（航空宇航科学与技术专业论文）火工分离装置工作过程性能分析.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 本文以空间飞行器上的火工分离装置作为研究对象，对其工作过程进行了建 模和仿真，进而对它的性能进行了研究，此外还做了设计参数的优化、可靠性设 计等方面的工作。主要内容包括： 一、将火工分离装置的各个子系统作为一个相互关联的整体来研究，对其各 层次的功能、结构、联系、能量及做功关系等方面均有涉及。 二、建立了火工分离装置的性能模型。研究了各种起爆方式的机理，利用仿 真方法得到了激光起爆方式中激光脉宽、波长、功率、药剂吸收系数对起爆的影 响；对于非电隔板传爆系统，研究了爆轰波在不同介质中的传播和透过隔板的衰 减规律，给出了爆轰波在各个阶段的计算公式，编制了相应的程序并进行了算例 计算。 三、对仿真软件的原理进行了介绍，对于爆炸仿真的三种方法：共用节点法、 接触耦合法和流固耦合方法，进行了分析。根据本文研究对象的特点，以多物质 流固耦合方法为主，结合其它方法，在仿真过程中设计并运用了合适的方法。 四、对航天聚能切割分离装置，建立其仿真模型，采用较为合适的材料模型、 状态方程和仿真参数，对它的工作过程进行了仿真分析，直观地观察了爆轰波的 传递过程、射流的形成过程、射流对钢板的切割分离过程，钢板最后的脆性断裂 过程和钢板的破口形状，得出了一些定量的结论，包括射流的速度、切割分离的 时间、碎片的速度、能量的大小等等。研究了不同设计参数对聚能切割分离的影 响，包括药型罩锥角大小、壁厚、炸高、炸药种类，分别改变设计参数进行仿真， 对计算结果进行了比较，得出了优化结论。 五、对膨胀管分离装置，建立其仿真模型，采用较为合适的材料模型、状态 方程和仿真参数，对它的工作过程进行了仿真分析，直观地观察了爆轰产物的膨 胀过程、金属管的扩张膨胀过程、分离板的受力断裂和分开过程，得出了一些定 量的结论，包括金属管和分离板的变形量大小、分离时间、应力和应变的大小、 速度的大小等等。研究了不同设计参数对膨胀管分离的影响，包括削弱槽的形状、 膨胀管的长短比、装药半径等等，分别改变设计参数进行计算，对计算结果进行 了比较，得出了优化结论。 六、对火工分离装置的可靠性设计方法进行了探索。建立起了火工分离装置 可靠性串联模型：对可靠性在各个环节之间的分配方法进行了研究，绘制出了可 靠性设计的一般流程图；提出了可以提高系统可靠度的可靠性设计技术，并总结 出了可能的失效模式。 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 国防科学技术大学研究生院硕士学何论文 a b s t r a c t i i lt h i sp a p e r , o p e r a t i o np r o c e s so ft h es e p a r a t i o np y r o t e c h n i c su s e di ns p a c e c r a f t w a sm o d e l e da n ds t i m u l a t e d ，i t sp r o p e r t i e sw e r es t u d i e d i na d d i t i o n ，s o m ew o r k sh a v e b e e nd o n ei nt h eo p t i m i z a t i o no fd e s i g n i n gp a r a m e t e r sa n dt h ed e s i g n i n gm e t h o d so f r e l i a b i l i t y t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： 1 a l lt h es u b s y s t e m so ft h es e p a r a t i o n - c o n n e c t i o np y r o t e c h n i c sw e r et a k e na s a ni n t e r r e l a t e du n i ta n db es t u d i e d a l la s p e c t so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no p e r a t i o n p r o c e s ss u c ha sf u n c t i o n , s t r u c t u r e ，c o n t a c ta n de n e r g yo fi t sf o u rl e v e l sw e r ei n v o l v e d 2 t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dt h ep r o p e r t i e sm o d e lo fs e p a r a t