样品容器火工解锁冲击试验研究

于杭健，张正峰



样品容器火工解锁冲击试验研究

于杭健，张正峰

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

某航天器的样品容器在火工解锁过程中，出现了解锁后向前冲击移动的现象。为充分掌握样品容器在轨火工解锁过程中冲击影响情况，开展了解锁冲击分析及试验验证。根据动量守恒定律，推算了样品容器在轨火工解锁的理论冲击移动距离，并开展了3次地面验证试验。计算结果和试验结果均表明，样品容器的冲击移动距离小于12mm的指标要求，因此不会影响在轨样品转移任务的顺利实施。

样品容器；解锁；冲击；试验研究

0 引言

在航天器设计过程中，对于需要一次性锁紧和释放的产品经常采用火工品装置进行连接固定，如火工切割器、分离螺母、爆炸螺栓等。火工品装置具有结构形式简单、连接可靠等优点，可以有效地满足锁紧与释放的功能要求[1-3]。

某航天器样品容器在设计时采用了火工切割器连接方式，以满足样品容器锁紧与释放的要求[4]。在地面试验中发现，样品容器在火工品装置解锁后发生了冲击移动现象，即样品容器在解锁后冲开棘爪束缚而出现了位移。

本文根据动量守恒定律，从理论上分析了样品容器在转移操作中的冲击移动距离；同时在地面开展了3次样品容器火工品装置的爆炸解锁试验，以掌握其在解锁过程中冲击移动情况，并分析冲击移动距离对样品在轨转移任务的影响。

1 火工品装置连接及解锁冲击现象

样品容器火工品装置主要由固定支架、压紧杆、火工切割器、缓冲组件等组成[5]。固定支架主要起着对压紧杆、火工切割器的固定作用；压紧杆主要用于样品容器的连接和固定；火工切割器主要用于切断压紧杆，释放样品容器；缓冲组件采用蜂窝结构形式，主要用于减缓解锁过程中对样品容器的冲击。样品容器与火工品装置的连接如图1所示。

图1 样品容器与火工品装置连接示意

火工切割器利用爆炸能量将压紧杆切断，同时将压缩能转化为动能，推动样品容器运动。在摩擦阻力及转移阻力（棘爪）作用下，样品容器移动一段距离后停止运动。在地面1重力下，冲击移动距离与样品容器质量、摩擦阻力、转移阻力相关，在摩擦系数一定情况下，样品容器质量越大，则摩擦阻力越大，而冲击移动距离越短；转移阻力与机构弹簧力相关：转移机构伸出后存在转移阻力，收回则无转移阻力。在轨飞行过程中，由于处于失重状态，摩擦阻力变小，而转移阻力不变。

在进行无摩擦阻力（样品容器处于竖直状态）解锁验证试验中，样品容器的质量为3.6kg，3次试验样品容器获得的分离速度分别为0.251、0.203、0.212m/s。在样品容器处于水平状态的试验过程中，样品容器的质量为2kg，也进行了3次火工品解锁试验：第1次样品容器的冲击移动距离为23mm，第2次为22mm，第3次为32mm（转移机构未展开状态，即无棘爪阻力）。第1次试验和第2次试验中，样品容器受到的总阻力为10N，其中摩擦阻力5N、转移阻力5N；第3次试验样品容器仅受到5N的摩擦阻力。

通过对以上试验数据的分析计算，根据动量守恒定律，则可得样品容器在解锁时刻的冲击速度。样品容器总的冲击移动距离总计算如下：

， (2)

f=0−c×/， (3)

， (5)

总=1+2。 (6)

式中：为样品容器动能，J；为样品容器质量，kg；0为样品容器初始速度，m/s；为样品容器降落到导轨的时间，s；H为样品容器落到导轨的距离，m；f为样品容器悬空段最后速度，m/s；c为棘爪阻力，N；f为摩擦阻力，N；1为悬空前进距离，m；2为导轨段前进距离，m。

根据动量守恒定律，以3.6kg样品容器、分离速度分别为0.203和0.251m/s进行推算，则可得2kg 样品容器的速度分别为0.36和0.45m/s，在摩擦阻力和转移阻力同时存在的情况下冲击移动距离分别为17和26mm；在无转移阻力的情况下冲击移动距离分别为31和47mm。

按照此方法对样品转移过程进行分析，样品容器质量按8kg计，对在轨解锁释放过程进行理论分析计算，得到冲击移动距离为10.1和6.5mm，均没有超过12mm的最大容许冲击移动距离。样品容器在轨解锁释放过程中移动距离为

=/(f+c)。 (7)

为验证理论计算分析的正确性，开展了样品容器火工品装置解锁冲击试验。

2 试验验证

开展8kg样品容器火工品装置解锁冲击试验，主要目的是为了获取其冲击移动距离，并分析火工品装置解锁冲击对在轨样品转移的影响。

2.1 试验方案

2.1.1 试验系统组成

样品容器解锁冲击试验采用滑轮吊挂方式用以抵消样品容器因重力作用而引起的摩擦阻力。参试设备包括样品容器、火工品装置、滑轮吊挂子系统、转移阻力机构件、结构安装工装、结构支撑工装、火工切割器起爆设备、高速摄像子系统等。样品容器解锁冲击试验系统如图2所示。

