火工装置轻量化小型化研究

唐 杰，王金童，雷 雨，张 醒，张修科



火工装置轻量化小型化研究

唐 杰，王金童，雷 雨，张 醒，张修科

（上海宇航系统工程研究所，上海，201109）

为满足航天器轻量化对火工装置的需求，对火工装置轻量化小型化开展研究，重点探讨火工装置轻量化小型化原则、轻量化小型化途径以及实施轻量化小型化研制工作的基本流程。以某切割器为例，开展轻量化小型化研制，并进行极限功能裕度和极限强度裕度试验。结果表明，优化后的切割器重量和体积均减小50%，并且满足功能要求。

火工装置；航天；轻量化；小型化

近年来随着我国航天领域不断扩展，航天型号产品往深空探测、综合探测、多星组网以及微小航天器方向发展，航天器轻量化要求不断提高，对轻小型火工装置的需求也不断增加。本文针对目前轻量化小型化火工装置的需求，重点探讨火工装置轻量化原则、轻量化小型化途径以及实施轻量化小型化研制工作的基本流程，并讨论轻量化小型化火工产品的发展方向。

1 轻量化小型化基本原则

1.1 功能、性能要求

火工装置轻量化小型化研制的首要条件是保证需求的功能和性能完全满足总体指标要求，以牺牲产品功能和性能为代价的轻量化研制工作意义不大。如以成熟火工装置为基线产品开展研制的，则需保证其功能和性能不低于原有基线产品的要求。

1.2 可靠性、环境适应性

火工装置应用环节一般为单点失效环节，对可靠性要求较高。轻量化小型化研制工作的另一基本原则为确保火工装置高可靠的特性，同时为了保证产品的生命力和适用范围，特别是应用于深空探测领域，轻量化火工装置应能具备较宽的环境适应性[1]。

1.3 量化功能裕度、结构强度裕度

火工装置的设计关键是确定功能裕度和结构强度裕度，通过计算和试验的方法量化确定火工装置在极限环境条件下的功能裕度和强度裕度是开展轻量化设计的基础。功能裕度保证产品正常工作的可靠性，结构强度裕度保证产品强度可靠性，根据量化的产品裕度，才能对火工装置核心参数进行优化，确定合理的参数[2]。

1.4 继承性设计

成熟定型火工装置的各类试验验证较为充分，试验子样较多。为了加快火工装置轻量化小型化的研制进度，提高研制工作效率，在火工品的核心模块中应注重对成熟定型产品的继承性设计，这样既能有效规避研制风险，又能继承成熟产品子样数和各项试验结果，提高产品可靠度，降低研制成本。

2 轻量化小型化基本途径

轻量化小型化的途径主要有如下4个方面：基本参数精确化、核心参数优化、结构集成化、整体结构优化。

2.1 基本参数精确化

基本参数是指火工装置设计所依据的最基本的材料屈服极限、延伸率等力学物理性能，以及药剂成分、发火能量、爆压等性能参数。以往火工装置设计时，上述性能和参数等均参考相应的标准和手册。这样做虽然在工程实施上较为便利，且易于质量控制，但由于标准和手册为了满足较宽的适用面，各个参数取值也相对保守。可以通过多子样的试验和测量，得到实际使用材料的力学性能、药剂的发火能量等参数的精确值，开展精确设计。

2.2 核心参数优化

火工装置工作核心参数主要有装药量、药剂组分、作动机构参数、初始容积、传爆距离等，核心参数直接决定了火工装置的工作压力、产品结构长度、材料厚度等参数，而这些参数直接决定产品体积和重量。同时，火工装置设计时核心参数直接关联产品功能裕度和强度裕度。核心参数优化就是优化作动结构，确定合理的功能裕度和强度裕度，据此开展确定外围参数和结构参数，即保证在可靠性基础上控制强度裕度[3]。