i o n - c o n n e c t i o n p y r o t e c h n i c sa n ds t u d i e dt h em e c h a n i s mo fv a r i o u s i n i t i a t i o nm e t h o d s b yt h em e t h o d o fs i m u l a t i o n ，t h ee f f e c tt h a tl a s e r sp u l s ew i d t h ，w a v e l e n g t h ，p o w e r , a n de x p l o s i v e s c o e f f i c i e n to nl a s e rd e t o n a t i o nw e r es t u d i e d f o rt h et r a n s m i s s i o no fn o n e l e c t r i c b l a s t i n gs y s t e m ，t h el a wo ft h ed e t o n a t i o nw a v ed i s s e m i n a t i n gi nd i f f e r e n tm e d i aa n d t h ea t t e n u a t i o nl a wa f t e ri tp a s st h ep a r t i t i o nw a ss t u d i e d ，t o o t h i sp a p e ra l s og i v et h e c a l c u l a t i n gf o r m u l a sw h i c hc a nd e s c r i b et h ed e t o n a t i o nw a v ea ta l ls t a g e s ，l a s t l yt h e c o r r e s p o n d i n gp r o g r a m sw a sp r e p a r e da n dae x a m p l eo f c a l c u l a t e dw a sg i v e n 3 t h ep r i n c i p l eo fs i m u l a t i o ns o f t w a r ew a si n 仃o d u c e d t h et h r e ek i n d so f s i m u l a t i o nm e t h o d so fe x p l o s i v e - - - s h a r e dn o d em e t h o d ，c o n t a c tc o u p l i n gm e t h o da n d f l u i d - s o l i dc o u p l i n gm e t h o dw e r es t u d i e d t a k et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i sp a p e r s s t u d y i n go b j e c ti n t oa c c o u n t ；t h i sp a p e rm a i n l yu s e s t h e m u l t i - - m a t e r i a lf l u i d - - s o l i d c o u p l i n gm e t h o d si nc o m b i n a t i o n 、析t ho t h e rm e t h o d si nt h es i m u l a t i o np r o c e s s 4 t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dt h es i m u l a t i o nm o d e lo fs p a c es h a p e dj e t s e p a r a t i o nd e v i c e ，s i m u l a t e da n da n a l y z e d i t s o p e r a t i o np r o c e s sb yu s i n gm o r e a p p r o p r i a t e m a t e r i a lm o d e l ，e q u a t i o no fs t a t ea n ds i m u l a t i o np a r a m e t e r s t h e t r a n s m i s s i o n p r o c e s so fd e t o n a t i o nw a v e ，t h ef o r m a t i o np r o c e s s o fj e ta n dt h e s e p a r a t i o np r o c e s so ft h es t e e lp