某型火工解锁装置降冲击设计与试验验证

王 萌，周志涛，林德贵，周徐斌，王文涛

（1.上海卫星工程研究所，上海 200240；2.空间机热一体化技术实验室，上海 200240；3.北京空间机电研究所，北京 100076）

某型火工解锁装置降冲击设计与试验验证

王 萌1，2，周志涛1，林德贵1，2，周徐斌1，2，王文涛3

（1.上海卫星工程研究所，上海 200240；2.空间机热一体化技术实验室，上海 200240；3.北京空间机电研究所，北京 100076）

某型火工解锁装置主要用于星上大型载荷的连接和分离，针对其解锁冲击大的情况开展了降冲击理论研究，完成了基于蜂窝缓冲原理的降冲击改进设计。试验验证表明，改进前后的冲击峰值由大于11 000g降低到1500g以下，降冲击设计效果明显。

火工解锁装置；解锁螺栓；解锁冲击；蜂窝缓冲

0　引言

为有效隔离平台热变形、微振动对有效载荷工作的影响，同时保证有效载荷能够承受发射过程的振动环境，卫星上需要使用解锁装置［1-3］。火工解锁装置的解锁靠火药爆炸能实现，工作过程中会产生很大的冲击载荷。根据国内外航天器飞行故障统计数据，由火工爆炸冲击直接或间接引起的故障属高发事件，甚至会造成灾难性后果［4］。随着航天器各种敏感载荷、高集成度器件的使用，对平台抗冲击能力的要求越来越高。能否有效降低冲击量级，已成为评价航天器平台性能的重要指标。

某型火工解锁装置用于星上大型遥感载荷的连接。本文针对其在解锁过程中所产生的过大冲击问题，进行降冲击设计，并通过试验验证设计效果。

1　解锁装置

1.1装置构成

解锁装置由解锁螺栓、缓冲垫、弹簧、微动开关组件、展开指示支架、解锁点调节支架、压紧螺母等组成（见图1）。其中，解锁螺栓型号为楔块式火工锁，主要由内筒和外筒构成，内筒与载荷连接，外筒与卫星载荷舱底板连接。发出解锁指令后，解锁螺栓工作，使内筒和外筒分离，释放约束，实现解锁。

图1　解锁装置组成Fig.1　Components of the pyrotechnic release device

1.2存在不足

2012年7月，某卫星进行解锁试验，解锁螺栓工作正常，解锁到位，所有约束点均顺利解锁。

在解锁试验中对解锁点处的冲击值进行了测试，冲击响应曲线如图2和图3所示。通过试验数据的判读，发现解锁点处冲击峰值为11 348.9g，敏感单机位置冲击峰值为284.6g。冲击值过大，很容易造成星上敏感单机、敏感部件的性能下降甚至损坏，必须对解锁装置进行降冲击改进设计。

图2　解锁点处的冲击响应时域曲线Fig.2　Impact response curve in time domain at the release points

图3　星上敏感单机位置的冲击响应时域曲线Fig.3　Impact response curve in time domain near sensitive equipment

2　解锁装置降冲击设计

2.1蜂窝压溃吸能原理

铝蜂窝结构作为一种多孔材料，具有良好的能量吸收能力、较高的比强度和比刚度，因此，被作为轻质材料和能量吸收构件在航天领域得到大量应用［5-7］。

铝蜂窝结构受力时有特殊的应力-应变关系［8］，如图4所示。

图4　铝蜂窝应力-应变关系Fig.4　Stress-strain relation of aluminum cellular

根据其应力-应变关系，可将铝蜂窝的压缩过程分为3个区段。

1）蜂窝弹性变形区：负载从0到最大时的区域，在该区域，材料能够在未发生塑性变形的情况下承受较大载荷。

2）蜂窝塑性压溃区：位于图4中的负载平缓区，此阶段受力基本保持不变，蜂窝材料屈曲变形，各蜂窝孔壁发生周期性折叠，甚至压塌。

3）蜂窝压实区：蜂窝塑性区后负载出现剧烈上升，在该区段，蜂窝被压实，呈现弹性金属性质，其物理特性可近似看作蜂窝材料的物理特性。

蜂窝塑性压溃区，又称为蜂窝材料吸能区，通过应力对应变的积分可计算出单位体积吸收的能量。可以通过适量的预压缩提高蜂窝的承载能力，这样也有助于其吸能品质的充分发挥。正因为蜂窝的这一特殊性质，使其在航空航天领域得到广泛的应用。

2.2解锁装置改进设计

根据蜂窝塑性压溃吸能原理，对解锁装置进行改进，即采用蜂窝阻尼件代替原来的橡胶垫，实现对解锁冲击的缓冲［9-11］。

原解锁方案：通过M30螺栓与星体固定连接，再用M12螺栓将载荷底脚压紧，如图5所示。解锁时，M12螺栓组合体向上弹射分离，利用载荷底脚内安装的3mm厚的橡胶垫吸收组合体的部分动能，从而达到减小对载荷冲击的目的。

