劉謀華，萬(wàn)里鵬，邵翔翔，吳兆洪，蔡 毅

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

爆炸切割是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種重要的爆破方法，廣泛應(yīng)用于宇航、軍事和民用等領(lǐng)域，因此在國(guó)內(nèi)外開展了廣泛的研究。在研究巖石爆炸切割、爆炸切割拆船、油井井下設(shè)施切割、航天分離切割等方面做了大量的工作。但對(duì)航空非定向有機(jī)玻璃的爆炸切割方面的應(yīng)用研究，在國(guó)內(nèi)較少。

為了保障飛行員在地面應(yīng)急不彈射的情況下能快速安全出艙，國(guó)內(nèi)外大部分飛機(jī)已采用地面應(yīng)急出艙設(shè)計(jì)，廣泛應(yīng)用的有應(yīng)急拋蓋、座艙蓋破裂等技術(shù)。某型飛機(jī)采用右側(cè)翻式艙蓋開啟，受結(jié)構(gòu)、重量、空間、成本等因素的限制，實(shí)現(xiàn)側(cè)翻拋蓋代價(jià)巨大，同時(shí)考慮到飛機(jī)迫降承受沖擊過載造成結(jié)構(gòu)或者艙蓋變形，艙蓋鎖打不開，有可能會(huì)造成座艙蓋拋放失敗，影響飛行員生命安全。因此最合適的是在飛機(jī)座艙蓋玻璃周緣敷設(shè)一根柔性切割索，以此破裂座艙蓋達(dá)到應(yīng)急出艙的目的。切割索最大的優(yōu)點(diǎn)是速度快和使用維護(hù)簡(jiǎn)單方便。

相對(duì)于巖石切割、拆船切割等其他高切割能力柔性切割索，座艙蓋透明件切割需要考慮切割時(shí)對(duì)飛行員的影響和防護(hù)，因此，本文主要從切割效果、沖擊噪聲和對(duì)飛行員的防護(hù)方面開展柔性切割索的應(yīng)用研究。

1 柔性切割索應(yīng)用研究

柔性切割索切割飛機(jī)座艙蓋透明件，主要從透明件材質(zhì)、切割索設(shè)計(jì)（護(hù)套、材質(zhì)、裝藥量）、切割索安裝和布置、噪聲控制及艙內(nèi)防護(hù)、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面進(jìn)行研究。

1.1 切割機(jī)理

當(dāng)柔性切割索被引爆后，切割索內(nèi)炸藥爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體，使切割索藥型罩的金屬材料熔化，由于切割索為對(duì)稱的倒“V”字結(jié)構(gòu)，切割索內(nèi)襯出現(xiàn)塌陷，在對(duì)稱面形成高速高溫連續(xù)金屬射流；高溫射流侵徹切割到玻璃中，從而形成一個(gè)較淺的切痕，后續(xù)的金屬射流沿著切痕繼續(xù)侵徹玻璃體，從而加深切痕，累積以上過程直至玻璃體被完全切割開。切割目標(biāo)發(fā)生斷裂。在這個(gè)過程中，切割索藥型罩的金屬流體顆粒伴隨著爆炸沖擊波向四周飛散。爆炸切割過程見圖1。

1.2 座艙蓋玻璃

某型機(jī)座艙蓋玻璃采用8mm厚的YB-M-3航空非定向有機(jī)玻璃。YB-M-3有機(jī)玻璃板材主要成分是聚甲基丙稀酸甲酯，經(jīng)本體澆鑄聚合成，具有較大的拉伸強(qiáng)度，較好的成型加工工藝性能。YB-M-3有機(jī)玻璃的缺點(diǎn)是硬度小，容易劃傷；抗裂紋擴(kuò)展能力較差；受到溫度、日光和溶劑等的作用時(shí)，性能會(huì)降低，其強(qiáng)度性能見表1。切割玻璃時(shí)，玻璃會(huì)產(chǎn)生碎片，需要考慮玻璃碎片的掉落范圍，保證人員安全。

圖1 爆炸切割過程

表1 YB-M-3有機(jī)玻璃材料強(qiáng)度性能

1.3 切割索設(shè)計(jì)

切割索結(jié)構(gòu)一般由炸藥、藥形罩(外殼)和防護(hù)套組成，見圖2所示。

圖2 切割索組成

1.3.1 藥型罩設(shè)計(jì)

藥形罩的材料要求塑性好，在爆炸切割過程中不氣化，且在廠房?jī)?nèi)施工后不形成污染。一般可取的材料有紫銅、黃銅、軟鐵、鉛、鋁、銀、鎘等。對(duì)于同一種炸藥，鉛外殼微爆索切割深度相對(duì)較大，工藝性能較好，因此藥型罩選用鉛材料。切割索是面對(duì)稱的線性結(jié)構(gòu)，藥型罩呈倒“V”型結(jié)構(gòu)，切割索殼體與藥型罩為一體式設(shè)計(jì)，采用一次成型整體壓制工藝使切割索內(nèi)部為均勻、對(duì)稱裝藥，如圖3所示。