l a t ec u tb yt h ej e t ，t h ef i n a lb r i t t l ef r a c t u r ep r o c e s so f t h es t e e lp l a t ea n dt h ec r e v a s s es h a p eo ft h ep l a t ec o u l db eo b s e r v e d s o m eq u a n t i t a t i v e c o n c l u s i o n si n c l u d i n gt h ej e ts p e e d ，c u t t i n gt i m e ，s p e e do fd e b r i s ，e n e r g ya n ds oo n c o u l db ed r a w n t h ee f f e c t so fd i f f e r e n td e s i g np a r a m e t e r si n c l u d i n gt h ec o n ea n g l e s i z eo fs h a p e dc h a r g el i n e r ，w a l lt h i c k n e s s ，d e e p - f r i e dh e i g h t ，e x p l o s i v et y p ea n ds oo n w e r es t u d i e d b yc h a n g i n gt h ed e s i g np a r a m e t e r s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r e c o m p a r e d t oo p t i m i z et h ec o n c l u s i o n sd r a w n 5 t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dt h es i m u l a t i o nm o d e lo fe x p a n s i o np i p es e p a r a t i o n 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 d e v i c e ，s i m u l a t e da n da n a l y z e di t so p e r a t i o np r o c e s sb yu s i n gm o r ea p p r o p r i a t e m a t e r i a lm o d e l ，e q u a t i o no fs t a t ea n ds i m u l a t i o np a r a m e t e r s t h ee x p a n s i o np r o c e s so f d e t o n a t i o np r o d u c t s ，t h ee x p a n s i o np r o c e s so fm e t a lp i p e ，t h ef r a c t u r ea n ds e p a r a t i o n p r o c e s so fs e p a r a t i n gp l a t ec o u l d b eo b s e r v e d s o m eq u a n t i t a t i v ec o n c l u s i o n si n c l u d i n g t h ed e f o r m a t i o ns i z eo fm e t a lp i p ea n ds e p a r a t i n gp l a t e ，s e p a r a t i o nt i m e ，s t r e s sa n d s t r a i n ，s p e e da n ds oo nc o u l db ed r a w n t h ee f f e c t so fd i f f e r e n td e s i g np a r a m e t e r s i n c l u d i n gt h ew e a k e n i n gt r o u g hs h a p e ，t h el e n g t hr a t i oo f t h ep i p e ，c h a r g er a d i u sa n ds o o nw e r es t u d i e d b yc h a n g i n gt h ed e s i g np a r a m e t e r s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r e c o m p a r e dt oo p t i m i z i n gt h ec o n c l u s i o n sd r