李微微,張保剛,許 斌,俞劉建,夏 津

(上海機(jī)電工程研究所,上海 201109)

隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展,各類新型飛行器應(yīng)運(yùn)而生。鎖緊裝置作為飛行器系統(tǒng)的重要組成部分,在飛行器貯存、運(yùn)輸、發(fā)射、飛行及分離等多個(gè)任務(wù)階段具有鎖緊連接和快速解鎖的功能,對(duì)飛行器發(fā)射任務(wù)的成敗起到至關(guān)重要的作用[1]。近年來(lái)飛行器朝著飛得更高、更遠(yuǎn)和更快方向發(fā)展,對(duì)于鎖緊裝置的性能提出了越來(lái)越高的要求。按驅(qū)動(dòng)方式區(qū)分,鎖緊裝置主要有火工驅(qū)動(dòng)型鎖緊裝置和非火工驅(qū)動(dòng)型鎖緊裝置[2]。非火工驅(qū)動(dòng)型鎖緊裝置在20世紀(jì)90年代開(kāi)始逐漸興起,主要以電機(jī)觸發(fā)[3]、形狀記憶合金觸發(fā)[4]、電磁鐵觸發(fā)[5]、石蠟觸發(fā)[6]等為主體,并在一些飛行試驗(yàn)中得到了應(yīng)用,但其存在可靠性低、承載力小、機(jī)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題,尤其不適用大過(guò)載、高沖擊、強(qiáng)振動(dòng)的環(huán)境。而火工驅(qū)動(dòng)型鎖緊裝置在星箭分離、火箭級(jí)間分離、導(dǎo)彈發(fā)射分離等環(huán)節(jié)應(yīng)用廣泛[7],以爆炸螺栓、切割器、分離螺母等為其應(yīng)用主體[8]。

本文基于平行四邊形機(jī)構(gòu)原理,提出一種基于主被動(dòng)解鎖相結(jié)合的飛行器鎖緊裝置,采用火工爆炸螺栓主動(dòng)解鎖和二級(jí)鎖緊銷被動(dòng)機(jī)械解鎖的兩級(jí)鎖緊解鎖方式,完成了產(chǎn)品樣機(jī)研制和性能測(cè)試,技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

1 設(shè)計(jì)需求分析

飛行器鎖緊裝置在飛行器貯存、運(yùn)輸、發(fā)射及解鎖分離各個(gè)任務(wù)階段都發(fā)揮著極為重要的作用,因此需要根據(jù)工作任務(wù)對(duì)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行分析。

1)功能需求。在貯存、運(yùn)輸及發(fā)射階段,保證飛行器可靠鎖緊,有效適應(yīng)運(yùn)輸及發(fā)射階段的大過(guò)載、高沖擊及強(qiáng)振動(dòng)載荷環(huán)境;在解鎖分離階段,快速完成一級(jí)主動(dòng)解鎖和二級(jí)被動(dòng)解鎖;在鎖緊裝置實(shí)施兩級(jí)解鎖的過(guò)程中,運(yùn)載體內(nèi)無(wú)多余物產(chǎn)生;在飛行器分離過(guò)程中,鎖緊裝置不與其發(fā)生干涉。

2)指標(biāo)要求。鎖緊裝置需能承受78 kN軸向載荷;一級(jí)鎖緊釋放模塊在解鎖指令給出后需在30 ms內(nèi)完成解鎖;鎖緊裝置一級(jí)主動(dòng)解鎖完成后,二級(jí)鎖緊釋放模塊需能承受1 kN的過(guò)載及振動(dòng)載荷;鎖緊裝置總質(zhì)量不超過(guò)10 kg(不含安裝座)。

2 鎖緊裝置設(shè)計(jì)

主被動(dòng)解鎖相結(jié)合的飛行器鎖緊裝置基于平行四邊形機(jī)構(gòu)原理進(jìn)行設(shè)計(jì),利用平行四邊形機(jī)構(gòu)的平動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)飛行器鎖緊及解鎖,機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠、結(jié)構(gòu)輕巧。裝置包含一級(jí)鎖緊解鎖模塊和二級(jí)鎖緊解鎖模塊。一級(jí)鎖緊解鎖模塊采用爆炸螺栓進(jìn)行鎖緊,利用承載連桿進(jìn)行承載,并在分離點(diǎn)實(shí)現(xiàn)可靠、快速主動(dòng)解鎖。二級(jí)鎖緊解鎖模塊主要在一級(jí)鎖緊解鎖裝置解鎖后,有效克服飛行振動(dòng)及過(guò)載環(huán)境,并在飛行器分離時(shí)利用動(dòng)力裝置將二級(jí)鎖緊銷沿軸向拉斷,實(shí)現(xiàn)二級(jí)鎖緊解鎖模塊被動(dòng)解鎖。

2.1 裝置總體構(gòu)成

如圖1所示,主被動(dòng)解鎖相結(jié)合的飛行器鎖緊裝置由承載連桿、爆炸螺栓安裝架、二級(jí)鎖緊銷、爆炸螺栓、鎖緊螺母、安裝座、轉(zhuǎn)軸及擺桿等組成。

