國防科學技術大學研究生院碩士學位論文 摘要 本文以空間飛行器上的火工分離裝置作為研究對象，對其工作過程進行了建 模和仿真，進而對它的性能進行了研究，此外還做了設計參數的優化、可靠性設 計等方面的工作。主要內容包括： 一、將火工分離裝置的各個子系統作為一個相互關聯的整體來研究，對其各 層次的功能、結構、聯系、能量及做功關系等方面均有涉及。 二、建立了火工分離裝置的性能模型。研究了各種起爆方式的機理，利用仿 真方法得到了激光起爆方式中激光脈寬、波長、功率、藥劑吸收系數對起爆的影 響；對于非電隔板傳爆系統，研究了爆轟波在不同介質中的傳播和透過隔板的衰 減規律，給出了爆轟波在各個階段的計算公式，編制了相應的程序并進行了算例 計算。 三、對仿真軟件的原理進行了介紹，對于爆炸仿真的三種方法：共用節點法、 接觸耦合法和流固耦合方法，進行了分析。根據本文研究對象的特點，以多物質 流固耦合方法為主，結合其它方法，在仿真過程中設計并運用了合適的方法。 四、對航天聚能切割分離裝置，建立其仿真模型，采用較為合適的材料模型、 狀態方程和仿真參數，對它的工作過程進行了仿真分析，直觀地觀察了爆轟波的 傳遞過程、射流的形成過程、射流對鋼板的切割分離過程，鋼板最后的脆性斷裂 過程和鋼板的破口形狀，得出了一些定量的結論，包括射流的速度、切割分離的 時間、碎片的速度、能量的大小等等。研究了不同設計參數對聚能切割分離的影 響，包括藥型罩錐角大小、壁厚、炸高、炸藥種類，分別改變設計參數進行仿真， 對計算結果進行了比較，得出了優化結論。 五、對膨脹管分離裝置，建立其仿真模型，采用較為合適的材料模型、狀態 方程和仿真參數，對它的工作過程進行了仿真分析，直觀地觀察了爆轟產物的膨 脹過程、金屬管的擴張膨脹過程、分離板的受力斷裂和分開過程，得出了一些定 量的結論，包括金屬管和分離板的變形量大小、分離時間、應力和應變的大小、 速度的大小等等。研究了不同設計參數對膨脹管分離的影響，包括削弱槽的形狀、 膨脹管的長短比、裝藥半徑等等，分別改變設計參數進行計算，對計算結果進行 了比較，得出了優化結論。 六、對火工分離裝置的可靠性設計方法進行了探索。建立起了火工分離裝置 可靠性串聯模型：對可靠性在各個環節之間的分配方法進行了研究，繪制出了可 靠性設計的一般流程圖；提出了可以提高系統可靠度的可靠性設計技術，并總結 出了可能的失效模式。 第i 頁 國防科學技術大學研究生院碩士學位論文 國防科學技術大學研究生院碩士學何論文 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 頁 國防科學技術大學研究生院碩士學位論文 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 頁 國防科學技術大學研究生院碩士學位論文 圖目錄 圖2 1 火工分離裝置系統組成圖8 圖2 2 電起爆器與激光起爆器結構簡圖8 圖2 3 非電傳爆系統結構圖9 圖2 4 隔板起爆器結構簡圖9 圖2 5 分離板式膨脹管和爆炸螺栓結構簡圖1 0 圖2 6 火工分離裝置能量及做功關系1 1 圖2 7 入射激光與藥劑的特性對起爆的影響1 5 圖2 8 激光脈寬、光束半徑與點火功率閾值的關系1 6 圖2 9 爆轟波在不同介質中的傳播規律17 圖2 1 0 計算初始沖擊波壓及質點速度程序前面板2 0 圖3 1 環形聚能切割分離裝置2 8 圖3 2 聚能切割裝置結構示意圖及有限元模型2 8 圖3 3 爆轟波向下傳播過程31 圖3 4 射流在不同時刻的形狀31 圖3 5 鋼板在不同時刻的破壞情況3 2 圖3 6 鋼板分離后的切口形狀3 2 圖3 7 鋼板底部的脆性斷裂過程3 3 圖3 8 射流流經區域觀察節點處的速度變化曲線3 4 圖3 9 射流流經區域觀察單元處的流體密度變化曲線3 5 圖3 1 0 鋼板下部觀察單元的等效應力時程圖3 6 圖3 1 1 鋼板下部觀察單元的等效塑性應變時程圖3 6 圖3 1 2 火工分離裝置工作過程中總能量變化曲線3 7 圖3 1 3 火工分離裝置工作過程中動能變化曲線3 7 圖3 1 4 火工分離裝置工作過程中內能變化曲線3 7 圖3 1 56 0 。