通过分析解锁试验的冲击测试数据，发现原解锁方案的冲击量级大、频率范围广。这主要是由于橡胶作为一种高阻尼材料，能够降低运动部件的速度，延长能量释放时间，但对抗高速、大能量冲击的能力较差。

图5　原解锁方案Fig.5　The original release solution

优化后的解锁方案：解锁螺栓穿过星体的φ30mm光孔，再用M12的螺栓将载荷底脚与星体压紧，如图6所示。解锁时，M12螺栓组合体与解锁螺栓本体向上弹射分离，利用载荷底脚内10mm厚的铝蜂窝阻尼件被压溃吸收大部分瞬时冲击能量，从而达到减小对载荷冲击的目的。

图6　优化后解锁方案Fig.6　The optimized release solution

2.3蜂窝缓冲垫设计

由于解锁装置整体尺寸较小，能够用于安装蜂窝缓冲垫的空间有限，为了提高单位面积蜂窝压溃时的吸能密度，蜂窝芯的选用原则是边长小而壁厚大。最终选用的蜂窝芯边长约 0.9mm、铝箔厚度0.03mm，蜂窝阻尼件尺寸见图7。蜂窝高度为10mm，上下各粘贴厚度为0.5mm和1.5mm的铝垫片，以保证蜂窝在受力和压溃过程中的变形均匀。

图7　蜂窝缓冲垫外形Fig.7　The shape of cellular cushion

3　蜂窝缓冲垫性能测试

为获取蜂窝缓冲垫的力学特性，通过拉伸试验机对蜂窝缓冲垫进行压缩测试，蜂窝的压溃曲线如图8所示。

图8　蜂窝缓冲垫的压缩试验曲线Fig.8　The compression test curve of cellular cushion

由图8可以看出：蜂窝缓冲垫压缩1.5mm后压力较高，表明已跨过弹性变形区；之后，为压力平缓段；当压缩量超过4mm后，压力迅速增大，表明蜂窝已经进入压实阶段；当压缩量达到7mm时，蜂窝停止压缩。压缩试验后对蜂窝缓冲垫的厚度进行测试，其厚度稳定在3mm左右，能够满足解锁装置可靠分离的要求。

根据蜂窝缓冲垫的特性，为保证其吸收能量的稳定性，应在使用前对蜂窝进行预压缩，跨过蜂窝的弹性变形区，预压量控制在 1.5mm，以保证蜂窝缓冲垫的启动力在2000 N左右。

根据HJG1-48A解锁螺栓的设计状态，点火过程中，内筒会在分离方向产生11.94 MPa的工作压力；据此，可计算出蜂窝缓冲垫所承受的力为F火=P×S=11.94 MPa×（0.016 2-0.012 2） m2=4199 N。

根据蜂窝缓冲垫的压溃曲线，压力平缓段的压力稳定在2000 N左右，解锁螺栓分离力完全能够将蜂窝缓冲垫压溃并充分吸能。

4　验证试验

2014年9月，对经过优化的解锁装置进行了解锁冲击验证试验。通过对试验过程冲击响应测量（见图9）的分析，发现改进后解锁点附近冲击峰值由11 348.9g降低为1 312.7g，降冲击效果非常明显，满足解锁试验的要求。

图9　改进后解锁验证试验Fig.9　Verification test for the optimized release solution

5　结束语

本文采用蜂窝缓冲垫对火工解锁装置进行了降冲击改进设计，经测试试验和验证试验表明，降冲击效果非常明显，提高了火工解锁装置的适用范围。

随着航天技术的不断进步，火工装置使用过程中的冲击控制会更加严格，降冲击设计和应用的需求会更加迫切。蜂窝缓冲作为冲击缓冲的一种手段，具有可靠性高、降冲击效果好、成本低廉的优点，但也存在启动能量大、缓冲效果不稳定的缺点。后续应用中应重视其缺点，尽量减小对系统性能的影响。

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（编辑：肖福根）

Design and verification test of a pyrotechnic release device for impact reduction

Wang Meng1，2， Zhou Zhitao1， Lin Degui1，2， Zhou Xubin1，2， Wang Wentao3
（1.Shanghai Institute of Satellite Engineering， Shanghai 200240， China；2.Laboratory of Space Mechanical and Thermal Integrative Technology， Shanghai 200240， China；3.Beijing Institute of Space Electromechanical Technology， Beijing 100076， China）

A certain pyrotechnic release device is mainly used to realize the connection and separation of large loads.To reduce the large release impact， theoretical researches are carried out and an improved design based on the cellular buffer principle is proposed.Through the verification test， the impact after the improvement is reduced from above 11 000g to below 1500g， showing that the impact reduction is remarkable.

pyrotechnic release device； unlocking bolt； release impact； cellular buffer

V421.7

B

1673-1379（2015）06-0630-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.06.012

王 萌（1984—），男，硕士学位，主要从事卫星结构与机构设计工作。E-mail： wm_sise@qq.com。

2015-04-16；

2015-11-04

上海市科委优秀技术带头人计划课题项目（编号：14XD142300）