火工分离装置的性能研究

火工分离装置的性能研究

陈子德

陈子德

贵州荣基安全科技有限责任公司贵州550003

摘要：火工分离装置广泛用于航天飞行器上完成各种关键功能。它的成败直接关系到空间飞行器的任务完成，以及人员与设备的安全。传统的研制途径是采用经验设计-试验-修改的方式，需要反复试验和修改设计，造成了工程成本和研制周期的增加。本文主要针对火工分离装置的性能方面的内容进行了简要论述，以供参阅。

关键词：火工；分离装置；性能

引言：火工分离装置技术涵盖的范围非常的广泛，由于空间环境的复杂性，功能测试技术、起爆技术、靠性安全性技术等都有着各自的应用，在航天火工分离装置运用当中，它的设计、验证和使用都有着严格的规定和控制，与普通军械中的弹药系统以及战斗部环境有着非常多的不同的地方，因此需要考虑与结构、机构相联系，从而更好的完成各种机械功能，同时对于它的耐空间环境能力，与点火系统的匹配以及与接口元件的相互作用或者是对相关设备的影响等等方面来对产品的可靠性以及性能来进行验算和考核。

1火工分离装置的概述

火工技术是航天器的关键技术之一，几乎每个航天器均需要几个到几十个火工装置完成关键程序动作和任务。火工装置也称为火工品(pyrotechnics，广义上指利用火炸药燃烧或爆炸反应时产生的光、色、声、烟、气动等效应完成规定功能的元件和装置的总称。火工品大量使用在武器上，如雷管、火帽、导爆索、点火器、延期装置、发烟弹、曳光弹等。在卫星等航天器上使用的火工品大多是用于完成机械功能的爆炸驱动装置，其做功的能力是基于释放出的高温高压气体和爆轰波，为区别于普通火工品，常称为火工装置(pyrotechnicdevices或explosivedevices，explosive-actuateddevices。在空间飞行器上，火工装置主要用于完成卫星释放、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，各种舱盖弹射，液、气管路通断，绳缆切割等功能，研制出的产品有几十种，包括爆炸螺栓、解锁螺栓、拔销器、切割器、分离螺母、弹射筒、作动筒、电爆阀门等。这些装置被用来推或拉负载，锁定和释放机构，操作开关等，大都设计成活塞作动装置。从二十世纪五十年代末航天工业开始，就出现了各种火工释放装置。也正是航天工业使得传统的火工品更加精确和可靠。这些装置经不断的改进和发展形成了今天的火工分离装置的设计。

2火工分离装置的基本原理和工作过程

2.1火工分离装置的作用原理

通常，火工分离装置由电起爆器、主装药剂、活塞和壳体组成。当系统发出点火指令，发火线路被接通，电起爆器在电流作用下起爆发火，然后点燃主装药，药剂燃烧产生高温高压气体进入燃烧室，推动活塞作功。活塞通常在工作前被剪切销或其他方式固定，防止飞行中因振动冲击发生运动。活塞在火药燃气推动下剪断剪切销，继续加速运动，所产生的作用可以是:a)推动一定质量的物体，并将物体加速到规定速度;b)产生推动力，驱动相连机构克服负载完成直线或旋转运动;c)直接撞击带有削弱槽的部件，使部件在指定位置断裂、分离;d)活塞前端可设计为切刀形状，用于切割管、棒、绳、缆等;e)活塞也可设计成类似插销锁定的形式，工作后回缩释放机构。火工分离装置的作用过程实质上是一个能量转换过程，首先是电能通过电起爆器的桥丝产生焦耳效应，药剂被加热发生化学燃烧反应，释放出热量和气体，燃气推动活塞膨胀作功，其内能转换为活塞的动能或其他形式的机械能。