a w n 6 t h ed e s i g n i n gm e t h o d so fr e l i a b i l i t yo fs e p a r a t i o np y r o t e c h n i c sw e r es t u d i e d t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dt h er e l i a b i l i t y ss e r i e sm o d e l ，a n ds t u d i e dt h em e t h o d st h a t d i s t r i b u t i o no fr e l i a b i l i t yi na l la s p e c t s ，d r e wo u tt h eg e n e r a lf l o wc h a r to fr e l i a b i l i t y d e s i g n f i n a l l y , t h i sp a p e rp r o p o s e ds o m er e l i a b i l i t yd e s i g nt e c h n i q u e sw h i c hc a n i m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f t h es y s t e ma n ds u m m e du pt h ep o s s i b l ef a i l u r em o d e s k e y w o r d s ：p y r o t e c h n i c s ，e x p l o s i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，l s d y n a ， f l u i d s o l i dc o u p l i n gm e t h o d s ，s h a p e dj e t ，e x p a n s i o np i p e 第i v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图2 1 火工分离装置系统组成图8 图2 2 电起爆器与激光起爆器结构简图8 图2 3 非电传爆系统结构图9 图2 4 隔板起爆器结构简图9 图2 5 分离板式膨胀管和爆炸螺栓结构简图1 0 图2 6 火工分离装置能量及做功关系1 1 图2 7 入射激光与药剂的特性对起爆的影响1 5 图2 8 激光脉宽、光束半径与点火功率阈值的关系1 6 图2 9 爆轰波在不同介质中的传播规律17 图2 1 0 计算初始冲击波压及质点速度程序前面板2 0 图3 1 环形聚能切割分离装置2 8 图3 2 聚能切割装置结构示意图及有限元模型2 8 图3 3 爆轰波向下传播过程31 图3 4 射流在不同时刻的形状31 图3 5 钢板在不同时刻的破坏情况3 2 图3 6 钢板分离后的切口形状3 2 图3 7 钢板底部的脆性断裂过程3 3 图3 8 射流流经区域观察节点处的速度变化曲线3 4 图3 9 射流流经区域观察单元处的流体密度变化曲线3 5 图3 1 0 钢板下部观察单元的等效应力时程图3 6 图3 1 1 钢板下部观察单元的等效塑性应变时程图3 6 图3 1 2 火工分离装置工作过程中总能量变化曲线3 7 图3 1 3 火工分离装置工作过程中动能变化曲线3 7 图3 1 4 火工分离装置工作过程中内能变化曲线3 7 图3 1 56 0 。锥角聚能分离装置射流效果图3 8 图3 1 61 0 0 。锥角聚能分离装置射流效果图3 9 图3 1 76 0 。锥角聚能分离装置射流速度图3 9 图3 1 81 0 0 。锥角聚能分离装置射流速度图4 0 图3 1 96 0 。锥角聚能分离装置对钢板的切割破坏情况4 0 图3 2 01 0 0 。锥角聚能分离装置对钢板的切割破坏情况4 l 图3 2 10 3 m m 壁厚聚能分离装置射流效果图4 2 图3 2 2l m m 壁厚聚能分离装置射流效果图4 3 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 2 30 3 m m 壁厚聚能分离装置射流速度图4 3 图3 2 4l m m 壁厚聚能分离装置射流速度图4 4 图3 2 50 3 m m 壁厚聚能分离装置对钢板的切割破坏情况4 4 图3 2 6l m m 壁厚聚能分离装置对钢板的切割破坏情况4 5 图4 1 分离板式膨胀管结构简图与有限元模型5 0 图4 2 膨胀管内炸药爆轰产物的膨胀过程5 2 图4 3 膨胀管内导爆索铅壳气化产物扩散过程5 2 图4 4 膨胀管内观察单元的流体密度变化5 3 图4 5 金属管的膨胀与分离板的断裂过程5 4 图4 6 分离板断裂过程局部细节图5 4 图4 7 分离板上观察节点处的位移曲线5 5 图4 8 分离板上观察节点处的速度曲线5 5 图4 