图2 样品容器解锁冲击试验系统

2.1.2 试验实施流程

样品容器解锁冲击试验流程如图3所示。

图3 解锁冲击试验流程

解锁冲击试验主要过程如下：

1）完成吊挂子系统搭建，将样品容器的质量配置到4.0kg，保证其质心位于中心轴线上，同时将另一侧的配重砝码按相同的质量加挂，配置后测试，保证滑轮转动流畅，实测得到阻力约为1.3N。

2）连接火工品装置和样品容器，再通过结构安装工装将其固定，并将吊挂缆绳引出，最后将样品容器安装底座与锁柄机构进行连接。

3）将上述完成配置并连接好的装置再与结构支撑工装连接固定，同时将转移阻力机构件按照星上真实状态设置到位，实测得到转移阻力约为5N。

4）在滑轮吊挂子系统上配置相应的平衡砝码，通过钢丝绳与样品容器连接，样品容器与平衡砝码的质量共计8.0kg，保证滑轮吊挂子系统灵活运动。

5）接好火工品的点火电缆，调试好高速摄像子系统，并完成火工品装置的状态检测。

6）火工品装置点火，样品容器在冲击力作用下向下运动，试验全过程由高速摄像子系统拍摄；解锁后测量样品容器顶面距锁柄机构顶面的距离，以获取样品容器冲击移动距离。火工品装置起爆前后样品容器状态如图4所示。

7）每次试验完成后进行状态恢复。重复以上动作，共进行3次试验。

(a) 火工切割器起爆前状态 (b) 火工切割器起爆后状态

2.2 试验结果分析

3次试验结果如下：第1次试验，样品容器向下移动2.455mm；第2次2.756mm；第3次4.520mm。

根据以上试验数据，在样品容器及配重共计8.0kg、运动阻力为6.3N的情况下进行计算，获得样品容器在解锁过程中的理论冲击移动距离应介于5.1～8.0mm之间。发现冲击移动距离的试验结果皆小于理论计算值，分析其原因有二：一是吊挂子系统吸收了部分能量，二是摩擦阻力测量存在误差，导致样品容器移动距离减少。

根据实际在轨状态，不考虑滑轮吊挂子系统1.3N的摩擦阻力，样品容器解锁过程中的理论冲击移动距离应该介于6.5～10.1mm之间，但没有超过12mm的最大容许冲击移动距离，可保证在轨样品转移任务的顺利实施。样品容器爆炸解锁后冲击移动距离见表1。

表1 样品容器电爆解锁后移动距离

注：地面试验中（含水平和竖直状态）均采用测力计测量摩擦阻力，受测力计及试验系统所限，测量均存在一定误差。棘爪阻力为理论设计值，而实际产品所提供的阻力与弹簧相关，二者存在差异。

3 结束语

针对样品容器火工品装置解锁后冲击移动距离问题，开展了理论计算分析和试验验证，根据这些数据对样品容器在轨解锁的冲击移动距离进行了推算，结果表明皆小于要求的12mm最大容许冲击距离。由此可见，火工品装置的解锁不会影响在轨样品转移任务的顺利实施。

[1] 褚桂柏, 马世俊. 宇航技术概论[M]. 北京: 航空工业出版社, 2002: 224-225

[2] 袁家军, 于登云, 白光明, 等. 卫星结构分析与设计[M].北京: 中国宇航出版社, 2004: 438-439

[3] 王萌, 周志涛, 林德贵, 等. 某型火工解锁装置降冲击设计与试验验证[J]. 航天器环境工程, 2015, 32(6): 630-631

WANG M, ZHOU Z T, LIN D G, et al. Design and verification test of a pyrotechnic release device for impact reduction[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2015, 32(6): 630-631

[4] 叶培建, 彭兢. 深空探测与我国深空探测展望[J]. 中国工程科学, 2006, 8(10): 13-18

YE P J, PENG J. Deep space exploration and its prospect in China[J]. Engineering Science, 2006, 8(10): 13-18

[5] 刘志全, 陈新华, 孙国鹏. 航天器火工机构的可靠性验证试验及评估方法[J]. 航天器工程, 2008, 17(4): 62-66

LIU Z Q, CHEN X H, SUN G P. Reliability validation tests and evaluation methods for pyrotechnic mechanisms of spacecraft[J]. Spacecraft Engineering, 2008, 17(4): 62-66

（编辑：肖福根）

Experimental study of unlock impact for sample vessel

YU Hangjian, ZHANG Zhengfeng

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

During electric storm unlocking of the sample vessel of a certain spacecraft, the sample vessel jumped the traces suddenly. To understand the impact influence of the vessel jumping the traces in orbit, the phenomenon analysis and the experimental verification of the unlocking impact are carried out. According to the conservation of momentum, the impact distance of the sample vessel jumping the traces in orbit is calculated. And the unlocking shock test is carried out three times to verify the calculations. Both the calculation and test results show that the distance of the sample vessel jumping the traces in orbit is less than 12mm, thus the sample transferring in orbit can be performed successfully.

sample vessel; unlock; impact; experimental study

V416.2

A

1673-1379-2017(04)-0382-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.007

于杭健（1984—），男，从事航天器总体设计工作。E-mail: yhj1105@163.com。

2017-03-29；

2017-06-28

国家重大科技专项工程