整流罩橫向分離同時(shí)性技術(shù)研究

郝家杰1，趙繼廣2，白國(guó)玉1

(1. 裝備學(xué)院 航天裝備系, 北京 101416；2. 裝備學(xué)院 裝備發(fā)展戰(zhàn)略研究所, 北京 101416)

摘要結(jié)合航天發(fā)射場(chǎng)實(shí)際，介紹了整流罩橫向分離的關(guān)鍵技術(shù)。闡述了爆炸螺栓的工作原理，以及電起爆器的工作過程。建立了整流罩橫向分離系統(tǒng)工作的數(shù)理模型并進(jìn)行了仿真，獲得了詳細(xì)的數(shù)據(jù)，得出了多路電起爆器工作的時(shí)間差；對(duì)整流罩橫向分離的同時(shí)性進(jìn)行了分析，給出了相關(guān)結(jié)論。結(jié)果表明：整流罩橫向分離的時(shí)間差在毫秒級(jí)，并且通過適當(dāng)增大電壓或調(diào)整電纜連接長(zhǎng)度與方式，可以進(jìn)一步減小分離時(shí)間差，提高分離同時(shí)性水平。

關(guān)鍵詞整流罩；爆炸螺栓；電起爆器；同時(shí)性；時(shí)間差

收稿日期2015-04-13 2015-06-30

作者簡(jiǎn)介郝家杰(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹教炜傮w任務(wù)設(shè)計(jì)與規(guī)劃。410529297@qq.com

中圖分類號(hào)V42

文章編號(hào)2095-3828(2015)06-0078-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2015.06.018

AbstractCombining with working practice of space launch site, this paper introduces the key technology of fairing’s transverse separation, describes the operating principle of explosive bolt and the working process of electric initiator. This paper establishes the numerical model of fairing’s transverse separation system and gets detailed simulation data, obtains operating time difference of multiple electric initiator ,also analyzes the simultaneity of fairing’s transverse separation. The results show that the time difference of fairing’s transverse is in milliseconds,it can be reduced by increasing the voltage appropriately and changing wire length and its connection.

Keywordsfairing; explosive bolt; electric initiator; simultaneity; time difference

基金項(xiàng)目部委級(jí)資助項(xiàng)目

Simultaneity Technology of the Fairing’s Transverse Separation

HAO Jiajie1，ZHAO Jiguang2，BAI Guoyu1

(1. Department of Space Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China；

2. Equipment Department Strategy Research Institute, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

可靠性[1]與安全性在航天發(fā)射任務(wù)中舉足輕重，而整流罩的正常分離又是將有效載荷成功送入預(yù)定軌道的關(guān)鍵一步。一些學(xué)者[2-3]對(duì)單個(gè)爆炸螺栓的起爆時(shí)間進(jìn)行了研究。本文在這些研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合航天發(fā)射場(chǎng)實(shí)際，依據(jù)運(yùn)載火箭整流罩的設(shè)計(jì)，基于爆炸螺栓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和整流罩橫向分離多路電傳爆系統(tǒng)的電纜連接方式，對(duì)整流罩橫向分離時(shí)多個(gè)爆炸螺栓同時(shí)工作的時(shí)間差進(jìn)行研究，并利用相關(guān)軟件分析計(jì)算了具體的算例，得出了某型號(hào)運(yùn)載火箭整流罩橫向分離同時(shí)性方面的特性，為航天發(fā)射任務(wù)提出了建議。

1電火工品工作原理和橫向分離延時(shí)分析

電火工品[4]在運(yùn)載火箭上應(yīng)用廣泛而且起著十分關(guān)鍵的作用，是完成大部分關(guān)鍵動(dòng)作的最后一步。其中運(yùn)載火箭整流罩通過電火工品進(jìn)行分離，涉及導(dǎo)爆索分離裝置、電起爆器、爆炸螺栓等。

