置、聚能切割索分離裝置、膨脹管一凹槽板分離裝置、膨脹管一凹口螺栓分離裝置和氣囊式無污染分離裝置等,如圖1所示。其中膨脹管類分離裝置和氣囊式分離裝置在近幾年來研制和應(yīng)用中使用較多,并且多以借用以往的設(shè)計(jì)參數(shù)為主,因此這2種線式分離裝置的設(shè)計(jì)狀態(tài)一致性好,基本滿足產(chǎn)品化工作要求。而柔性導(dǎo)爆索分離裝置、聚能切割索分離裝置2種裝置應(yīng)用較多,大多都為各型號(hào)新研,設(shè)計(jì)狀態(tài)多而雜。線式分離裝置的產(chǎn)品化工作以柔性導(dǎo)爆索分離裝置、聚能切割索分離裝置為開端,筆者以柔性導(dǎo)爆索為例介紹。

1.研制思路

統(tǒng)計(jì)和梳理現(xiàn)有柔性導(dǎo)爆索分離裝置應(yīng)用情況及設(shè)計(jì)狀態(tài),形成現(xiàn)有產(chǎn)品庫,每個(gè)產(chǎn)品的性能指標(biāo)(見表1)。貨架產(chǎn)品從產(chǎn)品庫中選取,如柔性導(dǎo)爆索分離裝置,從分離環(huán)下手,依次確定柔性導(dǎo)爆索裝藥、保護(hù)罩、傳爆結(jié)構(gòu)組件等結(jié)構(gòu),如圖2所示。這是一條齊全完整的、技術(shù)成熟的柔性導(dǎo)爆索分離裝置產(chǎn)品化路線,其中分離環(huán)單位長度的承載能力有限元預(yù)示典型圖,如圖3、圖4所示,藥量對(duì)應(yīng)的殼體和保護(hù)罩的損傷情況仿真分析,如圖5所示。

2.型譜規(guī)劃

分離環(huán)。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度看,線式分離裝置與點(diǎn)式分離裝置最大不同點(diǎn)為:線式分離裝置與殼體設(shè)計(jì)結(jié)合的非常緊密。以往分離裝置設(shè)計(jì)沒有專門的設(shè)計(jì)部門,其設(shè)計(jì)是由殼段的設(shè)計(jì)人員一并承擔(dān)的,圖樣與殼段圖樣融為一體。

圖2 柔性導(dǎo)爆索分離裝置結(jié)構(gòu)組成

表1 柔性導(dǎo)爆索分離裝置產(chǎn)品清理情況匯總表

圖3 軸拉情況下的Mises等效應(yīng)力分布

圖4 軸壓情況下的Mises等效應(yīng)力分布

圖5 保護(hù)罩和殼體損傷

線式分離裝置的產(chǎn)品化工作也需要針對(duì)產(chǎn)品的不同特點(diǎn)和特性,因材施教、量體裁衣。否則,形成的貨架產(chǎn)品無人選用、束之高閣,產(chǎn)品化工作沒有真正推進(jìn),形同虛設(shè)。針對(duì)該特點(diǎn),柔性導(dǎo)爆索分離裝置分離環(huán)采用貨架產(chǎn)品與貨架設(shè)計(jì)2條腿走路的方式開展產(chǎn)品化工作。貨架產(chǎn)品顧名思義為基本型分離環(huán)產(chǎn)品,供用戶直接選用。貨架設(shè)計(jì)即為基本型分離面設(shè)計(jì),根據(jù)客戶的需求在貨架設(shè)計(jì)庫中選擇滿足要求的設(shè)計(jì)狀態(tài)。通過梳理分析貨架產(chǎn)品和設(shè)計(jì)用戶關(guān)注點(diǎn)及選型要點(diǎn),如圖6、圖7所示。

柔性導(dǎo)爆索。柔性導(dǎo)爆索分離裝置做功火工品為柔性導(dǎo)爆索,柔性導(dǎo)爆索自身已形成貨架產(chǎn)品,根據(jù)分離環(huán)的設(shè)計(jì)狀態(tài)在貨架上選取。需要注意的是,因?yàn)槿嵝詫?dǎo)爆索需要在貨架上選取,因此需要分離環(huán)在貨架規(guī)劃時(shí)必須篩選出與貨架上柔性導(dǎo)爆索匹配的產(chǎn)品,柔性導(dǎo)爆索型譜簡表(見表2)。