9 分离板上观察单元处的等效应力时程图5 6 图4 1 0 分离板上观察单元处的等效塑性应变时程图5 6 图4 11 金属管上观察单元处的等效应力时程图5 7 图4 1 2 金属管上观察单元处的等效塑性应变时程图5 7 图4 1 3 半圆槽式膨胀管分离效果图5 8 图4 1 4 矩形槽式膨胀管分离效果图5 8 图4 1 5 带内开槽的v 形槽式膨胀管分离效果图5 9 图4 1 6 长短比为2 的膨胀管分离效果图6 0 图4 1 7 长短比为2 的膨胀管分离板上观察节点处y 向位移曲线6 0 图4 1 8 长短比为4 的膨胀管分离效果图6 1 图4 1 9 长短比为4 的膨胀管分离板上观察节点处y 向位移曲线6 1 图5 1 火工分离装置可靠性模型6 5 图5 2 火工分离装置可靠性设计流程6 8 图5 3 冗余系统可靠度变化曲线6 9 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 激光起爆数值模拟参数1 4 表2 2 不同激光光束半径、不同脉冲宽度下点火功率阈值1 7 表3 16 0 。、8 0 。、1 0 0 。三种锥角的聚能分离装置综合性能比较4 1 表3 20 3 m m 、o 5 m m 、l m m 三种壁厚的聚能分离装置综合性能比较4 5 表3 3 使用某塑性炸药与t n t 炸药的聚能分离装置综合性能比较4 6 表3 40 3 m m 、3 0 m m 和4 8 m m 炸高的聚能分离装置综合性能比较4 7 表4 1 密度为1 6 9 e m 3 的r d x 装药线密度与装药半径的关系6 2 表5 1 使用评分分配法对某型火工分离装置可靠度进行分配6 7 表5 2 火工分离装置可能的失效模式一7 1 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名： 夏邀壹日期：如。，年j1 月咎日 学位论文版权使用授权书 本入完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：乃oc y 年 日期：删年 ，j 月万日 f 1 月6 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 研究工作的背景及意义 在航天技术中，火工装置【1 4 1 3 , 1 4 】是指通过装有一种小型的，内含少量火药、 炸药或烟火剂的元件在燃烧或爆炸的作用下，完成释放、抛放、切割破碎、驱动 开关等机械功能的系列复杂装置的总称，其英文名称为p y r o t e c h n i c s 。在航天设计 中，还大量使用了由多个火工元件及火工装置联成一体的、能完成一定功能的火 工系统。所以，广义地讲，火工元件、火工装置和火工系统都称为火工品。 航天器上使用的火工品大多通过装药爆炸释放出的高温高压气体和爆轰波来 做机械功，从而完成卫星释放、级间和有效载荷分离，天线和太阳帆板展开，降 落伞展开和释放，舱盖弹射，液、气管路通断，绳缆切割等功能，它们都要求在 很短的时间内提供相当大的能量来完成，传统的弹簧式和电磁式机构的能量有限， 而且体积和质量都相当大，不适合这种应用，因此通常都是选用火工装置来执行。 与其它类型的执行机构相比，采用火工装置除了体积小、能量足够大之外，它还 可以通过非电传爆序列完成一系列同步性动作。火工装置的应用范围很广，本文 主要研究的是航天技术上用于连接与分离的火工装置( s e p a r a t i o n c o n n e c t i o n d e v i c e ) 。 火工品具有能量质量比高、体积小、贮存性好、起爆及输出能量可控等优点， 能够在相当短的时间内释放出相当大的能量来做机械功，完成预定动作，因此被 广泛应用于运载火箭、载人飞船、卫星、导弹及航天飞机等各种航天器上。例如 美国“阿特拉斯一人马座”火箭、“土星v 号运载火箭的级间分离都是采用火工 分离装置来完成动作。随着空间飞行器越来越复杂，使用的火工品品种和数量越 来越多，在美国的“水星号飞船上使用了4 6 件火工品，“双子星座 号飞船上 使用了1 3 9 件，“阿波罗号飞船上使用了3 1 4 件，航天飞机上使用了5 0 0 多件，我 国的返回式卫星上使用了4 0 多件，载人飞船上使用了上百件【l ，2 】。 在航天事业的发展中，火工装置起着极其重要的作用，在每一个航天飞行器 上，从发射到回收的整个过程，火工装置要完成大大小小几项到几十项、甚至几 百项的各种程序动作或任务。近年来，随着各国在空天领域的竞争日益激烈，世 界航天事业得到了迅猛发展，相应地推进了火工品技术的进步，火工装置的设计 思想、测试技术及使用方法得到了飞速发展和提高【1 7 , 4 3 1 1 4 7 4 9 】。各国都十分重视开 发火工品技术在航天系统中的应用，不断投入人力财力，研究小型化、高可靠性 的火工装置，加紧航天技术领域内的竞争。 