錐角聚能分離裝置射流效果圖3 8 圖3 1 61 0 0 。錐角聚能分離裝置射流效果圖3 9 圖3 1 76 0 。錐角聚能分離裝置射流速度圖3 9 圖3 1 81 0 0 。錐角聚能分離裝置射流速度圖4 0 圖3 1 96 0 。錐角聚能分離裝置對鋼板的切割破壞情況4 0 圖3 2 01 0 0 。錐角聚能分離裝置對鋼板的切割破壞情況4 l 圖3 2 10 3 m m 壁厚聚能分離裝置射流效果圖4 2 圖3 2 2l m m 壁厚聚能分離裝置射流效果圖4 3 第1 v 頁 國防科學技術大學研究生院碩士學位論文 圖3 2 30 3 m m 壁厚聚能分離裝置射流速度圖4 3 圖3 2 4l m m 壁厚聚能分離裝置射流速度圖4 4 圖3 2 50 3 m m 壁厚聚能分離裝置對鋼板的切割破壞情況4 4 圖3 2 6l m m 壁厚聚能分離裝置對鋼板的切割破壞情況4 5 圖4 1 分離板式膨脹管結構簡圖與有限元模型5 0 圖4 2 膨脹管內炸藥爆轟產物的膨脹過程5 2 圖4 3 膨脹管內導爆索鉛殼氣化產物擴散過程5 2 圖4 4 膨脹管內觀察單元的流體密度變化5 3 圖4 5 金屬管的膨脹與分離板的斷裂過程5 4 圖4 6 分離板斷裂過程局部細節圖5 4 圖4 7 分離板上觀察節點處的位移曲線5 5 圖4 8 分離板上觀察節點處的速度曲線5 5 圖4 9 分離板上觀察單元處的等效應力時程圖5 6 圖4 1 0 分離板上觀察單元處的等效塑性應變時程圖5 6 圖4 11 金屬管上觀察單元處的等效應力時程圖5 7 圖4 1 2 金屬管上觀察單元處的等效塑性應變時程圖5 7 圖4 1 3 半圓槽式膨脹管分離效果圖5 8 圖4 1 4 矩形槽式膨脹管分離效果圖5 8 圖4 1 5 帶內開槽的v 形槽式膨脹管分離效果圖5 9 圖4 1 6 長短比為2 的膨脹管分離效果圖6 0 圖4 1 7 長短比為2 的膨脹管分離板上觀察節點處y 向位移曲線6 0 圖4 1 8 長短比為4 的膨脹管分離效果圖6 1 圖4 1 9 長短比為4 的膨脹管分離板上觀察節點處y 向位移曲線6 1 圖5 1 火工分離裝置可靠性模型6 5 圖5 2 火工分離裝置可靠性設計流程6 8 圖5 3 冗余系統可靠度變化曲線6 9 第v 頁 國防科學技術大學研究生院碩士學位論文 表目錄 表2 1 激光起爆數值模擬參數1 4 表2 2 不同激光光束半徑、不同脈沖寬度下點火功率閾值1 7 表3 16 0 。、8 0 。、1 0 0 。三種錐角的聚能分離裝置綜合性能比較4 1 表3 20 3 m m 、o 5 m m 、l m m 三種壁厚的聚能分離裝置綜合性能比較4 5 表3 3 使用某塑性炸藥與t n t 炸藥的聚能分離裝置綜合性能比較4 6 表3 40 3 m m 、3 0 m m 和4 8 m m 炸高的聚能分離裝置綜合性能比較4 7 表4 1 密度為1 6 9 e m 3 的r d x 裝藥線密度與裝藥半徑的關系6 2 表5 1 使用評分分配法對某型火工分離裝置可靠度進行分配6 7 表5 2 火工分離裝置可能的失效模式一7 1 第v i 頁 獨創性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我本人在導師指導下進行的研究工作及取得 的研究成果盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人已經發表和撰寫過的研究成果，也不包含為獲得國防科學技術大學或其它 教育機構的學位或證書而使用過的材料與我一同工作的同志對本研究所做的任 何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意 學位論文作者簽名： 夏邀壹日期：如。