圖1 鎖緊裝置總體構(gòu)成

2.2 一級(jí)鎖緊解鎖模塊設(shè)計(jì)

如圖2所示,一級(jí)鎖緊解鎖模塊主體由平行四邊形機(jī)構(gòu)和爆炸螺栓及鎖緊螺母組成。爆炸螺栓左側(cè)與爆炸螺栓安裝架相連,右側(cè)通過(guò)鎖緊螺母進(jìn)行鎖緊,采用雙爆炸螺栓對(duì)稱布置,有效克服運(yùn)輸及發(fā)射過(guò)程的惡劣環(huán)境,實(shí)現(xiàn)飛行器有效鎖緊。

圖2 一級(jí)鎖緊模塊

爆炸螺栓本體使用13Cr11Ni2W2MoV,其為馬氏體耐熱鋼,熱處理后抗拉強(qiáng)度不低于1 080 MPa,爆炸螺栓承載面拉斷載荷F0為:

F0=0.65σb×πd1h

(1)

式中:σb為材料抗拉強(qiáng)度,d1為預(yù)斷面直徑,h為預(yù)斷面厚度。

拉斷載荷與預(yù)斷面直徑和預(yù)斷面厚度息息相關(guān),最終爆炸螺栓預(yù)斷面直徑設(shè)計(jì)為12 mm,預(yù)斷面厚度設(shè)計(jì)為2.5 mm,單個(gè)爆炸螺栓能夠承受66.16 kN載荷,雙爆炸螺栓并聯(lián)布置可承受132.32 kN載荷,滿足78 kN軸向載荷使用要求。

到達(dá)分離點(diǎn)后,爆炸螺栓根據(jù)控制指令進(jìn)行主動(dòng)解鎖,在爆炸沖擊力作用下,爆炸螺栓螺釘頭帶著鎖緊螺母高速飛出運(yùn)載體,有效避免多余物產(chǎn)生。一級(jí)鎖緊解鎖模塊利用火工鎖緊解鎖方式,具有承載能力強(qiáng)、解鎖可靠性高、解鎖動(dòng)作快等優(yōu)勢(shì)。

2.3 二級(jí)鎖緊解鎖模塊設(shè)計(jì)

如圖3所示,二級(jí)鎖緊解鎖模塊主體為二級(jí)鎖緊銷,二級(jí)鎖緊銷采用易斷裂不脫落雙段螺紋結(jié)構(gòu)形式,左側(cè)通過(guò)螺紋安裝在爆炸螺栓安裝架上,右側(cè)利用軸肩與承載連桿面面接觸,并在軸肩與左側(cè)螺紋間設(shè)置了薄弱段和中部螺紋段。在一級(jí)鎖緊解鎖模塊可靠完成解鎖后,二級(jí)鎖緊解鎖模塊仍要能夠承受1 kN過(guò)載及振動(dòng)載荷,因此需對(duì)二級(jí)鎖緊銷進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

圖3 二級(jí)鎖緊模塊

金屬材料理論承受軸拉載荷F計(jì)算公式[9]為:

(2)

式中:d為二級(jí)鎖緊銷薄弱段直徑。

承載能力與材料和直徑息息相關(guān),最終二級(jí)鎖緊銷材料選擇5A06,薄弱段直徑設(shè)計(jì)為3.3 mm,能夠有效承受1.5 kN載荷,滿足使用要求。

飛行器分離指令給出后,在動(dòng)力裝置作用下,二級(jí)鎖緊銷可靠被拉斷,平行四邊形機(jī)構(gòu)完成翻倒,徹底解除對(duì)飛行器的軸向約束,二級(jí)鎖緊解鎖模塊有效完成被動(dòng)解鎖過(guò)程。在中段螺紋作用下,斷裂后的二級(jí)鎖緊銷自由段可靠留在承載連桿上,確保飛行器分離后無(wú)高速飛出的脫落物產(chǎn)生。

3 鎖緊裝置承載性能仿真分析

鎖緊裝置在貯存、運(yùn)輸及發(fā)射階段,主要依靠一級(jí)鎖緊釋放模塊承受軸向過(guò)載?；贏BAQUS[10-11]針對(duì)一級(jí)鎖緊釋放模塊進(jìn)行承載性能仿真分析,仿真條件為軸向載荷78 kN。為了提升計(jì)算速度和網(wǎng)格質(zhì)量,針對(duì)裝置模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,去除無(wú)影響的零部件及結(jié)構(gòu)特征,利用C3D8I單元完成網(wǎng)格劃分,如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格模型

將78 kN軸向載荷施加于有限元模型中,分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形響應(yīng)情況,計(jì)算結(jié)果云圖如圖5所示。

圖5 一級(jí)鎖緊模塊計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示:接觸應(yīng)力最大值為680.1 MPa,出現(xiàn)在承載連桿與飛行器相接觸的兩側(cè)凸臺(tái)位置。承載連桿材料為40Cr,其抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度分別為980 MPa和785 MPa,大于承載連桿的最大接觸應(yīng)力。最大變形與最大接觸應(yīng)力出現(xiàn)位置相同,最大變形為0.915 mm,對(duì)裝置工作性能無(wú)明顯影響。