圖3 藥型罩示意圖

1.3.2 切割索炸藥的選擇及裝藥量設(shè)計(jì)

1.3.2.1 切割索炸藥的選擇

在一般的爆炸切割中，為了提高切割效果，炸藥切割力越大越好。切割航空有機(jī)玻璃這種高分子材料并不需要太大的切割力，且為了易于控制切割深度，選擇了3種鈍化炸藥，分別為六硝基芪 (HNSII)、奧克托金(HMX)、黑索今(RDX)3種鈍化炸藥。在充分考慮切割效果及生產(chǎn)安全性的基礎(chǔ)上，選用HNSII作為切割索炸藥，HNSII具有熱感度低的特性，化學(xué)穩(wěn)定性好。

1.3.2.2 切割索裝藥量設(shè)計(jì)

根據(jù)飛機(jī)座艙的特殊性，對(duì)座艙蓋玻璃進(jìn)行切割時(shí)，切割索裝藥量設(shè)計(jì)原則是滿足切割技術(shù)指標(biāo)的前提下，盡量減少裝藥量，降低沖擊波、爆轟產(chǎn)物和噪音對(duì)座艙內(nèi)人員及操作人員的傷害。

經(jīng)過數(shù)據(jù)模擬，有機(jī)玻璃破壞深度與裝藥量基本呈線性關(guān)系，關(guān)系如式(1)[1]。

式中：h為有機(jī)玻璃破壞深度，單位mm；a為裝藥量(炸藥填裝線密度，單位g/m)。

有機(jī)玻璃厚度為8mm，考慮1.2的安全系數(shù)，因此切割索裝藥量為1g/m。

1.3.3 安全防護(hù)套設(shè)計(jì)

在切割索切割玻璃過程中，切割索藥型罩的金屬流體顆粒伴隨著爆炸沖擊波向四周飛散。為避免爆炸沖擊及飛散物對(duì)飛行員的損傷，同時(shí)保護(hù)切割索更好地耐受自然環(huán)境和飛機(jī)的機(jī)械環(huán)境，會(huì)設(shè)計(jì)切割索保護(hù)套或者類似結(jié)構(gòu)。根據(jù)爆炸的特點(diǎn)以及防護(hù)裝置材料所要求的彈性和韌性，選擇純橡膠材料作為防護(hù)套[2]。

1.3.4 切割索的布置和安裝

YB-M-3有機(jī)玻璃板材主要成分是聚甲基丙稀酸甲酯，對(duì)有機(jī)溶劑很敏感，會(huì)產(chǎn)生腐蝕銀紋。采用3M膠將切割索粘貼在座艙蓋玻璃上，工藝簡(jiǎn)單，具有較高的粘貼強(qiáng)度和抗老化性能，不腐蝕玻璃，同時(shí)便于控制安裝炸高，確定最佳裝藥量。切割索盡可能粘貼在玻璃邊緣位置，盡量減少對(duì)飛行員視野的影響。

1.4 元件試驗(yàn)

根據(jù)1.3的切割索設(shè)計(jì)結(jié)果，生產(chǎn)了切割索試驗(yàn)件，同時(shí)生產(chǎn)了8mm厚平板玻璃元件，經(jīng)過邊框夾持。將切割索粘貼在玻璃邊緣，進(jìn)行元件切割試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，元件完全切割開，切割面平整。

圖4 元件切割試驗(yàn)

1.5 爆炸沖擊對(duì)人員的損傷安全極限

1.5.1 聽覺損傷安全極限

采用爆炸切割清理彈射通道時(shí)，爆炸沖擊波可能對(duì)飛行員的聽覺產(chǎn)生損傷。爆炸切割清理彈射通道時(shí)，爆炸沖擊波對(duì)人員的聽覺損傷安全極限計(jì)算方法見式（2）[3]，計(jì)算結(jié)果單位為 dB。

式（2）中：TA為超壓持續(xù)時(shí)間，取 0.5 ms；N 為爆炸次數(shù)，可根據(jù)清理彈射通道時(shí)爆炸切割的次數(shù)確定。由于飛行員在彈射時(shí)佩戴保護(hù)頭盔，可以在式（2）計(jì)算的基礎(chǔ)上增加20dB[4]。

1.5.2 非聽覺損傷安全極限

爆炸切割清理彈射通道時(shí)，爆炸沖擊波可能同時(shí)對(duì)飛行員的非聽覺產(chǎn)生損傷，非聽覺損傷安全極限計(jì)算方法見式（3）[5]，計(jì)算結(jié)果單位為 kPa。