在早些时候，由于技术条件的限制，火工装置的研制主要是依靠设计人员的 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 经验来开展，并在试验和应用中不断修改和完善。随着计算机硬件运算速度的提 高，数值仿真方法的发展，各种有限元软件的广泛应用，为火工装置的优化设计 提供了一条新的途径。通过对火工装置的工作过程进行仿真分析，能减少试验次 数，缩短研发周期，节约生产成本，具有十分重要的意义。然而，值得注意的是， 理论研究是基础，而数值模拟只是一种辅助手段，并不能完全替代试验和应用。 火工装置的研制开发，应该基于试验和应用，结合理论分析和计算机仿真进行辅 助设计，才能具有较高的可行性和实际应用价值。 1 2 国内外相关研究及综述 2 0 世纪5 0 年代以来，随着航天技术的发展，美、俄等国在导弹、火箭、卫星 及航天飞机上开始使用火工装置。美国在这方面的研究开展得较早，取得了一系 列的研究成果，制定了一些基础性的设计规范和标准【2 】1 3 m3 。，例如m i l 1 2 3 6 5 9 c 电起爆器设计规范、m i l s t d 1 5 7 6 航天系统用电爆分系统的安全性要求和 试验方法、m i l h d b k 8 3 5 7 8 航天飞行器爆炸系统和装置、m i l s l d 1 31 6 d 引信安全性设计准则等。这些标准对于统一产品技术规范，保证产品质量和 可靠性、安全性提供了重要的参考依据。其中m i l h d b k 8 3 5 7 8 航天飞行器爆炸 系统和装置总结了以往各种重大型号的研究成果和实践经验，内容涵盖了产品 设计、性能要求、试验和质量控制等方面。该专业标准工程应用性强，它的许多 设计原则、性能控制要求和试验验证方法，成为了国际通用要求。 在一些手册的制订上，s c h i m m e l 和b e m e n t 发表了火工装置设计、研制和鉴 定手册【”】，该手册系统地涵盖了火工装置从原理、设计、试验到性能评估的各 个方面，提出了设计和研制的工程方法与程序，突出了验证性能裕度的重要性， 提出了成败性计数试验和最大最小装药量法，推荐了验证点火能力和能量裕度的 试验方法，是一篇重要的火工装置技术指导性文献。此外，k a r lo b r a u e r 主编的火 工装置手册 3 4 】几乎涉及了当时所有在航空航天上研制和使用的火工装置，它介 绍了大量航天火工装置的设计原理、材料结构、研制情况和使用状况，提出了一 些经验计算公式和图表数据。 俄罗斯对于火工装置的研究开展得也比较早，在“联盟号宇宙飞船上就使 用了大量的火工装置，欧、日、印等在这方面的研究也各有所长。由于保密的原 因，这些国家和地区火工装置研究公开可查阅的资料比较少。我国的航天火工装 置的研究大都是在参照美俄的技术基础之上进行的，至今已有四十多年的应用历 史，制定了一些基础性的标准【1 5 】【1 6 】，例女i q j l 07 5 a 航天火工装置通用规范、 g j b 2 0 3 4 航天系统电爆分系统安全要求和试验方法、g j b3 4 7 1 9 8 7 火工品 分类和命名规则规定了火工品分类、命名的原理和方法、g j b3 7 6 1 9 8 7 火工 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 品可靠性评估方法规定了评估火工品可靠性的统一方法及统一的报告格式，适 用于有可靠度指标的火工品设计定型可靠性评估。此外，产品研制各单位也有一 些相应的设计规范和经验总结。 早期的解锁类分离装置主要有爆炸螺栓、易碎螺母等，它们结构简单，作用 可靠且有效，但是产生的分离冲击相对较大，对安装点的精密仪器有较大危害。 为避免冲击过大，提出了“强连接、弱解锁”的设计思想，基于这种思想的分离 装置有钢球连接式的解锁螺栓和楔块连接式的解锁螺栓。由于航天火工分离装置 是利用猛炸药的爆炸或烟火药的燃烧产生的高压气体做功，不可避免地会产生爆 炸碎片和气体产物，因此污染控制已经成了火工分离装置设计的一个重要指标， 现在许多分离装置都采用密封设计，或者在功能装置外面加上保护罩。例如美国 麦道公司于1 9 6 9 年申请专利的“超级拉链 膨胀管分离装置，不是将导爆索的爆 炸能量直接作用于分离连接件上，而是通过转化为气体膨胀做功的形式达到解锁 分离的目的。整个作用系统受力均匀，冲击载荷低，爆炸产物始终密封于金属管 内，达到了低冲击、无污染的目的，已在多种型号上飞行器上获得了应用。 在性能研究和数值仿真上，国外的学者已经开展了这方面的工作。例如 k a g o n t h i e r 等人分析了n a s a 标准电起爆器驱动的拔销器的火药燃烧和活塞运动 过程【3 5 】，应用了热力学方法和多相流理论建立了一组微分方程组，采用l s o d e 标 准程序计算得到了压力与时间的关系曲线，压力计算的数据与试验结果基本吻合， 同时对燃速、导热系数等参变量进行了敏感度分析；美国航天公司的s g o l d s t e i n 等人则采用了m e s a 一2 d 和d y n a 3 d 软件模拟了拔销器和电爆阀门的动力学过程 【3 6 1 ，提供了结构受力和变形的信息。 