，年j1 月咎日 學位論文版權使用授權書 本入完全了解國防科學技術大學有關保留、使用學位論文的規定本人授權 國防科學技術大學可以保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子 文檔，允許論文被查閱和借閱；可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據 庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文 ( 保密學位論文在解密后適用本授權書) 學位論文作者簽名： 作者指導教師簽名： 日期：乃oc y 年 日期：刪年 ，j 月萬日 f 1 月6 日 國防科學技術大學研究生院碩士學位論文 第一章緒論弟一早珀t 匕 1 1 研究工作的背景及意義 在航天技術中，火工裝置【1 4 1 3 , 1 4 】是指通過裝有一種小型的，內含少量火藥、 炸藥或煙火劑的元件在燃燒或爆炸的作用下，完成釋放、拋放、切割破碎、驅動 開關等機械功能的系列復雜裝置的總稱，其英文名稱為p y r o t e c h n i c s 。在航天設計 中，還大量使用了由多個火工元件及火工裝置聯成一體的、能完成一定功能的火 工系統。所以，廣義地講，火工元件、火工裝置和火工系統都稱為火工品。 航天器上使用的火工品大多通過裝藥爆炸釋放出的高溫高壓氣體和爆轟波來 做機械功，從而完成衛星釋放、級間和有效載荷分離，天線和太陽帆板展開，降 落傘展開和釋放，艙蓋彈射，液、氣管路通斷，繩纜切割等功能，它們都要求在 很短的時間內提供相當大的能量來完成，傳統的彈簧式和電磁式機構的能量有限， 而且體積和質量都相當大，不適合這種應用，因此通常都是選用火工裝置來執行。 與其它類型的執行機構相比，采用火工裝置除了體積小、能量足夠大之外，它還 可以通過非電傳爆序列完成一系列同步性動作。火工裝置的應用范圍很廣，本文 主要研究的是航天技術上用于連接與分離的火工裝置( 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 ) 。 火工品具有能量質量比高、體積小、貯存性好、起爆及輸出能量可控等優點， 能夠在相當短的時間內釋放出相當大的能量來做機械功，完成預定動作，因此被 廣泛應用于運載火箭、載人飛船、衛星、導彈及航天飛機等各種航天器上。例如 美國“阿特拉斯一人馬座”火箭、“土星v 號運載火箭的級間分離都是采用火工 分離裝置來完成動作。隨著空間飛行器越來越復雜，使用的火工品品種和數量越 來越多，在美國的“水星號飛船上使用了4 6 件火工品，“雙子星座 號飛船上 使用了1 3 9 件，“阿波羅號飛船上使用了3 1 4 件，航天飛機上使用了5 0 0 多件，我 國的返回式衛星上使用了4 0 多件，載人飛船上使用了上百件【l ，2 】。 在航天事業的發展中，火工裝置起著極其重要的作用，在每一個航天飛行器 上，從發射到回收的整個過程，火工裝置要完成大大小小幾項到幾十項、甚至幾 百項的各種程序動作或任務。近年來，隨著各國在空天領域的競爭日益激烈，世 界航天事業得到了迅猛發展，相應地推進了火工品技術的進步，火工裝置的設計 思想、測試技術及使用方法得到了飛速發展和提高【1 7 , 4 3 1 1 4 7 4 9 】。