保護(hù)罩。保護(hù)罩在柔性導(dǎo)爆索分離裝置爆炸分離過程中保護(hù)艙內(nèi)儀器設(shè)備不受損傷。常用的材料有鋁合金和玻璃鋼復(fù)合材料,狀態(tài)有整環(huán)也有分段。為了兼顧安裝工藝性、加工效率和結(jié)構(gòu)重量,整環(huán)玻璃鋼保護(hù)罩是產(chǎn)品化貨架的主推產(chǎn)品,如考慮到殼段結(jié)構(gòu)安裝尺寸或少量生產(chǎn)要求的情況,也可選擇其他狀態(tài)的保護(hù)罩,型譜簡譜要素,如圖8所示。

圖6 基本型分離環(huán)選型要點(diǎn)

圖7 基本型分離面選型要點(diǎn)

表2 柔性導(dǎo)爆索型譜簡表

傳爆結(jié)構(gòu)組件。傳爆結(jié)構(gòu)組件是柔性導(dǎo)爆索/聚能切割索分離裝置的傳爆結(jié)構(gòu),連接固定起爆裝置和柔性導(dǎo)爆索/聚能切割索,確保起爆裝置能夠可靠起爆柔性導(dǎo)爆索/聚能切割索并保證其能夠可靠傳爆的結(jié)構(gòu)組件。根據(jù)保護(hù)罩的設(shè)計(jì)狀態(tài)從貨架上選擇與之匹配的傳爆結(jié)構(gòu)組件,傳爆結(jié)構(gòu)組件型譜簡表(見表3)。

表3 傳爆結(jié)構(gòu)組件型譜簡表

3.驗(yàn)收方法

以往線式分離裝置驗(yàn)收方法都是采用平板試驗(yàn)件依據(jù)各型號(hào)任務(wù)書的要求進(jìn)行,存在以下2個(gè)方面的問題:

一是平板試驗(yàn)件狀態(tài)與真實(shí)產(chǎn)品有差異。平板試驗(yàn)截面設(shè)計(jì)與真實(shí)產(chǎn)品相同,但產(chǎn)品曲率、裝配狀態(tài)、熱處理方式等都不同。如:平板試驗(yàn)件2個(gè)起爆裝置2根索,為單點(diǎn)起爆,且索在起爆端和平板2個(gè)端面都是自由端;大直徑環(huán)形鑄件和平板鑄件的熱處理實(shí)際操作上也難實(shí)現(xiàn)一致;

二是任務(wù)書中的環(huán)境條件是按照型號(hào)的環(huán)境條件編制的,各型號(hào)驗(yàn)收環(huán)境條件不統(tǒng)一。如某型電起爆器至少有6份有效的制造驗(yàn)收技術(shù)條件,即使是同一批產(chǎn)品,交付不同的型號(hào),就要進(jìn)行多次重復(fù)驗(yàn)收。

這就導(dǎo)致高額的驗(yàn)收成本、管理成本和資源的極大浪費(fèi),更不利于產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)和工藝狀態(tài)固化,影響可靠性提升。因此,需要統(tǒng)一環(huán)境條件,從源頭控制驗(yàn)收試驗(yàn)條件,同一批產(chǎn)品驗(yàn)收后能夠交付不同型號(hào)使用,最大程度上節(jié)約資源,控制成本,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一驗(yàn)收、統(tǒng)一交付的目標(biāo)。同時(shí),統(tǒng)一環(huán)境條件,也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品去型號(hào)化管理的目標(biāo)。

圖8 保護(hù)罩型譜簡譜要素

研究所針對(duì)各個(gè)運(yùn)載器型號(hào)的要求,制定統(tǒng)一的環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn),將各型號(hào)的力學(xué)環(huán)境條件和自然環(huán)境條件進(jìn)行包絡(luò),并結(jié)合線式分離裝置自身研制特點(diǎn)的需要和相關(guān)行業(yè)要求,發(fā)布了火工品系統(tǒng)研制試驗(yàn)要求的廠所級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)主要明確了火工品研制所需要進(jìn)行的各項(xiàng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)、設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)和質(zhì)量一致性檢驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目、數(shù)量、流程、條件和方法,為規(guī)范火工品研制、鑒定和統(tǒng)一驗(yàn)收奠定了基礎(chǔ)。

4.實(shí)踐方案

由于線式分離裝置與殼段結(jié)構(gòu)耦合度好,自身的更改情況復(fù)雜,牽一發(fā)而動(dòng)全身,并且已定型的產(chǎn)品更改流程繁冗,多次飛行可靠性較高,已形成完整而穩(wěn)定的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、驗(yàn)收和交付的程序,導(dǎo)致產(chǎn)品化應(yīng)用的難度較大,必要性也有待商榷。因此。線式分離裝置的產(chǎn)品化主要從新研型號(hào)下手,逐步的、不失時(shí)機(jī)的推廣和應(yīng)用。