綜上所述,鎖緊裝置的承載性能滿足要求,且具有一定安全裕度,能夠安全承載78 kN軸向載荷。

4 地面原理樣機(jī)試驗(yàn)

4.1 二級(jí)鎖緊解鎖模塊驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)二級(jí)鎖緊解鎖模塊承載性能進(jìn)行考核,能夠獲取二級(jí)鎖緊銷實(shí)際拉斷載荷。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示(系統(tǒng)不含爆炸螺栓),試驗(yàn)利用加載系統(tǒng)施加軸向載荷。試驗(yàn)正式開(kāi)始前先進(jìn)行空載軸拉試驗(yàn),獲取試驗(yàn)系統(tǒng)的摩擦阻力。正式拉斷試驗(yàn)重復(fù)實(shí)施5次,分別獲取二級(jí)鎖緊銷的拉斷載荷,見(jiàn)表1。

表1 二級(jí)鎖緊銷拉斷試驗(yàn)結(jié)果

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)

二級(jí)鎖緊解鎖模塊試驗(yàn)結(jié)果表明,試驗(yàn)系統(tǒng)的摩擦阻力在0.664 kN左右,二級(jí)鎖緊銷拉斷載荷為2.22～2.43 kN,去除系統(tǒng)摩擦阻力后載荷為1.556～1.766 kN,與設(shè)計(jì)值一致性良好,滿足1 kN的承載要求。

4.2 鎖緊裝置承載性能試驗(yàn)

為了獲取鎖緊裝置在運(yùn)輸及發(fā)射飛行工況下的承載性能,開(kāi)展了鎖緊裝置承載性能驗(yàn)證試驗(yàn),在圖6試驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了爆炸螺栓模擬件(不裝藥),試驗(yàn)件總質(zhì)量為6.17 kg。試驗(yàn)利用加載系統(tǒng)施加78 kN軸向載荷并保持1 min,獲取承載連桿與飛行器相接觸的兩側(cè)凸臺(tái)位置變形數(shù)據(jù),見(jiàn)表2。

表2 承載連桿試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果對(duì)比

鎖緊裝置承載性能試驗(yàn)結(jié)果表明,鎖緊裝置在78 kN軸向大過(guò)載情況下能夠可靠承載,結(jié)構(gòu)件無(wú)破壞,承載連桿關(guān)鍵位置變形情況與仿真計(jì)算結(jié)果一致性良好,最大誤差為12.8%,鎖緊裝置的承載性能滿足指標(biāo)要求。

4.3 鎖緊裝置解鎖性能試驗(yàn)

為了評(píng)估鎖緊裝置的解鎖性能,進(jìn)行了地面發(fā)射分離試驗(yàn),試驗(yàn)使用動(dòng)力裝置作為飛行器的分離動(dòng)力,使用的爆炸螺栓為真實(shí)火工品(裝藥)。試驗(yàn)使用發(fā)控系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)時(shí)序?qū)Ρ菟皠?dòng)力裝置實(shí)施點(diǎn)火,模擬鎖緊裝置主動(dòng)及被動(dòng)兩級(jí)解鎖過(guò)程,利用高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝鎖緊裝置解鎖過(guò)程。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 解鎖性能試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明,爆炸螺栓可靠實(shí)施主動(dòng)解鎖,螺釘頭(帶鎖緊螺母)高速飛出,利用高速攝像有效獲取螺釘頭分離速度為40 m/s,解鎖時(shí)間小于3 ms,螺釘頭能夠安全分離。

在彈射動(dòng)力裝置作用下,二級(jí)鎖緊銷可靠拉斷,被動(dòng)解鎖有效完成,機(jī)構(gòu)順暢展開(kāi),解除對(duì)飛行器的軸向約束作用,二級(jí)鎖緊銷自由段可靠殘留在承載連桿上,主、被動(dòng)解鎖均完成后未在運(yùn)載體內(nèi)形成多余物,滿足設(shè)計(jì)要求。裝置解鎖展開(kāi)后狀態(tài)如圖8所示。

圖8 裝置解鎖展開(kāi)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)飛行器多任務(wù)復(fù)雜工況下鎖緊解鎖裝置設(shè)計(jì)需求,研制了一種主被動(dòng)解鎖相結(jié)合的飛行器鎖緊裝置。該裝置是一種爆炸螺栓主動(dòng)解鎖和二級(jí)鎖緊銷被動(dòng)解鎖相結(jié)合的兩級(jí)鎖緊解鎖裝置,通過(guò)仿真分析及地面原理樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證,具有性能指標(biāo)優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力大、解鎖響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì),在飛行器發(fā)射領(lǐng)域具有巨大的工程應(yīng)用前景。目前該裝置還停留在原理樣機(jī)階段,后續(xù)將開(kāi)展可靠性試驗(yàn)及環(huán)境試驗(yàn),在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)裝置不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以進(jìn)一步提升其性能。