1.1　電起爆器工作過程

忽略僅對(duì)系統(tǒng)造成細(xì)微影響的因素，電起爆器點(diǎn)火起爆過程的基本時(shí)間大致可分為橋絲升溫過程和藥劑吸熱分解及燃燒過程。當(dāng)通電后，橋絲按照焦耳-楞次定律產(chǎn)生熱能，橋絲升溫，熱量傳遞給藥劑使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng),藥劑化學(xué)反應(yīng)釋放熱量，加速反應(yīng)直至自動(dòng)發(fā)火。

在通電的最初階段，藥劑按照阿倫尼烏斯定律發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)速度很小，放出熱量也很少，故在這一階段忽略藥劑化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量，橋絲溫度主要由電流做功決定，并且假設(shè)：橋絲只存在徑向散熱；橋絲與藥劑接觸面為理想接觸面。查閱相關(guān)資料[5]，電起爆器起爆過程中藥劑吸熱分解及燃燒時(shí)間比橋絲升溫小得多，起爆時(shí)間可近似認(rèn)為是橋絲的升溫過程。

1.2　爆炸螺栓工作原理

削弱槽式爆炸螺栓工作原理為[6]：當(dāng)輸入端的電起爆器工作后，引爆螺栓的內(nèi)裝藥，內(nèi)裝藥爆炸產(chǎn)生高壓氣體和沖擊波作用在螺桿上，使削弱槽處的應(yīng)力超過材料強(qiáng)度極限，螺栓桿從環(huán)狀凹形削弱槽處斷裂，從而實(shí)現(xiàn)解鎖分離。其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

說明：1—電起爆器；2—螺栓體；3—主裝藥；4—密封圈； 5—螺母；6—連接件；7—削弱槽；8—活塞頂桿。 圖1　無污染削弱槽式爆炸螺栓典型結(jié)構(gòu)圖

文中研究的某型號(hào)運(yùn)載火箭整流罩，設(shè)計(jì)時(shí)在橫向端面上通過多個(gè)爆炸螺栓與箭體進(jìn)行連接。為了便于下文研究方便，文中認(rèn)為爆炸螺栓在橫向端面上等間隔排列，且假設(shè)共有8個(gè)爆炸螺栓，整流罩橫向分離多路電傳爆系統(tǒng)的連接方式按照逆時(shí)針方向采用并聯(lián)方式，具體如圖2所示。圖2中A~H分別代表整流罩橫向端面的8個(gè)爆炸螺栓。

說明：1—鉸鏈；2—爆炸螺栓盒。 圖2　整流罩橫向爆炸螺栓聯(lián)結(jié)狀態(tài)圖

圖3給出了爆炸螺栓單個(gè)聯(lián)結(jié)剖面圖。

說明：1—整流罩；2—分離面；3—爆炸螺栓。 圖3　整流罩橫向端面爆炸螺栓單個(gè)聯(lián)結(jié)剖面圖

1.3　橫向分離延時(shí)分析

整流罩分離包括縱向分離和橫向分離。縱向分離通過2根導(dǎo)爆索分離裝置，導(dǎo)爆索穩(wěn)定爆速可達(dá)6 km/s，同時(shí)性較好。而橫向分離通過多個(gè)爆炸螺栓分離裝置，橫向分離的傳爆序列如圖4所示。

圖4　橫向分離火工品傳爆序列

由圖4可知，其中包含多個(gè)延時(shí)環(huán)節(jié)，都可能對(duì)最終分離的同時(shí)性產(chǎn)生影響，故本文重點(diǎn)分析橫向分離的同時(shí)性。電起爆器起爆后，引爆爆炸螺栓釋放出爆轟波的時(shí)間一般都是微秒級(jí)，而電起爆器起爆時(shí)間一般為毫秒級(jí)，故前者可忽略不計(jì)，即可忽略圖4中的延時(shí)2；爆炸螺栓的起爆時(shí)間則認(rèn)為是電起爆器的起爆時(shí)間，同時(shí)電信號(hào)在電纜中以光速傳播，延時(shí)趨近于0，即可忽略圖中的延時(shí)1，故真正影響整流罩橫向分離同時(shí)性的因素為延時(shí)3。