二、實(shí)踐效果

柔性導(dǎo)爆索分離裝置經(jīng)過壓縮后,由以往的24種減少至12種,實(shí)現(xiàn)了50%的產(chǎn)品化率,減少了產(chǎn)品狀態(tài),提高了產(chǎn)品質(zhì)量。由于每一種柔性導(dǎo)爆索分離裝置研制和驗(yàn)收都需要數(shù)以百計(jì)的平板試驗(yàn)件和不少于3件1:1試驗(yàn)件,其生產(chǎn)和試驗(yàn)均需要時(shí)間和百萬以上的經(jīng)費(fèi)。而規(guī)范化的狀態(tài)不僅縮短了研制周期,同時(shí)還節(jié)約了大量的研制經(jīng)費(fèi),在不降低可靠性的基礎(chǔ)上,為降低產(chǎn)品成本做出巨大的貢獻(xiàn)。

已形成的柔性導(dǎo)爆索分離裝置優(yōu)選目錄、聚能切割索分離裝置優(yōu)選目錄和傳爆結(jié)構(gòu)組件優(yōu)選目錄可以用于指導(dǎo)型號(hào)分離設(shè)計(jì)選用。以研究所為基礎(chǔ)的自頂向下產(chǎn)品化活動(dòng)正在向研究院各級(jí)單位延伸,以實(shí)現(xiàn)建設(shè)全院線式分離裝置貨架的目標(biāo)。同時(shí),貨架產(chǎn)品將要進(jìn)行統(tǒng)一環(huán)境條件驗(yàn)收試驗(yàn)考核,為后續(xù)型號(hào)選用和產(chǎn)品升級(jí)換代奠定了基礎(chǔ)。

三、后續(xù)思路

線式分離裝置產(chǎn)品化貨架應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)、適時(shí)更新。隨著分離技術(shù)的發(fā)展,更有多品種的線式分離裝置在成熟度較高、應(yīng)用需求較多的情況下納入貨架。此外,針對(duì)線式分離裝置產(chǎn)品化,有以下問題需要進(jìn)一步思考。

1.驗(yàn)收產(chǎn)品狀態(tài)正確性

用于驗(yàn)收試驗(yàn)的線式分離裝置應(yīng)該用什么樣的產(chǎn)品,如果用線式分離裝置真實(shí)結(jié)構(gòu),其尺寸較大,成本高,很多環(huán)境試驗(yàn)無法實(shí)施;如果用平板試驗(yàn)件和縮比試驗(yàn)件,由于裝配狀態(tài)和曲率不同,不能完全反映真實(shí)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能;如果采用柱形試驗(yàn)件,更是沒有驗(yàn)收到結(jié)構(gòu)的分離性能,只能獲得火工品的輸出威力。因此,對(duì)于驗(yàn)收產(chǎn)品的狀態(tài)一直頗有爭議,難以達(dá)成一致。

2.統(tǒng)一環(huán)境條件的合理性

除了驗(yàn)收產(chǎn)品的狀態(tài),還需研究線式分離裝置的驗(yàn)收環(huán)境項(xiàng)目和條件。最理想的情況是設(shè)計(jì)鑒定時(shí)包絡(luò)目前所有型號(hào)的環(huán)境條件,驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)將試驗(yàn)項(xiàng)目酌情刪減。但是實(shí)際上這種大而嚴(yán)的條件不是每個(gè)線式分離裝置都能經(jīng)受并滿足,確切的說是驗(yàn)收用的試驗(yàn)件不一定可以通過考核。因此,驗(yàn)收試驗(yàn)環(huán)境項(xiàng)目和條件的合理性非常重要,但是如何確定才合理,目前也沒有達(dá)成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

3.可能存在的問題

由于線式分離裝置與殼體設(shè)計(jì)耦合度高,難以將多數(shù)分離環(huán)產(chǎn)品上貨架,并作為基本型分離面設(shè)計(jì)的形式。這種無產(chǎn)品只提供設(shè)計(jì)參數(shù)的貨架產(chǎn)品,通過何種形式提供,如何維護(hù)貨架產(chǎn)品提供方的設(shè)計(jì)權(quán)益,也是亟待解決的問題。

線式分離裝置產(chǎn)品化是裝置發(fā)展到一定階段的必然結(jié)果,壓縮產(chǎn)品種類,提高產(chǎn)品質(zhì)量,節(jié)省人力物力財(cái)力是快速穩(wěn)定的發(fā)展之道,尤其是隨著商業(yè)航天的迅速崛起,研究所只有降低成本、提高可靠性才能立于不敗之地。所以,推進(jìn)線式分離裝置產(chǎn)品化工作勢在必行。