某单兵类导弹级间分离装置设计研究

2021-04-01张雅娜吴靖丽

中北大学学报(自然科学版) 2021年2期

李焱，王端，张雅娜，吴靖丽，陈燕

(1.中北大学环境与安全工程学院，山西太原 030051；2.山西江阳化工有限公司，山西太原 030041；3.陆军装备部驻北京地区军事代表局某军事代表室，山西太原 030000)

0 引言

面对复杂多样的现代战场，各种关于单兵类导弹威力提升的研制成为了当下研究的热点[1].本文研究对象为某单兵类导弹级间分离装置，其可使战斗部实现两级分离，并赋予前置战斗部一定的加速度.级间火工分离装置是单兵类、火箭弹导弹的关键部件，其功能是在导弹推进段使用完成后将推进段与前置战斗部可靠得分离，确保不影响导弹的正常飞行[2].在分离装置作用过程中，若因结构设计不合理导致战斗部初始速度未达到预定初始速度，可能会对操作人员和产品造成损伤，引发严重后果[3].传统的分离装置结构主要有两种：一种是开放式分离装置，存在冲击大、有污染且会产生烟雾影响前置战斗部弹道的缺点[4]；另一种是爆炸螺栓式分离装置，其解锁功能是通过爆炸螺栓中柱状药产生剪切力从而剪断指定部位而实现的[5]，结构简单，但只能实现分离功能，无法在分离之后向战斗部提供更大的推力.

本文设计了一种分离装置，总体结构采用活塞式拔销结构.通过对分离装置进行装药设计和结构设计，利用电起爆器作用产生的高压气体瞬间将固定销和加强座薄弱环节剪断，活塞推动前置战斗部，从而实现单兵类导弹两级分离的目的.该装置分离可靠，分离速度可达到预定要求且作用后无飞片及装置碎片产生，不会对前置战斗部等其他部件造成影响，具有较高安全性.

1 总体结构及工作原理

如图1 所示，分离装置结构采用活塞式拔销结构，主要由活塞、固定销、电起爆器、加强座等组成.分离装置的工作原理是：在作用前通过固定销将战斗部与筒体固定，在火箭弹飞行距目标一定距离时，采用电信号触发，给电起爆器通以额定电流使电起爆器作用，在密闭空间内主装药产生高压气体做功，瞬间剪断固定销和加强座薄弱环节，使活塞推动前置战斗部运动，并赋予其一定的加速度，从而实现战斗部的两级分离[6].

图1 分离装置结构图

2 级间分离装置设计

以级间分离装置负载0.6 kg，行程72 mm为例，将满足负载分离速度达到100 m/s作为设计导向，对主装药、点火药、固定销和加强座进行设计.分离装置作用后主装药产生的峰值推力应小于级间分离装置筒体薄弱环节处的最大承载力；作用后主装药产生的最小推力应大于前置战斗部达到最小速度(100 m/s)时所需推力.固定销和加强座应保证在电起爆器作用前战斗部不会发生相对位移且在电起爆器作用后能被可靠剪断[7].

2.1 药剂设计

2.1.1 主装药设计

主装药作用产生的峰值推力是推动战斗部运动达到预定分离速度的关键所在[8].根据GJB 771.302—1994《火药性能试验方法》，本文采用微分压力法，通过密闭爆发器试验对主装药峰值推力进行测试.在密闭爆发器中，利用压电压力传感器在燃气压力作用下产生的电荷流经电阻产生的压降正比于发射药燃气压力的微分的原理，测量药剂的燃气压力变化率—时间曲线，即可得到燃烧特性参数.同一装药量下，主装药为多125、2/1樟、2号黑火药、9/7三基发射药的输出性能如表1 所示.

表1 不同主装药时装置输出性能

根据试验结果，将峰值推力随时间的变化描绘为不同主装药时装置的推力-时间曲线，如图2 所示.

图2 不同主装药时装置的推力-时间曲线

图2 曲线下面积为药剂产生的压强能力即做功能力，面积越大，输出能力越强[9].当主装药药量一致，选用主装药为多125和2/1樟时，燃速快，所需点火时间短，峰值推力高且曲线下面积大，输出能力强；2号大粒黑火药和9/7三基发射药虽然燃速较高，但是峰值推力较低，曲线下面积较小，输出能力较弱，无法满足设计需要.由于多125的点火时间短，可以更好地满足分离时对时间的要求，故选用多125作为主装药.

级间分离装置筒体薄弱环节处的最大承载力为

(1)

已知固定销的数量N=2，用于固定战斗部与筒体的单个固定销接触面积S=82.9 mm2，且该型号导弹级间分离机构筒体的内径d=60 mm，外径D=75 mm，筒体材料为7A04-T6，其抗拉强度为530 MPa.根据式(1)计算可以得到最大连接承载力F=755.06 kN.选用多125作为主装药时，产生的峰值推力小于筒体薄弱环节处最大承载力，不会造成打脱等问题，满足技术指标.

2.1.2 点火药设计

为保证在电起爆器作用后，主装药可以被可靠引燃，点火药应选择燃烧产物中含有高温高压气体和灼热粒子的药剂[10].因此，选择硼-硝酸钾、3号小粒黑、镁-聚四氟乙烯3种药剂进行试验，以主装药峰值推力来表征点火药影响主装药产生推力的能力，试验条件与上节主装药性能测试试验条件相同.试验结果见表2，点火药推力-时间曲线见图3.