2.2火工分离装置的工作过程

火工分离装置在工作过程中经历了一系列物理和化学变化，涉及到能量的释放和转换。装置工作时，首先是电起爆器的桥丝通电后被加热，热量传递给紧贴桥丝的药剂，药剂被加热升温，在达到自动点火温度后开始化学反应，储存在火药中的化学能通过放热反应以燃气内能的形式释放出来，高温高压燃气推动负载膨胀作功，转换为机械功输出，同时一部分热量通过装置的内壁散失，一部分能量由于摩擦、变形等因素而耗散掉。本课题主要研究从药剂化学能转换为输出机械功的过程，也就是装置的功能实现过程。第一个过程属于起爆或点火理论，已有专门的理论研究。

3火工分离装置的性能模型

火工分离装置通过性能设计以及可靠性设计相互结合，完成产品所要现的能力，在技术指标的分析与研究当中，找出产品质量的影响因素，提出可靠性模型。火工分离装置中点火起爆器时它的一个重要的组合部件，对它的安全性和可靠性有着直接的影响，点火的可靠性指的是它的发火的最小能量，相应的安全性则指的是能够最大程度上不发火能量。每一个传爆组件通过非电传爆序列来对后续组件和输入组件相互适应，前一个组件通过传爆序列的燃烧可靠性来提升终端功能装置的可靠性。对于有的火工分离装置，起爆器直接起爆主装药，传爆距离非常短，若使用经过充分验证的定型起爆器和装药，点火起爆的可靠性就非常高，这种情况下，可将传火传爆的可靠性近似为1。终端功能装置是将炸药的爆炸燃烧能量转换为机械输出功或其它形式的能量的装置，它的可靠性直接反应了输出性能的可靠性，其实质是能量转换输出和做功的能力。它是可靠性设计和分析的重点，它的可靠性要求可以用一些指标来表示，如应力、作用时间、分离效果、速度等。结构强度是指火工分离装置要能达到的连接力指标，能够承受一定的力学环境，并且除了完成做功的需要外，结构不能产生意外的破坏。

4输出性能预计与分析

影响分离装置性能的因素很多，包括火药的性能，装药量，装置的结构尺寸，外部阻力和载荷等，在产品设计时需要综合考虑，但以往在设计阶段很难给出判断。这些问题仅靠试验方法是很难全面掌握的。只有采用计算机仿真的方法，才可能预计分离装置在各种边界条件下输出性能，分析得到各种参数对输出性能的影响程度，为设计提供定量信息和指导。

5可靠性设计与分析

火工分离装置大多用于完成航天飞行器的关键程序动作和任务，对可靠性的要求非常高，通常要求设计可靠性大于0.99(置信度o.9s)。但由于火工分离装置是一次性作用，而且批量小，因此无法采用传统的机械或电子产品的分析和评定方法。尽管存在各种各样的可靠性分析与评估方法，但目前仍没有一个适合火工分离装置的统一标准。部分原因是这些方法往往试图凭借某个简单的概率模型来给出一个的可靠度数值，而忽略了可靠性评估的真正工程意义。从1990年代后，性能裕度的概念已逐渐被重视，在火工的基础标准中均贯穿了这一思想。可靠性的分析评估的目的是确定设计、制造和应用等方面的薄弱环节，并加以预防和改进。目前已采用的一些可靠性方法都存在一定的缺点，因此需要采用定性和定量试验相结合的工程方法来分析评估火工分离装置的可靠度。这种方法应基于性能裕度的原则，通过一系列定性功能验证方法和试验程序进行性能裕度的验证。

结束语：

综上所述：近年来世界航天事业不断的发展和进步，同时也使得竞争不断的增加，在这其中推动了火工装置技术的测试以及使用方法的发展，各国在航天系统中都十分重视开发火工品技术的运用，不断的通过人力财力的投入，使人们增加对小型化、高可靠性的装置进行应用，提升自身的竞争优势。

参考文献：

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[2]杨帅.基于变截面柔性铝环包带式分离装置的研究[D].哈尔滨工业大学.2017

[3]曹乃亮，徐宏，辛宏伟，李志来.冲击载荷作用下火工分离保护装置的建模与分析[J].振动与冲击，2015，08：20-25.