各國都十分重視開 發火工品技術在航天系統中的應用，不斷投入人力財力，研究小型化、高可靠性 的火工裝置，加緊航天技術領域內的競爭。 在早些時候，由于技術條件的限制，火工裝置的研制主要是依靠設計人員的 第1 頁 國防科學技術大學研究生院碩士學位論文 經驗來開展，并在試驗和應用中不斷修改和完善。隨著計算機硬件運算速度的提 高，數值仿真方法的發展，各種有限元軟件的廣泛應用，為火工裝置的優化設計 提供了一條新的途徑。通過對火工裝置的工作過程進行仿真分析，能減少試驗次 數，縮短研發周期，節約生產成本，具有十分重要的意義。然而，值得注意的是， 理論研究是基礎，而數值模擬只是一種輔助手段，并不能完全替代試驗和應用。 火工裝置的研制開發，應該基于試驗和應用，結合理論分析和計算機仿真進行輔 助設計，才能具有較高的可行性和實際應用價值。 1 2 國內外相關研究及綜述 2 0 世紀5 0 年代以來，隨著航天技術的發展，美、俄等國在導彈、火箭、衛星 及航天飛機上開始使用火工裝置。美國在這方面的研究開展得較早，取得了一系 列的研究成果，制定了一些基礎性的設計規范和標準【2 】1 3 m3 。，例如m i l 1 2 3 6 5 9 c 電起爆器設計規范、m i l s t d 1 5 7 6 航天系統用電爆分系統的安全性要求和 試驗方法、m i l h d b k 8 3 5 7 8 航天飛行器爆炸系統和裝置、m i l s l d 1 31 6 d 引信安全性設計準則等。這些標準對于統一產品技術規范，保證產品質量和 可靠性、安全性提供了重要的參考依據。其中m i l h d b k 8 3 5 7 8 航天飛行器爆炸 系統和裝置總結了以往各種重大型號的研究成果和實踐經驗，內容涵蓋了產品 設計、性能要求、試驗和質量控制等方面。該專業標準工程應用性強，它的許多 設計原則、性能控制要求和試驗驗證方法，成為了國際通用要求。 在一些手冊的制訂上，s c h i m m e l 和b e m e n t 發表了火工裝置設計、研制和鑒 定手冊【”】，該手冊系統地涵蓋了火工裝置從原理、設計、試驗到性能評估的各 個方面，提出了設計和研制的工程方法與程序，突出了驗證性能裕度的重要性， 提出了成敗性計數試驗和最大最小裝藥量法，推薦了驗證點火能力和能量裕度的 試驗方法，是一篇重要的火工裝置技術指導性文獻。此外，k a r lo b r a u e r 主編的火 工裝置手冊 3 4 】幾乎涉及了當時所有在航空航天上研制和使用的火工裝置，它介 紹了大量航天火工裝置的設計原理、材料結構、研制情況和使用狀況，提出了一 些經驗計算公式和圖表數據。 俄羅斯對于火工裝置的研究開展得也比較早，在“聯盟號宇宙飛船上就使 用了大量的火工裝置，歐、日、印等在這方面的研究也各有所長。由于保密的原 因，這些國家和地區火工裝置研究公開可查閱的資料比較少。我國的航天火工裝 置的研究大都是在參照美俄的技術基礎之上進行的，至今已有四十多年的應用歷 史，制定了一些基礎性的標準【1 5 】【1 6 】，例女i q j l 07 5 a 航天火工裝置通用規范、 g j b 2 0 3 4 航天系統電爆分系統安全要求和試驗方法、g j b3 4 7 1 9 8 7 火工品 分類和命名規則規定了火工品分類、命名的原理和方法、g j b3 7 6 1 9 8 7 火工 第2 頁 國防科學技術大學研究生院碩士學位論文 品可靠性評估方法規定了評估火工品可靠性的統一方法及統一的報告格式，適 用于有可靠度指標的火工品設計定型可靠性評估。此外，產品研制各單位也有一 些相應的設計規范和經驗總結。 早期的解鎖類分離裝置主要有爆炸螺栓、易碎螺母等，它們結構簡單，作用 可靠且有效，但是產生的分離沖擊相對較大，對安裝點的精密儀器有較大危害。 