表2 不同点火药时装置输出性能

根据表2 结果可知，当主装药量一致，选用硼-硝酸钾作为点火药时，点火时间和峰值时间短.在图3 中，硼-硝酸钾曲线下的面积最大，输入能力最大，证明其点火能力强于黑火药和镁-聚四氟乙烯，可以更快、更容易地使主装药达到着火点和临界点火压力，实现稳定燃烧.选用硼-硝酸钾作为点火药时产生的峰值压力小于筒体薄弱环节处最大承载力，满足技术指标.

图3 不同点火药时装置的推力-时间曲线

2.2 预紧力设计

2.2.1 固定销设计

固定销在级间分离装置中有两个作用：当电起爆器未作用时，固定销需要在高发射强度下保证负载不会发生偏移；在电起爆器作用后，固定销应被活塞和负载运动可靠剪断[11].以级间分离装置负载0.6 kg为例，固定销需满足在发射强度5 000 g下正常工作.

固定销材料设计为防锈铝5A06，铝的抗剪切强度σt=315 MPa，固定销半径r=4 mm.高压气体作用的起始半径R=8 mm.因此，电起爆器作用后，剪断2个固定销所需的力F1为

F1=2σtS0=31 667.25 N.

(2)

电起爆器作用后，气体作用的起始面积为

S1=πR2=0.201×103mm2.

(3)

所以，剪断固定销的起始压强为

(4)

在启动阶段，活塞未发生运动，主装药进行定容燃烧，则在该阶段的气体状态方程为

(5)

式中：P0为药剂燃烧后产生的最小气体量，MPa；f为主装药火药力，取1 022.4 kJ/kg；kp为修正系数，取0.5[12]，无量纲值；ξ为装药壳体起始总体积，为10.2×10-3dm3；ω为主装药装药量，为 6.1 g；α为火药气体余容，α=e-0.4Δ=0.787 2 dm3/kg，Δ为装填密度，取0.598 0 kg/dm3.代入数据可得P0=577.67 MPa.

由式(4)可知，剪断固定销的起始压强P1=157.55 MPa

在过载发射强度为5 000 g下，战斗部受力为

F0=ma=0.6 kg×5 000 g=30 000 N.

(6)

由式(2)可知，F0

2.2.2 加强座设计

加强座在级间分离装置中有两个作用：当电起爆器未作用时，加强座应保证负载不会发生偏移；当电起爆器作用后，在满足预定预紧力时，加强座应该被可靠剪断.

加强座材料设计为7A06-T6，σ=530 MPa.已知加强座薄弱环节内径D1=40 mm，加强座薄弱环节外径D2=40.9 mm.因此，电起爆器作用后，剪断加强座所需的力F2为

(7)

F2=σS2=530 MPa×0.072 5×103=

38 425 N，

(8)

则加强座被剪断压强P2为

(9)

由式(4)可知，主装药产生最小压力P0=577.67 MPa>P2.

因此，加强座既能在电起爆器作用前保证负载不偏移，又可以保证在满足预定预紧力之后可靠剪断，满足设计要求.

3 作用过程分析

级间分离装置的作用过程可分为3个阶段：第一阶段从主装药被电起爆器点燃开始产生气体到负载开始运动，可视为定容燃烧，主装药被点燃后开始产生大量高压气体，直到活塞表面受到的压强等于装置预紧力；第二阶段固定销和加强座被剪断，活塞在高压气体的推动下继续运动，随着容积增大，主装药继续膨胀作功，推动活塞和负载一起沿轴向方向运动，直至主装药燃烧结束；第三阶段为主装药燃烧结束，高压气体继续膨胀作功，直至战斗部出膛，活塞到达预定行程L[14].

以分离装置负载0.6 kg，行程72 mm为例，分离速度需达到100 m/s.利用经典内弹道方程组对作用过程建立数学模型进行分析.

已知级间分离装置中活塞的截面积S=2 827.4 mm2；装药壳体起始总体积ξ=10.2×10-3dm3；活塞总行程L=72 mm；负载质量m=0.6 kg；装药量ω=6.1 g；θ=k-1，k为绝热系数，取1.237；主装药采用多125单基发射药，火药力f=1 022.4 kJ/kg，余容α=0.787 2 dm3/kg；ψ为主装药燃烧百分比；次要功计算系数φ=1.1.

利用Matlab/Simulink编制内弹道求解程序，结合ode45函数解微分方程[15]，可求出作用过程中各个时刻的压力、速度、时间等参数的数值解，最终得出P-t，V-t曲线，如图4 所示.

(a)输出压力

由图4 可知，在0 s时，分离装置内压强为0 MPa，主装药未发生燃烧，装置未发生动作；0.5 ms时，电起爆器作用，分离装置内压强上升，主装药开始进行定容燃烧，高压气体向活塞作功；1.2 ms时，高压气体推动活塞及负载对固定销、加强座进行作用，负载开始与级间分离装置进行分离；4 ms时，活塞运动到预定行程，负载分离初速度达到102.6 m/s，大于预定分离速度(100 m/s)，满足设计要求.

4 试验验证

采用金属网靶式测量方法结合高速摄影拍摄方法对级间分离装置的分离初始速度进行验证.试验过程中，设置第一靶与分离机构的最小距离L1，靶面垂直于射线，避免分离机构在分离过程中对金属目标网靶的干扰；设置第一靶与第二靶之间的靶距L2，使测速达到应有的精度并规范化.当战斗部穿透金属网靶时，网靶线路接通，镀银铜丝被切断，电路内产生电位突变，形成靶信号，数据采集系统记下此信号，得到时间参数t12用以计算分离装置的分离速度[16].图5 为分离机构静态试验布置图.级间分离装置作用前后过程图如图6 所示.