2.3 结构集成化

火工装置设计时为了加工和装配方便，产品结构多采用分体式结构。为了控制起爆后的反压对点火部分封接体的影响，内部火工部分设计一般采用分级传爆的形式，起爆器与主装药体分开，中间设计传爆环节。上述设计解决了原有生产工艺的瓶颈问题，但客观上增加了产品的结构重量。近年来随着加工水平的提高，耐高压起爆器以及起爆和装药一体化的火工部组件的研制成功，使得较高压力条件下工作的火工装置采用集成的结构设计成为可能。主要集成分为两个方面：一方面是器件集成，火工部分起爆与装药结构的集成，极大地减小结构尺寸，结构更为紧凑，降低结构重量；另一方面是结构的集成，尽量合并零组件，减少不必要的连接和组装环节，简化设计[4]。

2.4 整体结构优化

火工装置的产品重量主要是结构体部分，结构体重量的优化是实现轻量化最为直观的实现途径。该途径主要针对原火工品研制过程对结构强度裕度评估不够细致，在应力水平较低的位置没有开展优化工作，提高整体效率。主要工作措施是：识别各种载荷工况，分析结构件的整体应力水平，根据强度和刚度要求，优化结构件的细节尺寸，提高设计的精细度，以此进一步实现轻量化的目标[5]。

3 轻量化小型化研制基本流程

火工装置轻量化小型化研制基本流程应贯彻轻量化小型化的原则和途径的要求，同时满足一般产品研制流程的基本要求，用于指导轻量化火工装置的研制工作。具体流程如图1所示。

图1 轻量化小型化火工装置研制基本流程

4 火工装置轻量化小型化研制实例

4.1 设计目标

某成熟型号切割器已广泛应用在多个型号太阳电池阵压紧和约束释放机构上，包含地面可靠性试验共起爆了2 000多发，其中上天飞行试验300多发，均取得成功。经可靠性试验，其可靠度达到0.999 994（置信度0.95）。但该切割器质量较重（205g），因此以该成熟型号切割器为基线产品开展轻量化小型化切割器研制，在满足极限功能裕度（60%装药量低温条件下发火能可靠切断直径Ф3.5mm的钛杆）和极限强度裕度（在120%装药量高温条件下发火壳体完好）的前提下，实现重量由205g减小至不大于100g的目标[6]。

4.2 轻量化小型化设计

小型切割器是在成熟产品基础上开展轻量化小型化设计，为充分继承基线切割器的设计状态，设计遵循以下设计原则：不改变切刀行程以及切刀、钛杆、刀砧切割处状态；不降低切割器壳体内压承载裕度；不改变切刀、刀砧、本体等零部件材料；小型切割器需满足极限环境条件下能可靠工作的要求。

在以上4个原则下，结合切割器实际情况，除基本参数精确化由于研制进度而未开展外，主要从核心参数优化、结构集成化、整体结构优化3个方面开展轻量化小型化设计。

4.2.1 核心参数优化

基线切割器雷管主装药是太安，其熔点为142℃。根据历史试验数据，太安在高温120℃情况下已开始分解，导致雷管输出能量不足，影响切割性能。针对基线切割器切割性能裕度较大、高温环境适应性较差等特点，在不影响切割性能的前提下选用黑索今作为雷管主装药，黑索今熔点为203℃，能有效地提高切割器的高温环境适应性，并且减少药量，性能对比见表1。

4.2.2 结构集成化

基线切割器起爆器接头与本体采用螺接的方式连接，此次小型切割器设计中，将起爆器接头与壳体设计为一个整体，实现壳体一体化设计，有效避免螺纹连接处强度的削弱，减少产品零件，省去安装连接环节，从而实现减重，见图2。

表1 太安与黑索今性能对比

Tab.1 Performance of PETN and RDX

图2 外形对比示意图

Fig.2 Outline comparison diagram before and after integration

4.2.3 整体结构优化

针对基线切割器雷管质量较大的特点，在不影响切割性能的前提下缩小雷管体积。雷管结构形式采用火焰雷管的成熟结构，与基线切割器雷管结构基本一致、装药序列一致，然而雷管体积大幅减小，直径由Φ7.1mm减小至Φ5.1mm，减小28%。由于雷管体积缩小，壳体内腔、切刀、刀砧的直径相应减小。同时，切刀、刀砧以及螺塞长度也进行了减小，壳体长度相应做出调整，由原125mm缩短为90mm，减小28%。