2電起爆器工作數(shù)理模型分析

通過前文分析可知，提高整流罩分離同時(shí)性的關(guān)鍵在于多個(gè)電起爆器能同時(shí)起爆，即延時(shí)3越小越較好。雖然與爆炸螺栓相連的電起爆器型號(hào)相同，但由于制造工藝、貯存環(huán)境、運(yùn)輸條件等因素會(huì)使電起爆器橋絲阻值有細(xì)小的差異。同時(shí)，連接遠(yuǎn)端(圖2中H點(diǎn))和近端(圖2中A點(diǎn))電起爆器的電纜長(zhǎng)度不一樣，必然導(dǎo)致電纜阻值也不一樣。在并聯(lián)回路中，雖各條支路的電壓相同，但各支路的總阻值不一樣，導(dǎo)致各支路電流不一樣，這就使得電起爆器起爆存在一定的時(shí)間差，如果時(shí)間差超過規(guī)定閾值，則整流罩橫向分離的同時(shí)性就處于較低水平，這會(huì)導(dǎo)致分離失敗，影響火箭發(fā)射任務(wù)的順利實(shí)施。

前文規(guī)定電起爆器起爆時(shí)間可近似為橋絲的升溫過程。依據(jù)文獻(xiàn)[7]91所建立的直流放電形式下橋絲升溫模型，橋絲升溫方程可表示為

(1)

通常情況下，爆炸螺栓前端的電起爆器采用鎳鎘橋絲，裝藥為斯蒂芬酸鉛(Lead Styphnate，簡(jiǎn)稱LTNR)。LTNR作為起爆藥，受外界較小能量作用就能發(fā)生爆炸反應(yīng)，而且在很短時(shí)間內(nèi)其變化速度可增至最大。鎳鎘橋絲具體參數(shù)如表1 所示。

表1　鎳鎘橋絲材料基本參數(shù)

根據(jù)熱點(diǎn)起爆理論，當(dāng)橋絲通入足夠大電流，使橋絲溫度迅速升高并達(dá)到藥劑熱點(diǎn)臨界溫度，保持足夠長(zhǎng)時(shí)間，且傳遞給附著藥劑層的熱量超過藥劑層反應(yīng)所需能量，就可以認(rèn)為藥劑能起爆。

當(dāng)直流通電時(shí)間為tf時(shí)，橋絲產(chǎn)生的熱量為

(2)

式中,P(t)為橋絲發(fā)熱功率；tf為通電時(shí)間。因?yàn)棣梁苄?，可?+αT1=1，則式(2)積分可得

Q1=I2Rbtf

(3)

參考文獻(xiàn)[7]`(93)，通電期間傳遞給橋絲附著層藥劑的熱量可近似為 (References)

(4)

對(duì)于藥劑層發(fā)火所需的能量可近似表示為

(5)

式中,d為藥劑層厚度；ρe為藥劑密度；E為活化能；M為藥劑的分子摩爾質(zhì)量。LTNR的具體參數(shù)如表2所示。

表2　LTNR基本參數(shù)

在滿足其他必要條件的前提下，當(dāng)Q2≥Q3時(shí)，則可認(rèn)為藥劑發(fā)火，即電起爆器能夠順利起爆。

現(xiàn)在考慮電起爆器的臨界發(fā)火條件，即當(dāng)Q2=Q3時(shí)能夠滿足條件。根據(jù)式(1)可以得到關(guān)于橋絲溫度T1的表達(dá)式

(6)

將式(3)代入式(4)，結(jié)合式(5)并考慮臨界發(fā)火條件，可以得到下式

(7)

聯(lián)合式(6)與式(7)，得到方程組(8)