我国的研究人员在这方面的研究也取得了一定的成果。国防科技大学高滨通 过研究火工分离装置的作用机理，建立了仿真计算模型和可靠性模型，提出了用 于火工分离装置工程设计和分析的基本技术和方法【2 】【1 3 】，他在经典内弹道理论基础 上建立的性能模型方程组能够较准确地描述火工分离装置的输出性能，通过对火 工分离装置设计参数的敏感度分析，揭示了工程设计中影响性能变化的主要因素， 并且对火箭整流罩分离装置以及一种弹射分离装置的仿真计算与实测结果相一 致；北京宇航系统工程研究所孙璨、阳志光利用a n s y s l s d y n a 对膨胀管分离 装置进行建模计算和仿真分析1 6 9 1 ，利用响应面法优化算法的原理，借助于m a t l a b 中的线性规划函数，以系统分离可靠性为目标进行了优化设计；北京工业大学阳 志光对航天运载器线式火工分离装置的材料动态性能、保护罩结构动态失效机理、 分离结构的动态断裂、数值仿真方法和结构优化设计方法等方面开展了一些探索 性研究【6 8 】；北京工业大学陈敏等人借助于非线性有限元程序a n s y s l s d y n a 中 的a l e 算法，对宇航线式火工分离装置在条形凝聚态炸药接触爆炸荷载作用下的 非线性动态响应过程进行了数值模拟【67 1 ，描述了爆轰物质的流动以及金属圆柱壳 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的破口形状、塑性区域随时间增加的变化情况，得出了冲击加速度与爆炸中心距 离为近似线性关系的结论；北京强度环境研究所吴艳红等人采用l s d y n a 模拟剪 切式爆炸螺栓中炸药爆炸冲击波对爆炸螺栓盒中的冲击破坏作用【1 9 】，校核盒的动 强度，计算结果表明，盒盖变形、破坏形式、压力峰值和脉宽都与试验结果吻合 较好，根据对计算结果的分析，提出爆炸螺栓盒的三种改进办法，并通过分析计 算确定了最佳方案。 1 3 火工分离装置性能研究中存在的问题 火工分离装置具有特定的使用环境和条件，功能性比较强，同种类型的火工 装置，在不同型号和不同用途上，其结构形式和设计参数也存在差异。此外，由 于作用过程的瞬时性和一次性，使得对它的工作过程和性能分析存在较大的难度。 而火工分离装置长期以来主要采用的是经验设计一试验获取数据一修改设计一再 试验的研制模式。仿真方法作为一种研究手段，能够较好地模拟火工分离装置的 工作过程，并可通过后处理器直观地观察结构的分离情况，获取瞬时速度、应力 应变、压力等信息。本文首先从理论上阐述和分析了火工分离装置的系统组成和 作用机理，然后利用有限元动力分析软件，对火工分离装置的工作过程进行仿真， 并与已有可查阅的试验数据和参考文献上的结论进行对比研究。 然而从理论到工程技术的应用是有一定难度的，需要寻找一个合适的“桥梁” 来把两者连接起来才能从“此岸到达“彼岸 ，对于火工分离装置工作过程的 性能研究也是如此，存在的技术难题有： 1 、航天火工分离装置爆炸分离过程数值仿真不仅涉及到很多相关技术领域， 部分基础理论还没有达到工程应用水平，而且爆炸分离过程是一个高度非线性过 程，其仿真分析模型需要的参数非常缺乏试验数据。 2 、作为一个整体，终端功能装置、起爆系统、传爆序列构成火工分离装置不 可分割的三个部分，需要将它们联系起来进行研究，既要从整体上研究火工分离 装置的工作性能，也要有所区分，突出重点。 3 、火工分离装置结构复杂，要想建立起完整的仿真模型比较困难。在建模过 程中，需要抓住重点建立简化模型，既能充分体现其性能特点、获得接近真实的 仿真结论，又不保证研究结果不出现大的偏差。 4 、在使用有限元软件对分离过程进行仿真时，由于涉及到的材料种类多，且 爆炸使结构产生大变形导致单元畸变，需要将任意拉格朗日一欧拉方法( a l e ) 和拉格朗日方法、欧拉方法相结合使用，这三种方法各有所长，如何在具体问题 中设计和运用合适的方法，需要一定的技巧和经验。 5 、材料模型的选择和材料参数的准确度直接影响仿真结果的可信度，错误的 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕七学位论文 材料模型和不准确的材料参数可能导致错误的结论。完整的材料参数包括物理参 数、力学参数、状态方程参数等等，通常不容易全部获得，因此仿真结果需要通 过与试验结论和文献资料进行对比以进行校正。 6 、仿真参数的设置对结果存在影响，有的算法对仿真参数比较敏感，不正确 的参数设置将导致仿真结果与现有结论和试验数据存在较大偏差，需要不断调试 和修改，使仿真结果接近真实。 7 、目前航天火工分离装置研制中缺乏成熟和可靠的参数统计方法和分离可靠 性评估方法，其原因是火工分离装置可靠性要求高，利用成败型可靠性试验成本 太高，不具备现实性，因此这方面的研究意义重大。 上述问题涉及的范围和领域较广，前人曾经做过一些研究，取得了一些成果。 本文对这7 个方面均有涉及，对火工分离装置的工作过程进行了仿真，对它的工作 性能进行了分析，对设计参数进行了优化，对系统的可靠性设计方法提出了一些 改进和创新。 