根据产品受力分析，切割器主爆轰区结构需承受最大爆破压力。要满足强度要求，需采用较厚的铝合金材料，需要增加壳体重量。为了实现轻量化设计，经优化分析，在雷管工作区，采用刚度较好的钢材，雷管工作后，能起到较好的约束作用，增强壳体强度。经强度分析，主爆轰区强度剩余系数1.2，非主爆轰区强度剩余系数1.1。

经过上述优化设计，小型切割器设计重量低至约96g，外形尺寸减为约25mm×50mm×90mm，相比基线切割器205g的重量和28mm×62mm×125mm的外形尺寸有较大幅度的下降，实现了轻量化小型化设计目标。

4.3 试验验证

切割器轻量化前后对比见图3。对优化后的小型切割器进行了摸底试验，包括小药量（60%）低温发火试验、大药量（120%）高温发火试验等，考核产品功能性能，发火试验如图4所示，试验情况见表2，试验结果满足设计要求。

表2 摸底试验情况

Tab.2 Dignostic test

图3 切割器轻量化前后对比

图4 发火试验

Fig.4 Firing test

从表2试验情况可知：60%小药量、低温环境下，切割器能有效切断钛杆；120%大药量、高温环境下切割器壳体未见结构破坏，证明设计装药量合理可行；切割器工作后壳体未见明显变形，切割器结构强度满足设计要求。因此，小型切割器满足极限功能裕度（60%装药量低温条件下发火可靠切断钛杆）和极限强度裕度（在120%装药量高温条件下发火壳体完好）要求。产品满足功能性能要求，实现了轻量化小型化设计。

4.4 状态确定

小型切割器通过上述验证试验后，开展了鉴定试验，试验结果均满足要求。并通过可靠性验证试验，其可靠度为0.999 994（置信度0.9），与基线切割器一致，因此小型切割器设计状态确定[7]。

4.5 小结

针对基线切割器体积较大、质量较重等不足，开展轻量化小型化设计，在不降低其可靠度（0.999 994（置信度0.95））的前提下，切割器的重量和体积均下降50%，实现了火工装置轻量化小型化的目标。

5 结语

火工装置轻量化小型化的发展，需要新材料、先进仿真分析、新型火工集成及其它先进小型化火工新技术的支撑，上述新技术也推动火工装置革命性的发展。目前国内火工装置研制过程中对新材料、先进仿真分析以及新型火工基础技术的应用还处于起步阶段，火工装置轻量化研究的基础支撑技术还有待进一步深入研究，新技术在火工装置轻量化小型化中的应用研究同样需要得到关注。

本文针对火工装置轻量化小型化的研制需求，开展了一些探索性的工作，提出了航天火工装置轻量化小型化的研究思路和建议，希望能够对火工装置轻量化小型化发展产生有益影响。

[1] 张醒,等.空间使用环境对火工装置性能的影响[J].火工品,2013(5):1-4.

[2] 王凯民,温玉全,编著.军用火工品设计技术[M].北京:国防工业出版社,2006.

[3] 刘竹生,王小军,朱学昌,等.编著.航天火工装置[M].北京:中国宇航出版社,2012.

[4] 夏建才.火工品制造[M].北京:北京理工大学出版社,2009.

[5] 导弹强度计算手册[M].北京:国防工业出版社，1978.

[6] GJB 1307A-2004航天火工装置通用规范[S].国防科学技术工业委员会,2004.

[7] GJB 376-1987 火工品可靠性评估方法[S].国防科学技术工业委员会,1987.

Study on Lightweight and Miniaturization of Initiating Explosive Device

TANG Jie，WANG Jin-tong，LEI Yu，ZHANG Xing，ZHANG Xiu-ke

(Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai，201109)

To meet with the lightweight and miniaturization requirement for initiating explosive device in spacecraft, the principles, methods and implementation of lightweight and miniaturization were put forward. Take some cutter as an example, the design of lightweight and miniaturization was carried out, and the tests of limit function margin and limit strength margin have been done. The results showed that the mass and volume of cutter was decreased about 50% after improvement, and the function of cutter can meet with the requirements.

Initiating explosive device；Aerospace；Lightweight；Miniaturization

1003-1480（2016）05-0017-04

TJ450.2

A

2016-09-17

唐杰(1980-)，男，高级工程师，主要从事箭体结构和星箭连接解锁机构方向研究。