式（3）中：Tc 為超壓持續(xù)時(shí)間，取 0.5ms；N 為爆炸次數(shù)，可根據(jù)清理彈射通道時(shí)爆炸切割的次數(shù)確定。由于飛行員在彈射時(shí)穿戴飛行服、代償服等服裝，可以在式（3）計(jì)算的基礎(chǔ)上乘以1.3～1.5系數(shù)。為保持同1.1部分相同的標(biāo)準(zhǔn)，按式（3）計(jì)算后再按式（4）進(jìn)行單位換算。

式（4）中：P0為參考聲壓級(jí)，取 20μPa。

1.5.3 損傷安全極限確定

在按式（2）計(jì)算的結(jié)果上增加20dB；將按式（3）計(jì)算的結(jié)果乘以1.5的系數(shù)，按式（4）換算，兩者取最小值，即可得到爆炸沖擊對(duì)人員的損傷安全極限[4]。

根據(jù)以上的計(jì)算方法，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，爆炸切割應(yīng)急出艙通道時(shí)，爆炸沖擊波對(duì)飛行員的損傷安全極限為190dB。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)及結(jié)果

通過地面聯(lián)合試驗(yàn)檢驗(yàn)切割索對(duì)座艙蓋透明件的切割效果及爆炸切割過程中飛行員位置的噪音、沖擊波超壓和爆轟產(chǎn)物飛濺情況，并測(cè)試其試驗(yàn)值。

將切割索緊貼在前、后座艙蓋玻璃四周，后艙玻璃先炸，延時(shí)0.4s后，前艙玻璃后炸。起爆切割索后，檢測(cè)切割索對(duì)玻璃的切割效果，測(cè)試點(diǎn)噪音、沖擊波超壓數(shù)值。

在前后座艙內(nèi)假人的左、右耳附近位置以及胸部位置各布置1只噪聲傳感器，當(dāng)座艙蓋破裂系統(tǒng)工作時(shí)，噪聲傳感器測(cè)得的電壓信號(hào)輸入到動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀內(nèi)，通過一系列分析得到噪聲的聲壓信號(hào)，從而得到艙蓋破裂系統(tǒng)工作時(shí)的沖擊噪聲壓力-時(shí)間曲線（Pa-t曲線），按GJB349.28-90第2.3條和 GJB1158-91第3.4條的定義，從曲線中得到持續(xù)時(shí)間T，再按GJB2A-96第5.1條的要求和GJB1158-91第5.1條的要求得到該持續(xù)時(shí)間下的噪聲安全限值，與實(shí)測(cè)噪聲進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試原理框圖見圖5。

本次噪聲測(cè)試采樣率設(shè)置為204.8 kHz，噪聲測(cè)試結(jié)果見表2，所有安全限值均是未加防護(hù)狀態(tài)下的限值。

圖5 噪聲測(cè)試原理框圖

表2 噪聲測(cè)試結(jié)果

2.2 試驗(yàn)分析

后艙左耳（1#）和前艙右耳（5#）噪聲傳感器敏感面被切割索橡膠碎片打到，導(dǎo)致測(cè)試信號(hào)過載，故未分析。

考慮到飛行員戴有頭盔和穿有防護(hù)服裝，玻璃破裂過程中艙內(nèi)產(chǎn)生的脈沖噪聲及沖擊波最大超壓峰值未超出GJB 2A-1996和GJB 1158-1991規(guī)定的安全限值；

從圖6可以看出，座艙蓋玻璃被完全切割開，切割面平整，通過推開玻璃，飛行員可快速出艙或者地面人員可以快速營(yíng)救飛行員。

圖6 地面聯(lián)合試驗(yàn)切割效果

2.3 優(yōu)化措施

噪聲傳感器敏感面被切割索橡膠碎片打到，說(shuō)明切割索切割玻璃時(shí)，產(chǎn)生的反作用力會(huì)克服3M膠粘貼力，將橡膠碎片擊打在飛行員身上，因此在切割索邊上安裝一個(gè)擋板 （見圖7），擋板安裝在艙蓋骨架上，既可以擋住橡膠碎片，也能減小沖擊噪聲壓力。

圖7 優(yōu)化方案

3 結(jié)論

1）采用的柔性切割索應(yīng)用在飛機(jī)座艙蓋上，切割非定向有機(jī)玻璃的效果良好，能夠在保證飛行員安全的條件下實(shí)現(xiàn)地面快速應(yīng)急出艙。

2）通過地面試驗(yàn)及噪音、沖擊波超壓試驗(yàn)驗(yàn)證，玻璃破裂過程中艙內(nèi)產(chǎn)生的脈沖噪聲及沖擊波最大超壓峰值未超出GJB 2A-1996和GJB 1158-1991規(guī)定的安全限值。

3）切割索粘貼在非定向有機(jī)玻璃上，安裝方便，易于操作，不會(huì)腐蝕玻璃。