為避免沖擊過大，提出了“強連接、弱解鎖”的設計思想，基于這種思想的分離 裝置有鋼球連接式的解鎖螺栓和楔塊連接式的解鎖螺栓。由于航天火工分離裝置 是利用猛炸藥的爆炸或煙火藥的燃燒產生的高壓氣體做功，不可避免地會產生爆 炸碎片和氣體產物，因此污染控制已經成了火工分離裝置設計的一個重要指標， 現在許多分離裝置都采用密封設計，或者在功能裝置外面加上保護罩。例如美國 麥道公司于1 9 6 9 年申請專利的“超級拉鏈 膨脹管分離裝置，不是將導爆索的爆 炸能量直接作用于分離連接件上，而是通過轉化為氣體膨脹做功的形式達到解鎖 分離的目的。整個作用系統受力均勻，沖擊載荷低，爆炸產物始終密封于金屬管 內，達到了低沖擊、無污染的目的，已在多種型號上飛行器上獲得了應用。 在性能研究和數值仿真上，國外的學者已經開展了這方面的工作。例如 k a g o n t h i e r 等人分析了n a s a 標準電起爆器驅動的拔銷器的火藥燃燒和活塞運動 過程【3 5 】，應用了熱力學方法和多相流理論建立了一組微分方程組，采用l s o d e 標 準程序計算得到了壓力與時間的關系曲線，壓力計算的數據與試驗結果基本吻合， 同時對燃速、導熱系數等參變量進行了敏感度分析；美國航天公司的s g o l d s t e i n 等人則采用了m e s a 一2 d 和d y n a 3 d 軟件模擬了拔銷器和電爆閥門的動力學過程 【3 6 1 ，提供了結構受力和變形的信息。 我國的研究人員在這方面的研究也取得了一定的成果。國防科技大學高濱通 過研究火工分離裝置的作用機理，建立了仿真計算模型和可靠性模型，提出了用 于火工分離裝置工程設計和分析的基本技術和方法【2 】【1 3 】，他在經典內彈道理論基礎 上建立的性能模型方程組能夠較準確地描述火工分離裝置的輸出性能，通過對火 工分離裝置設計參數的敏感度分析，揭示了工程設計中影響性能變化的主要因素， 并且對火箭整流罩分離裝置以及一種彈射分離裝置的仿真計算與實測結果相一 致；北京宇航系統工程研究所孫璨、陽志光利用a n s y s l s d y n a 對膨脹管分離 裝置進行建模計算和仿真分析1 6 9 1 ，利用響應面法優化算法的原理，借助于m a t l a b 中的線性規劃函數，以系統分離可靠性為目標進行了優化設計；北京工業大學陽 志光對航天運載器線式火工分離裝置的材料動態性能、保護罩結構動態失效機理、 分離結構的動態斷裂、數值仿真方法和結構優化設計方法等方面開展了一些探索 性研究【6 8 】；北京工業大學陳敏等人借助于非線性有限元程序a n s y s l s d y n a 中 的a l e 算法，對宇航線式火工分離裝置在條形凝聚態炸藥接觸爆炸荷載作用下的 非線性動態響應過程進行了數值模擬【67 1 ，描述了爆轟物質的流動以及金屬圓柱殼 第3 頁 國防科學技術大學研究生院碩士學位論文 的破口形狀、塑性區域隨時間增加的變化情況，得出了沖擊加速度與爆炸中心距 離為近似線性關系的結論；北京強度環境研究所吳艷紅等人采用l s d y n a 模擬剪 切式爆炸螺栓中炸藥爆炸沖擊波對爆炸螺栓盒中的沖擊破壞作用【1 9 】，校核盒的動 強度，計算結果表明，盒蓋變形、破壞形式、壓力峰值和脈寬都與試驗結果吻合 較好，根據對計算結果的分析，提出爆炸螺栓盒的三種改進辦法，并通過分析計 算確定了最佳方案。 1 3 火工分離裝置性能研究中存在的問題 火工分離裝置具有特定的使用環境和條件，功能性比較強，同種類型的火工 裝置，在不同型號和不同用途上，其結構形式和設計參數也存在差異。此外，由 于作用過程的瞬時性和一次性，使得對它的工作過程和性能分析存在較大的難度。 