(8)

將各參數(shù)代入，即可求得臨界發(fā)火時(shí)間tf與輸入電流I的關(guān)系式。在航天領(lǐng)域采用的電起爆器橋絲阻值在0.9~1.2 Ω之間，取橋絲阻值的最小值及最大值，分別對(duì)單個(gè)電起爆器通入0~5 A直流電時(shí)的臨界發(fā)火時(shí)間進(jìn)行仿真，得到tf與I的關(guān)系圖[8]，如圖5和圖6所示。

圖5　0

可以得出以下結(jié)論：

1) 由圖5與圖6可知，電起爆器的發(fā)火時(shí)間極短，時(shí)間在毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)；

2) 由圖5可知，當(dāng)電流I>2 A時(shí)，由于橋絲自身阻值差異引起的電起爆器起爆時(shí)間差很小，并隨著電流的增大趨近于零；

3) 由圖5和圖6可知，當(dāng)電流0.3 A

4) 由圖5可知，當(dāng)電流0

圖6　0.5

3整流罩橫向分離同時(shí)性分析

整流罩橫向分離時(shí)通入直流電，各路電起爆器起爆數(shù)理模型的建立與分析可依據(jù)前文進(jìn)行。假設(shè)連接各爆炸螺栓的電纜沿火箭內(nèi)壁分布，同軸絞線從A點(diǎn)處分散連接。認(rèn)為各支路的電纜公共段與串聯(lián)電阻的總阻值相等，設(shè)為Rg；設(shè)相鄰爆炸螺栓間電纜阻值為R0；橋絲初始阻值為Rb。

選取具有代表性的2個(gè)電壓進(jìn)行分析，比較不同支路的電流與電起爆器起爆的時(shí)間差。分別得到了U=26 V與U=10 V，Rb=0.9Ω與Rb=1.2Ω時(shí)，各支路的電流值與電起爆器起爆時(shí)間(起爆時(shí)間的獲得依據(jù)圖6和圖7)，具體數(shù)值如表3～表6所示。分析中所采用的其余數(shù)據(jù)：橋絲直徑2.0μm，橋絲長(zhǎng)度2mm，Rg=10Ω，R0=0.25Ω。

表3　U=26 V，Rb=0.9 Ω時(shí)，

表4　U=26 V，Rb=1.2 Ω時(shí)，

表5　U=10 V，Rb=0.9 Ω時(shí)，

表6　U=10 V，Rb=1.2 Ω時(shí)，

依據(jù)表3～表6，分別求出4種不同情況下整流罩解鎖分離時(shí)，橫向爆炸螺栓起爆的最大時(shí)間差：(1) 由表3和表4可以看出，當(dāng)U=26V時(shí)，Δtmax=0.168 ms；(2) 由表5和表6可以看出，當(dāng)U=10V時(shí)，Δtmax=1.071 ms。

4結(jié)論

為更好地提高整流罩橫向分離的同時(shí)性，解決延時(shí)3帶來的影響，提出以下建議：

1) 在相同的輸入電壓下，具有最小回路阻值的電起爆器與具有最大回路阻值的電起爆器起爆時(shí)間差最大，所以在設(shè)計(jì)整流罩分離電路時(shí)，綜合其他因素，將電纜設(shè)計(jì)為相同長(zhǎng)度，減小各支路阻值差。

2) 輸入電壓越大，電起爆器起爆時(shí)間越短，各回路由于阻值差異引起的電起爆器起爆時(shí)間差越小，反之越大，所以在確保安全性與可靠性的前提下可以適當(dāng)?shù)卦龃蠊╇婋妷骸?/p>

3) 電起爆器能否作用，不僅和流經(jīng)橋絲的電流大小相關(guān)，而且和電流的持續(xù)時(shí)間有關(guān)，所以應(yīng)提高運(yùn)載火箭上電池持續(xù)供電能力。

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(編輯：李江濤)