1 4 本文的主要工作及贡献 针对上节提出的问题，本文主要完成了以下几项工作： 1 、将火工分离装置作为一个系统来进行研究。对起爆机理、传爆规律、爆轰 过程、以及具体终端功能装置的工作性能都进行了研究，注重各个环节之间的联 系，侧重于对具体功能装置工作过程的仿真。建立起了起爆、传爆的数学模型， 推导了相关公式，编写了计算程序。通过理论研究，更好地描述了火工分离装置 作为一个整体其性能特征，使得研究的思路更加清晰。 2 、综合运用了三种仿真算法对火工分离装置的工作过程进行了数值模拟： 拉格朗日方法，网格随物质流动，可得到清晰的物质界面，便于观察变形和流动 情况，然而不适宜处理大变形物质；欧拉方法，网格不动，物质在网格里流动， 适宜于处理流体变形问题，缺点是物质界面不便观察；a l e 方法，对炸药及其 它流体材料采用欧拉算法，对其余结构采用欧拉算法，其优点是炸药和流体材料 在欧拉单元流动，不存在单元的畸变问题，并通过流固耦合方式来处理相互作用， 能方便地建立起爆炸模型。 3 、选择了聚能切割分离装置和膨胀管分离装置两种典型的火工分离装置作为 研究对象，根据它们的结构形式和功能特点，选择了合适的材料模型、状态方程， 获取和设置了较为正确的材料参数、仿真参数，建立起了它们的有限元模型。对 它们的工作过程进行了仿真，通过对仿真结果进行分析，不但可以直观地观察到 火工分离装置工作性能的好坏，还能定量地获取一些性能数据，为火工分离装置 的设计提供了一种便捷的检验和优化手段。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 4 、改变上述火工分离装置的设计参数进行仿真分析，比较不同结构或材料下 的终端分离装置的性能差异，得到了诸如结构形状、尺寸、材料、装药等因素对 分离效果的影响，并与已有试验数据进行对比。通过比较，得到对分离有利的设 计参数，从而达到通过仿真进行辅助优化设计的目的。 5 、对火工分离装置的可靠性设计进行了探索。研究了可靠性模型建立、失效 分析、可靠性指标分配、可靠性设计方法、技术、流程等问题。 由于火工分离装置设计技术的复杂性和实践性，上述研究还仅仅是初步的， 有待结合工程实际开展更深入的研究。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第二章火工分离装置系统组成与性能模型 火工分离装置尽管形式各异，其作用机理却大致相似，主要是通过炸药的爆 轰作用，将炸药蕴含的化学能释放出来，转变为结构的机械能或其它形式的能量， 完成破碎、切割、推冲等功能，从而达到分离的目的。它不是孤立的一个元件。 从装药的起爆开始，到爆轰波的传递、衰减、终端功能装置的做功、以及爆炸产 生的冲击、碎片对结构的影响等，都属于研究的范畴。因此，要将火工分离装置 的工作过程作为一个整体来分析，才能更好地掌握它的作用机理、工作性能和设 计方法。 本章将首先对火工分离装置的系统组成作一个概述，阐述了各个子系统的组 成结构和作用原理，分析了火工分离装置工作过程中能量转换和做功之间的关系； 然后，对各个子系统建立了相应的性能模型，包括点火与起爆、冲击波的传递与 衰减、装药的爆轰等过程，建立了上述过程的控制方程，探讨了计算方法和程序。 最后，本章介绍了a l e 算法的原理，以及爆炸模拟的三种方法各自的特点。 本章是全文的理论部分，兼有部分仿真和计算，也是后文的内容中对终端功 能装置工作过程进行仿真的理论基础。 2 2 1 概述 2 2 火工分离装置系统组成与工作过程 美军标m i l h d b k 8 3 5 7 8 、美国宇航局n a s a 和i s 0 1 4 3 0 3 对火工系统的组成层 次均有较为全面的定义，将起爆系统、传爆序列和终端功能装置列为火工分离装 置的基本组成【2 , 3 3 1 。此外，在火工分离装置的作用过程中，它以爆炸冲击、震动等 方式对周围环境产生影响，并向周围环境溢出气体和碎片，而周围环境的电磁辐 射、杂散电流、意外撞击等因素也影响着火工分离装置的工作。因此，可将火工 分离装置的组成分为以下层次：起爆( 点火) 系统、非电传爆系统、终端功能装 置、与外部环境结构的相互作用【m j ，如图2 1 所示： 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 2 2 点火起爆系统 图2 1 火工分离装置系统组成图 点火起爆系统包括点火能源、起爆器、指令控制、电子安保、检测装置等。 其中起爆器是点火起爆系统的核心，它是通过将电能转化为电热桥丝的热能或者 激光的光能，点燃引爆药或直接起爆主装药，从而获得爆轰输入的装置。 起爆器是火工分离装置中使用最为广泛的首发火工品，当前使用的大多为电 起爆器，它是通过电流的输入使装药发火，并以热、压力及冲击波等形式转化为 化学能或动能的元件，根据电能引爆药剂的方式不同可分为桥丝式、火花式和间 隙式，最为常用的是桥丝式电起爆器，它通常由