而火工分離裝置長期以來主要采用的是經驗設計一試驗獲取數據一修改設計一再 試驗的研制模式。仿真方法作為一種研究手段，能夠較好地模擬火工分離裝置的 工作過程，并可通過后處理器直觀地觀察結構的分離情況，獲取瞬時速度、應力 應變、壓力等信息。本文首先從理論上闡述和分析了火工分離裝置的系統組成和 作用機理，然后利用有限元動力分析軟件，對火工分離裝置的工作過程進行仿真， 并與已有可查閱的試驗數據和參考文獻上的結論進行對比研究。 然而從理論到工程技術的應用是有一定難度的，需要尋找一個合適的“橋梁” 來把兩者連接起來才能從“此岸到達“彼岸 ，對于火工分離裝置工作過程的 性能研究也是如此，存在的技術難題有： 1 、航天火工分離裝置爆炸分離過程數值仿真不僅涉及到很多相關技術領域， 部分基礎理論還沒有達到工程應用水平，而且爆炸分離過程是一個高度非線性過 程，其仿真分析模型需要的參數非常缺乏試驗數據。 2 、作為一個整體，終端功能裝置、起爆系統、傳爆序列構成火工分離裝置不 可分割的三個部分，需要將它們聯系起來進行研究，既要從整體上研究火工分離 裝置的工作性能，也要有所區分，突出重點。 3 、火工分離裝置結構復雜，要想建立起完整的仿真模型比較困難。在建模過 程中，需要抓住重點建立簡化模型，既能充分體現其性能特點、獲得接近真實的 仿真結論，又不保證研究結果不出現大的偏差。 4 、在使用有限元軟件對分離過程進行仿真時，由于涉及到的材料種類多，且 爆炸使結構產生大變形導致單元畸變，需要將任意拉格朗日一歐拉方法( a l e ) 和拉格朗日方法、歐拉方法相結合使用，這三種方法各有所長，如何在具體問題 中設計和運用合適的方法，需要一定的技巧和經驗。 5 、材料模型的選擇和材料參數的準確度直接影響仿真結果的可信度，錯誤的 第4 頁 國防科學技術大學研究生院碩七學位論文 材料模型和不準確的材料參數可能導致錯誤的結論。完整的材料參數包括物理參 數、力學參數、狀態方程參數等等，通常不容易全部獲得，因此仿真結果需要通 過與試驗結論和文獻資料進行對比以進行校正。 6 、仿真參數的設置對結果存在影響，有的算法對仿真參數比較敏感，不正確 的參數設置將導致仿真結果與現有結論和試驗數據存在較大偏差，需要不斷調試 和修改，使仿真結果接近真實。 7 、目前航天火工分離裝置研制中缺乏成熟和可靠的參數統計方法和分離可靠 性評估方法，其原因是火工分離裝置可靠性要求高，利用成敗型可靠性試驗成本 太高，不具備現實性，因此這方面的研究意義重大。 上述問題涉及的范圍和領域較廣，前人曾經做過一些研究，取得了一些成果。 本文對這7 個方面均有涉及，對火工分離裝置的工作過程進行了仿真，對它的工作 性能進行了分析，對設計參數進行了優化，對系統的可靠性設計方法提出了一些 改進和創新。 1 4 本文的主要工作及貢獻 針對上節提出的問題，本文主要完成了以下幾項工作： 1 、將火工分離裝置作為一個系統來進行研究。對起爆機理、傳爆規律、爆轟 過程、以及具體終端功能裝置的工作性能都進行了研究，注重各個環節之間的聯 系，側重于對具體功能裝置工作過程的仿真。建立起了起爆、傳爆的數學模型， 推導了相關公式，編寫了計算程序。通過理論研究，更好地描述了火工分離裝置 作為一個整體其性能特征，使得研究的思路更加清晰。 2 、綜合運用了三種仿真算法對火工分離裝置的工作過程進行了數值模擬： 拉格朗日方法，網格隨物質流動，可得到清晰的物質界面，便于觀察變形和流動 情況，然而不適宜處理大變形物質；歐拉方法，網格不動，物質在網格里流動， 適宜于處理流體變形問題，缺點是物質界面不便觀察；a l e 方法，對炸藥及其 它流體材料采用歐拉算法，對其余結構采用歐拉算法，其優點是炸藥和流體材料 在歐拉單元流動，不存在單元的畸變問題，并通過流固耦合方式來處理相互作用， 能方便地建立起爆炸模型。 3 、選擇了聚能切割分離裝置和膨脹管分離裝置兩種典型的火工分離裝置作為 研究對象，根據它們的結構形式和功能特點，選擇了合適的材料模型、狀態方程， 獲取和設置了較為正確的材料參數、仿真參數，建立起了它們的有限元模型。對 它們的工作過程進行了仿真，通過對仿真結果進行分析，不但可以直觀地觀察到 火工分離裝置工作性能的好壞，還能定量地獲取一些性能數據，為火工分離裝置 的設計提供了一種便捷的檢驗和優化手段。 第5 頁 國防科學技術大學研究生院碩士學位論文 4 、改變上述火工分離裝置的設計參數進行仿真分析，比較不同結構或材料下 的終端分離裝置的性能差異，得到了諸如結構形狀、尺寸、材料、裝藥等因素對 分離效果的影響，并與已有試驗數據進行對比。通過比較，得到對分離有利的設 計參數，從而達到通過仿真進行輔助優化設計的目的。 5 、對火工分離裝置的可靠性設計進行了探索。研究了可靠性模型建立、失效 分析、可靠性指標分配、可靠性設計方法、技術、流程等問題。 由于火工分離裝置設計技術的復雜性和實踐性，上述研究還僅僅是初步的， 有待結合工程實際開展更深入的研究。 第6 頁 國防科學技術大學研究生院碩十學位論文 第二章火工分離裝置系統組成與性能模型 火工分離裝置盡管形式各異，其作用機理卻大致相似，主要是通過炸藥的爆 轟作用，將炸藥蘊含的化學能釋放出來，轉變為結構的機械能或其它形式的能量， 完成破碎、切割、推沖等功能，從而達到分離的目的。它不是孤立的一個元件。 從裝藥的起爆開始，到爆轟波的傳遞、衰減、終端功能裝置的做功、以及爆炸產 生的沖擊、碎片對結構的影響等，都屬于研究的范疇。因此，要將火工分離裝置 的工作過程作為一個整體來分析，才能更好地掌握它的作用機理、工作性能和設 計方法。 本章將首先對火工分離裝置的系統組成作一個概述，闡述了各個子系統的組 成結構和作用原理，分析了火工分離裝置工作過程中能量轉換和做功之間的關系； 然后，對各個子系統建立了相應的性能模型，包括點火與起爆、沖擊波的傳遞與 衰減、裝藥的爆轟等過程，建立了上述過程的控制方程，探討了計算方法和程序。 最后，本章介紹了a l e 算法的原理，以及爆炸模擬的三種方法各自的特點。 本章是全文的理論部分，兼有部分仿真和計算，也是后文的內容中對終端功 能裝置工作過程進行仿真的理論基礎。 2 2 1 概述 2 2 火工分離裝置系統組成與工作過程 美軍標m i l h d b k 8 3 5 7 8 、美國宇航局n a s a 和i s 0 1 4 3 0 3 對火工系統的組成層 次均有較為全面的定義，將起爆系統、傳爆序列和終端功能裝置列為火工分離裝 置的基本組成【2 , 3 3 1 。此外，在火工分離裝置的作用過程中，它以爆炸沖擊、震動等 方式對周圍環境產生影響，并向周圍環境溢出氣體和碎片，而周圍環境的電磁輻 射、雜散電流、意外撞擊等因素也影響著火工分離裝置的工作。因此，可將火工 分離裝置的組成分為以下層次：起爆( 點火) 系統、非電傳爆系統、終端功能裝 置、與外部環境結構的相互作用【m j ，如圖2 1 所示： 第7 頁 國防科學技術大學研究生院碩士學位論文 2 2 2 點火起爆系統 圖2 1 火工分離裝置系統組成圖 點火起爆系統包括點火能源、起爆器、指令控制、電子安保、檢測裝置等。 其中起爆器是點火起爆系統的核心，它是通過將電能轉化為電熱橋絲的熱能或者 激光的光能，點燃引爆藥或直接起爆主裝藥，從而獲得爆轟輸入的裝置。 起爆器是火工分離裝置中使用最為廣泛的首發火工品，當前使用的大多為電 起爆器，它是通過電流的輸入使裝藥發火，并以熱、壓力及沖擊波等形式轉化為 化學能或動能的元件，根據電能引爆藥劑的方式不同可分為橋絲式、火花式和間 隙式，最為常用的是橋絲式電起爆器，它通常由